用于测量地面、植被和雪的水含量的装置和方法

摘要

一种用于测量地面、植被和雪的水含量的装置(12)，包括：至少一个第一模块(20)，适于测量入射到地面的宇宙射线流；至少一个第二模块(40)，适于测量环境中子流；以及连接到所述至少一个第一模块(20)和所述至少一个第二模块(40)的控制单元(60)。控制单元(60)适于处理所述至少一个第一模块(20)和所述至少一个第二模块(40)的测量值以确定水含量的测量值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量地面、植被和雪的水含量的装置和方法。特别地，本发明涉及一种用于大规模测量地面、植被和雪的水含量的装置和方法。

背景技术

众所周知，可以通过使用不同类型的装置来进行水含量测量。

例如，通过使用电磁类型的准时探测器(punctual probe)的地面水含量的测量是已知的，从中可以获得与大约一个dm

还存在采用遥感并使用源自卫星或无人机的图像的系统。检测到的信息与从气象站或其他提供气候学相关数据库的中心提供的信息，然后通过数学模型进行相关。

还已知一些尝试应用基于由宇宙射线在地面上诱发的环境中子的测量的技术。事实上，已经表明中子流与地面、植被和雪的平均水含量之间存在相当明显的相关性。

众所周知，超热的和慢的(0.5eV-1keV)之间的能量中子的产生定期受到氢气存在的影响，而氢气又与水含量直接相连。这些信息经过数学模型的适当处理，可以满足实时(每小时到每天的频率)了解耕地、雪和植被的水可用性状况的需要。此外，这种测量提供了扩展到几公顷的区域和大约50-60厘米深度的平均信息。

作者Schron等人在2018年的“地球科学仪器方法和数据系统”7，83-99中描述了可用于将获取的环境中子数据转换为地下水含量的数学模型的示例。

迄今为止，一些类型的环境中子探测器是可用的，它们适用于这种类型的应用。

当前的探测器基于气体检测技术(例如，氦-3(Helium-3)、硼-10(Boron-10))，这意味着高生产和销售价格，可能不会下降，而是会增加。此类探测器针对研究进行了优化，而不是在农业和/或环境监测中持续使用。

由于这些原因，这些类型的探测器目前仅用于科学研究项目。

背景技术虽然被采用和被理解，但因此并非没有缺点。

例如，在使用电磁探测器进行准时测量的情况下，需要非常大量的探测器来监测具有高度不均匀性的成百上千的耕地公顷或土地，有效地使得监测不经济。

在遥感的情况下，限制是由于几个方面，包括：

-卫星图像的定义周期性(在高分辨率图像的情况下，每周大约一张图像，低)以及此类图像被云局部遮挡的可能性；

-使用无人机进行检测的法律和实际限制；

-难以将从图像中提取的信息与对植被实际可用的地面水含量相关。在植物生长过程中，航拍图像在最好的情况下主要评估植被的状态，但无法直接访问下层地面的情况，并且无论如何，信息仅涉及地面的前几厘米。

最后，在测量环境中子的已知系统的情况下，事实上，这些系统太昂贵而不具有经济优势。

此外，环境中子流除了地面的湿度外，还取决于宇宙射线的入射流，其根据地理位置、一年中的时间和局部天气条件而变化。已知类型的环境中子探测器利用世界各地一些研究中心提供的数据。然而，这些数据的使用不是很精确，因为它可能在数百公里外被检测到，并且不以任何方式保证其可用性，因为这些数据是任凭研究中心使之可得到。

发明内容

因此，认为需要解决上述关于背景技术的缺点和限制。

因此，认为需要提供一种用于测量水含量的装置，其相对于背景技术系统更可靠，但同时更便宜。

此外，认为需要提供一种用于测量地面、植被和雪的水含量的装置，该装置能够提供与相当大的区域有关的可靠数据。

此外，认为需要提供一种用于测量地面和植被的水含量的装置和方法，其适于在农业中用于所谓的精确灌溉。

通过根据权利要求1的用于测量地面、植被和雪的水含量的装置以及根据权利要求16的用于测量地面、植被和雪的水含量的方法来满足这种需求。

附图说明

本发明的进一步特征和优点将从其指示性和非限制性实施例的以下描述中变得更加明显，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的用于测量地面水含量的装置；

图2示意性地示出了根据本发明的用于测量地面水含量的装置的替代实施例；

图3以局部分解图示意性地示出了根据本发明的装置的一些部件；

图4和图5示意性地示出了根据本发明的装置的部件的侧视图和前视图；

图6示意性地示出了根据本发明的装置的一些部件；和

图7以局部分解图示意性地示出了图5的装置的一些部件。

具体实施方式

下面描述的实施例中的共同元件或元件的部分将用相同的附图标记表示。

图1示意性地整体示出了用于测量地面、植被和雪的水含量的装置(下文中也称为装置)，其用附图标记12表示。

装置12包括至少一个适于测量入射到地面的宇宙射线流的第一模块20和至少一个适于测量环境中子流的第二模块40。

该装置还包括连接到至少一个第一模块20和至少一个第二模块40的控制单元60。控制单元60适于处理至少一个第一模块20和至少一个第二模块40的测量值，以确定水含量的测量值。

特别地，装置12特别适于测量地面、植被或雪的水含量。

根据一个可能的实施例，第一模块20包括第一模块闪烁体202和至少一个第一模块光度计204，其适于测量由第一模块闪烁体202发射的光。

众所周知，闪烁体是一种材料，当它被高能光子或带电粒子穿过时，并且因此也被宇宙射线的入射流穿过时，能够在可见光或紫外光谱中发射光脉冲。

为了测量入射宇宙射线的流量，通过检测高能中子[E>2MeV]、质子和μ介子，发现使用塑料闪烁体是特别有利的。

例如，这种类型的闪烁体是由Eljen Technology以名称EJ-200销售的闪烁体。

根据可能的实施例，适于测量由第一模块闪烁器202发射的光的至少一个第一模块光度计204可以是硅光电倍增管，也称为SiPM(硅光电倍增管)。

众所周知，硅光电倍增管直接由层状硅结构制成，在该层状硅结构上，由微型元件阵列构成的矩阵被布置在硅衬底上。每个微型元件是一个单光子雪崩光电二极管(或APD)。

SiPM型光电倍增管具有的体积、重量、消耗率和价格比具有真空管的传统光电倍增管低得多。从机械角度来看，它们也非常坚固，并且不需要光电倍增管典型的高压电源(约1000V)。

如下文将解释的，入射宇宙射线流的测量用于相对于宇宙射线入射流的变化来归一化环境中子的测量值。

根据本发明的可能的实施例，至少一个第二模块40包括：至少部分地由闪烁体制成的第一片402和第二片404；以及插入在第一片402和第二片404之间的光导406。第二模块40还包括至少一个第二模块光度计408、410，其适于测量由光导406传送的光。

根据可能的实施例，第二模块40提供聚乙烯涂层412、414的使用。涂层可包括下片412和上片414，至少部分地覆盖第一片402和第二片404。

制成涂层的聚乙烯可以是高密度或低密度的，并且可以具有在1至10cm之间变化的厚度。涂层的功能是缓和环境中子的能量。

第一片402和第二片404可以包括在硅酮基基质中的闪烁体晶体。

有利地，第一片402和第二片404可以包括在硅酮基基质中的闪烁体晶体和基于锂的晶体(例如，富集的Li-6)或基于硼的晶体(例如，富集的B-10)。

硅酮基质确保闪烁体片的更大机械阻力和相对于其他类型基质的更好耐热性。

根据可能的实施例，第一片402和第二片404包括闪烁体晶体ZnS(Ag)。

光导406可以制成WLS实心板，或制成WLS光纤束。

WLS是指当受到特定波长撞击时发射不同波长的材料。

波长偏移降低了发射器材料中的自吸收效应，并允许有效地传输闪烁光直到器件408和410。

有利地，第二模块40可以包括适于测量由光导406传送的光的两个第二模块光度计408、410。根据可能的实施例，在图3的示例中示出，两个光度计408、410可以被布置在光导406的两个相对侧。

根据可能的实施例，适于测量由所述光导406传送的光的至少一个第二模块光度计408、410是硅光电倍增管(SiPM)。有利地，第二模块硅光电倍增管基本上与第一模块相同。

在附图所示的实施例中，测量μ介子流的第一模块20使用单个SiPM，而测量环境中子的第二模块40优选地使用两个SiPM并因此使用两个读取点，以便即使在低阈值下也能显著地降低SiPM的电子噪声。

第一片402和第二片404具有大致正方形的位置，其边长在100mm至200mm之间并且厚度在0.2mm至2mm之间。

有利地，所述传感器部分可以模块化设计，以便可以根据需要增加用于测量周围中子流的其他模块，从而提高检测效率并减少测量次数。

根据可能的实施例，该装置可以包括具有至少一个太阳能电池板和备用电池的电源(未示出)。

有利地，该装置具有等于或小于边长为400mm的立方体的尺寸。

该装置可以是防水的，特别是它可以是(IP65)。

在装置的模块化逻辑中，控制单元可以是包含一系列具有标准部件的通道的专用卡，以区分和集成由SiPM产生的电信号。该卡还提供带有反馈系统的低压SiPM电源(几十伏)，以补偿由于温度变化引起的偏差。

有利地，卡可以适于容纳多个中子流测量模块所需的电子设备。

由控制单元选择的信号可由低功耗Linux微型PC(Raspberry PI、Beaglebone或等效物)数字化和读取，其使用专用脉冲形状分析软件实时处理它们。

装置12还可配备有远程连接模块(未示出)，其允许通过Wi-Fi连接或等效物(即，GSM)从外部向外部服务器发送经处理的数据。

用于测量水含量的方法包括以下步骤:

-提供用于测量水含量的装置12，包括：至少一个第一模块20，其适于测量入射宇宙射线流，即源自初级宇宙射线与大气的高层相互作用的高能中子、质子和μ介子流的宇宙射线流；

至少一个第二模块40，适于测量环境中子流；以及连接到至少一个第一模块20和至少一个第二模块40的控制单元60。

该方法还包括通过控制单元60处理由第一模块20和由第二模块40取得的测量值以获得水含量的测量值的步骤，该测量值是从环境中子流的测量值相对于入射宇宙射线流的测量值归一化获得的。

特别地，该方法特别适用于测量地面、植被或雪的水含量。

因此，可以利用本发明实现的优点现在是显而易见的。

特别地，该装置和方法允许测量超热-慢中子的数量并且还测量宇宙射线的初级流，这对于数据的正确归一化是必不可少的。

该装置实际上是自主的，特别是它不需要在从研究中心下载关于入射宇宙射线流的信息之后重新处理数据，研究中心可能延迟数小时或数天才使数据可得到。因此，测量基本上是实时的。

由装置提供的水含量信息覆盖了市场上缺少的空间和时间分辨率差距。事实上，背景技术的系统从提供瞬时数据但涉及不超过一分米的体积的电磁传感器发展到具有千米范围内的分辨率和一或多个星期的时间分辨率的卫星系统。

本发明的装置适于在一小时到一天之间变化的时间内测量一些公顷的水含量。此外，它甚至可以对深度高达50-60厘米的数据进行平均。

由此，克服了给出纯粹表面信息的卫星检测的问题。

因此，所提供的数据是关于在公顷范围内的地面水含量的缺失信息，并且克服了妨碍为此目的使用电磁探测器的地面不均匀性的问题。

本装置可用于例如：

-水文地质/气候学领域的研究：通过短期和长期监测验证预测模型的地面水含量测量；

-雪/冰川学领域的研究：监测雪-冰川盆地中的水含量；尤其是在春季，对这些数据的监测很感兴趣，以了解水可用性并监测因积雪突然融化而引发的可能意外洪水。

-气候监测：对局部气候变化的长期监测。

-精确灌溉：了解地面水含量以优化存在于地面的湿度，从而最小化对处理即灌溉的需要，并使农业生产最大化。

本领域技术人员为了满足特定的需要，可以在不脱离以下权利要求的范围的情况下，修改上述实施例和/或用其他功能等效的元素替换。