土壤墒情测定仪及其测定方法

摘要

本发明涉及一种土壤墒情测定仪及其测定方法，测定仪包括主机、探针、WIFI模块和手持终端模块，主机包括中央处理器、信号收发系统、数字信号中央处理器和连接器，采用多频点可调的信号源和矢量接收技术相结合，通过测量电磁波传输特性，将采集信息利用数学运算转换到距离域，再通过数据分析、反演得到平行传输线周围土壤介电常数及其水分含量。进行多种非特殊类型土壤的墒情测定不需要提前标定，速度快、精度高、实用性强、重复性高，不会对被测土壤产生任何影响。手持终端模块可大量存储数据及图像，支持数据回放、比较功能，支持WIFI、GPRS和GPS或北斗系统功能，实现测量数据的现场实时显示、存储、远程共享、再处理以及精确定位。

说明书

技术领域

本发明属于土壤墒情监测领域，涉及一种土壤墒情测定仪及其测定方法，尤 其适用于测量大面积土壤墒情并进行实时监测。

背景技术

土壤墒情的测定方法有很多，目前市场现有技术有烘干法、中子衰减法、张 力计法、近红外线法、频域反射、驻波比法和时域反射法。烘干法是测量土壤含 水率的经典方法，但是烘干法无法实现在线监测。必须取回实验室烘干，称重。 且测量周期长。中子衰减法采用中子衰减，如果屏蔽不好，容易造成射线泄漏， 污染环境，危害人体健康。张力计式土壤水分传感器测量范围受土质影响。该方 法测量的是土壤水的吸力，需要依据土壤水分特征曲线来换算成土壤含水率。但 由于土壤水分能量关系复杂，呈非线性。所以容易受到土壤理化特性的影响。该 方法存在滞后和回环，影响其测量速度。近红外线法是利用土壤中水谐振吸收特 性来测量土壤含水率的一种方法，受土质的影响较大，且价格昂贵。频域反射法 (FD)是通过测定传感器的阻抗来确定土壤体积含水率。该方法比驻波比法测量 更加精确，比TDR方法精度低。理想测试频率在20-30MHz，在这个频段受土质 的影响较大，而且需要提前标定。驻波比法(SWR)利用介电常数能够改变传输 线上驻波比的明显变化。根据电压比来测量，影响驻波比法的关键因素之一就是 探针的特性阻抗的计算，其精度低，受土壤类型影响较大，需要提前标定。时域 反射法(TDR)是介电测量中的高速测量技术，TDR方法是当今世界上最受认可 的土壤墒情快速测量技术之一，与其他方法相比，TDR技术相对精准，由于TDR 技术使用双切线法计算行程时间，所以仍存在重复性和精度较差的问题。而且存 在技术垄断，目前仅有少数国家掌握了设计制造TDR土壤水分和电导率测试仪的 所需的高速采样示波器、窄上升沿阶跃信号发生器、高频高精度时间基准等技术， 价格昂贵。

发明内容

本发明所要解决的问题在于，克服现有技术的不足，提供一种土壤墒情测定 仪及其测定方法，本发明是一种能够快速、精准测量大面积土壤墒情并进行实时 监测的便携式仪器及其测定方法，采用宽带信号发射技术和矢量接收技术相结 合，解决了频率范围小、频率低、测量速度慢、测量前标定、受土质以及土壤类 型等外界环境影响较大、实用性和重复性以及通用性不强等问题。与时域反射法 (TDR)等产品相比，不仅精度更高，而且测量范围更广。采用针式传感器避免 了对土壤环境的破坏，且方便测量。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

依据本发明提供的一种土壤墒情测定仪，包括主机、探针、WIFI模块和手 持终端模块，所述的主机包括中央处理器、信号收发系统、数字信号处理器和连 接器，中央处理器通过数据线分别与信号收发系统、数字信号处理器、连接器相 连接；信号收发系统通过数据线分别与数字信号处理器、中央处理器、连接器相 连接；数字信号处理器通过数据线分别与信号收发系统、中央处理器、连接器相 连接；连接器通过数据线分别与中央处理器、信号收发系统、数字信号处理器、 探针、WIFI模块相连接；探针的一端通过数据线与连接器相连接，另一端通过 数据线插入土壤中进行测量；WIFI模块的一端通过数据线与连接器相连接，另 一端通过无线局域网与手持终端模块相连接。

一种土壤墒情测定仪的测定方法，其特征在于：它包括以下步骤：

(1)将探针针头端插入土壤中；

(2)整机上电后将手持终端模块与WIFI模块相连；

(3)通过手持终端模块设置目标土壤的类型、探针的类型、发射信号的频 率范围、信号接收系统的带宽和手持终端模块的显示类型，同时手持终端 模块发送开始指令；

(4)主机接收到手持终端模块传来的指令后由中央处理器控制信号收发系 统发送多个频率的信号；

(5)信号收发系统接收信号，同时数字信号处理器进行信号采集；当信号 传输到探针接触土壤的交界点时会反射一部分信号，此时信号收发系统收 到一个反射信号，当信号传输到探针终端时信号会发生全发射，信号收发 系统又会收到一个信号，与此同时数字信号处理器将采集到的信号转化为 数字信号，并通过傅里叶变换将频域信号转换到时域，而两个反射信号的 时间差，正是信号在探针上所传输时间的两倍；

(6)中央处理器将转换后的数据通过WIFI模块传给手持终端模块形成二 维图像并显示土壤体积含水率；通过麦克斯韦方程组可推导出电磁波的传 输速度与介电常数之间的关系；信号的传输速度可以通过信号的传输时间 推导得到，于是就确定了土壤的介电常数；手持终端模块通过得到的介电 常数带入经验公式，由此得到土壤的体积含水率；

(7)利用手持终端模块完成位置定位并上传相应位置的土壤墒情数据。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案进一步实现：

前述的探针采用针式平行探针。

本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果：

由于本发明采用探针完成测试激励信号和反射信号的传输，主机完成激励信 号的发生和反射信号的采集，且内部包含智能控制分析软件和专家库系统，具有 测试数据处理、频时域图形处理、二维图像合成以及数据存储等功能，并可通过 智能无线发射接口，将原始测试数据传送到手持终端模块或PC机。手持终端模 块或PC机完成数据再处理、显示以及友好的界面显示。

本发明克服了低频和单一频率源的限制，采用宽带信号发射技术，设计了多 频点可调发射信号源。采用矢量接收技术，直接用低速A/D对回波信号进行采样， 简化电路设计。可以通过控制接收机的中频带宽(IF Bandwidth)能有效地抑制 接收信号中的噪声，进而提高接收机的灵敏度。应用连续波在频域进行测试，通 过数学运算转换到距离域，通过数据分析、反演得到平行传输线周围土壤介电常 数及其水分含量，并可进一步拓展采用宽带成像技术，得到不同土壤分层水分含 量的二维图像。进行多种非特殊类型土壤的墒情测定不需要提前标定，速度快、 精度高、实用性强、重复性高，不会对被测土壤产生任何影响。手持终端模块拥 有大容量，可大量存储数据及图像，支持数据回放、比较功能，支持WIFI、GPRS 和GPS或北斗系统功能，实现测量数据的现场实时显示、存储、远程共享、再处 理以及精确定位。

本发明实现了不受土壤类型、土质影响，不需要提前标定的土壤墒情测定。 实现了真正意义上的快速土壤墒情的测量。不会对被测量的土壤产生任何影响。 便携式的土壤墒情测定仪具有测试速度快、远程显示和人机界面交互友好、数据 多重灵活共享等性能特点，同时具有体积小、重量轻、采用电池供电和环境适应 性强等功能特点。可进行实时传输数据，方便测量人员进行野外作业。

本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1为本发明的土壤墒情测定仪外部结构示意图；

图2为本发明的土壤墒情测定仪结构框图；

图3为本发明的土壤墒情测定仪工作流程框图；

图4为本发明的土壤墒情测定仪测量壤土类介电常数与体积含水率关系曲 线图。

其中：1.主机，2.连接器，3.WIFI模块，4.探针，5.手持终端模块，6. 中央处理器，7.信号收发系统，8.数字信号处理器，9.土壤。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特 征及其功效，详细说明如后。

如图1～4所示的一种土壤墒情测定仪,包括主机1、探针4、WIFI模块3 和手持终端模块5，所述的主机包括中央处理器6、信号收发系统7、数字信号 处理器8和连接器2，中央处理器通过数据线分别与信号收发系统、数字信号处 理器、连接器相连接；信号收发系统通过数据线分别与数字信号处理器、中央处 理器、连接器相连接；数字信号处理器通过数据线分别与信号收发系统、中央处 理器、连接器相连接；连接器通过数据线分别与中央处理器、信号收发系统、数 字信号处理器、探针、WIFI模块相连接；探针的一端通过数据线与连接器相连 接，另一端通过数据线插入土壤9中进行测量；WIFI模块的一端通过数据线与 连接器相连接，另一端通过无线局域网与手持终端模块相连接。

中央处理器运行操作系统，作为核心部分控制着整个设备的模块，实现可 控信号的收发，数字信号的转换以及通讯功能。

信号收发系统采用宽带信号发射技术，可发送多个频点信号；采用矢量接 收技术，接收信号通过混频和低通滤波后下变频到复基带信号，复基带信号经过 AD采样后得到一个复数数组；数组中的每一个元素对应着每一个发射频点复基 带频域采样信号，这样复数数组可进一步表示为频率域数组，可以通过控制接收 机的中频带宽(IF Bandwidth)能有效地抑制接收信号中的噪声，进而提高接收 机的灵敏度。

数字信号处理器采用频率步进探测接收机，通过对接收到的频率域数据对 其进行IDFT变换得到综合时域信号，通过发射和反射综合时域信号的时间差的 精确测量，实现对不同含水量土壤传输时间的测量，进而反演得到土壤墒情。

连接器分为三类，一类采用BNC连接器，用于传输信号源和探针的发射信 号和反射信号；另一类采用USB以及CAN连接器，用于与WIFI模块连接，或者 使用PC机进行连接测量；再一类是直流DC电源接口，可用于电池充电。

探针采用针式平行探针。

手持终端模块可控信号源的频率范围，可选采样点数以及中频带宽，具有二 维图像界面，自动调整窗的大小，埋土壤介电常数和含水率的关系式，且留有自 主修改关系式功能，可搭载SIM卡，实现在线监测。

一种土壤墒情测定仪的测定方法，它包括以下步骤：

(1)将探针针头端插入土壤中；

(2)整机上电后将手持终端模块与WIFI模块相连；

(3)通过手持终端模块设置目标土壤的类型、探针的类型、发射信号的频 率范围、信号接收系统的带宽和手持终端模块的显示类型，同时手持终端 模块发送开始指令；

(4)主机接收到手持终端模块传来的指令后由中央处理器控制信号收发系 统发送多个频率的信号；

(5)信号收发系统接收信号，同时数字信号处理器进行信号采集；当信号 传输到探针接触土壤的交界点时会反射一部分信号，此时信号收发系统收 到一个反射信号，当信号传输到探针终端时信号会发生全发射，信号收发 系统又会收到一个信号，与此同时数字信号处理器将采集到的信号转化为 数字信号，并通过傅里叶变换将频域信号转换到时域，而两个反射信号的 时间差，正是信号在探针上所传输时间的两倍；

(6)中央处理器将转换后的数据通过WIFI模块传给手持终端模块形成二 维图像并显示土壤体积含水率；通过麦克斯韦方程组可推导出电磁波的传 输速度与介电常数之间的关系；信号的传输速度可以通过信号的传输时间 推导得到，于是就确定了土壤的介电常数；手持终端模块通过得到的介电 常数带入经验公式，由此得到土壤的体积含水率；

(7)利用手持终端模块完成位置定位并上传相应位置的土壤墒情数据。

本发明解决其技术问题是依据以下原理：

具有能量的电磁脉冲信号沿着同轴线或平行线传播，传播速度依赖于与波传 输线相接触的和包围着的介质材料的介电常数(Ka)。

土壤由固、液、气三相组成，固相主要为土壤颗粒，液相主要为水，气相主 要为空气。

这些物质的介电常数(Ka)分别如下：

空气      1

土壤颗粒  2－4

水        80

由于水的介电常数与土壤中所包含的其他成分的介电常数有很大的不同，水 的介电常数远大于其他成分的介电常数，因此，带有能量的微波脉冲在埋在土壤 中的平行双线传输线的传播速度对组成土壤的成分水的介电常数有很强的依赖 性。

当电磁微波脉冲沿着同轴线或平行双线传输线传播时，它的行为在很多方面 像一束光在传输线中传输。传输线的中断或周边物质的不连续性会使传输中的部 分能量通过传输线反射回来。当电磁微波脉冲到达波导传输线的终端时，实质上 脉冲的所有剩余能量都将通过传输线反射回来。这种行为非常像一束光沿着一条 管传播，在管的终端被镜子反射回来。

依据电磁波脉冲的这些特征，通过运用精密的电子设备来测量电磁波脉冲沿 着一条埋在土壤中的已经知道长度的传输线比如平行双线传播所需要的时间。

空气－土壤－水分混合物的较粗略的介电常数(Ka)可以通过公式来确定：

Ka＝(c*t/2L)^2

式中“L”是平行双线的长度，单位是厘米，“t”是电磁波脉冲在波导中的 传输时间，单位是纳秒(十亿分之一秒)，式中“c”是光的传播速度，单位是厘 米每纳秒。传输时间定义为电磁波脉冲沿着平行双线传播在某个方向从某处始端 到另一端传播所需要的时间。

如果土壤是完全干燥的，介电常数的值将是2到4，如果土壤体积中的25％ 是由水分组成，那么土壤的介电常数值大约是11－12。对于农业土壤来说，土 壤的介电常数值主要依赖于土壤体积含水量。

土壤的介电常数(Ka)值与土壤体积含水量百分比的关系可以通过其他 实验方法测量确定。这种土壤的介电常数值与土壤中体积含水量百分比的关系用 于把野外测量得到的土壤介电常数转换到土壤中水分体积含量。

下表表一为在仪器未提前标定的情况下，使用本发明和美国进口TDR仪 器测量不同含水率的黄土，并与烘干法对比的表格。本发明的精度最高精度为 0.001％。这里使用0.01％的精度。

表一：测量土壤含水率仪器精确度对比表

注：表一中数据为土壤的体积含水率，单位为％。

下表表二为在仪器提前标定的情况下，使用本发明和TDR测量黄土的体积 含水率。探针插在土壤中，使用仪器重复测量。数据序列为测量次数。

表二：测量土壤含水率仪器重复性对比表

注：表二中数据为土壤的体积含水率，单位为％。