CN101762612A - 一种时域反射土壤水分测试仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时域反射土壤水分测试仪和测量方法，使用高频正弦电压信号源产生的单一频率的正弦电压信号，由信号分配器分为两路信号，一路经环形器通过同轴电缆传送至探头，另一路经延时电缆传送至相位检测器，探头处的测试信号经反射后经由同轴电缆返回环形器，环形器将反射信号与入射信号分离开，反射信号传送至相位检测器，相位检测器将入射信号和反射信号的相位差转换为与之成正比的直流电压信号，从而检测待测土壤水分含量。本发明在技术上能够实现，而且价格大大低于国外产品，易于在国内推广应用，通过实验检验，该仪器达到传统TDR土壤水分测试仪的水平。

Description

一种时域反射土壤水分测试仪及测量方法

技术领域

本发明涉及时域反射仪技术，特别是涉及一种基于相位检测原理的时域反射土壤水分测试仪和测量方法。

背景技术

时域反射仪技术(Time Domain Reflectometry，TDR)是当今世界上最先进的土壤水分快速测量技术之一。与其它方法相比，TDR具有以下优点：1)精度高，体积含水量测量误差一般在2％以内；2)测量结果受土壤类型影响较小，一般不需要对特定的土壤进行单独标定；3)无辐射，对土壤破坏性小；4)探针的几何结构对测量结果的影响较小；5)与数据记录仪配合可进行长期自动监测。国外应用TDR仪还在监测山体滑坡、垃圾填埋、江河和水库堤坝安全等方面发挥重要作用，在农业、林业、园艺、水文学、生态学、土木工程、废物管理、食品加工、矿业和储藏业等领域均有广泛的应用。

TDR通过测量土壤含水量变化引起的电磁波信号在TDR探头上传播速度的变化来测量土壤水分，当探头长度一定时，就转化为对信号传播时间的测量。土壤含水量变化引起的电磁波信号传播时间变化量很小，以通常使用的15cm长探头为例，当探头置于空气中和水中时，电磁波信号在探头上传播一个来回的时间分别约为1ns和9ns，而当探头插入土壤中时，电磁波信号传播的时间介于这二者之间。也就是说土壤含水量变化引起的电磁波信号传播时间的变化不超过8ns，为了达到一定的土壤水分测量精度，就要求TDR对时间测量的分辨率达到0.1ns(即10^-10s)，这对TDR系统的波形采样电路提出了很高的要求。此外，为了达到一定的测量精度，通常要求TDR系统的测试信号的上升沿时间小于200ps，这就对其信号发生器也提出了很高的要求。由于必须采用复杂且价格高昂的高频电子器件，使得现有的TDR仪器的价格都很贵，不利于在农业生产中大量推广使用。

目前仅少数发达国家掌握了设计制造TDR土壤水分和电导率测试仪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。而这些国家对我国采取严格的技术出口限制措施，使我国无法获得必需的尖端电子部件和芯片，因此我国还不能制造传统的TDR土壤水分测试仪。我国生产和科研单位使用的TDR仪主要从美国和加拿大等国进口，单机价格约一万美元，成套设备价格为几万美元，由于我国尚无此产品，进口价格比生产国本地价格高出很多。因厂家在国外，缺乏完善的维修和配件供应服务，出现故障后往往不得不返回原厂家进行维修，影响监测的连续性。所以，研制开发拥有我国自主知识产权的TDR土壤水分电导率测试仪和测量方法，具有重要的理论意义与实用价值。

TDR技术早期主要是作为有线电缆故障检测的工具，它通过将发射阶跃波形与反射回波波形同时显示，判断线路故障的性质及故障点的位置。在实际应用中发现，电磁波沿电缆的传播速度受电缆周围介质的介电特性影响。1969年Fellner-Feldegg首次将TDR技术用于测定介质的介电特性，1975年Davis和Chudobiak将TDR技术应用于土壤介电常数的测定。

TDR是通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来确定土壤介电常数ε，进而根据土壤含水量θ与土壤介电常数的标定公式计算出土壤含水量。因为水的介电常数在土壤介质中处于主导地位(水的介电常数约为78，空气的介电常数为1，土壤颗粒的介电常数一般为3～5)，所以土壤介电常数的大小主要取决于土壤含水量的高低。

虽然Topp公式已被证明可广泛适用于各种矿物质土壤，但研究表明对某些特别的土壤进行测量时仍需要单独标定。对于有很大表面积的介质，由于吸附了较多的束缚水，会严重影响TDR的测量结果，尤其是粘粒含量超过40％的土壤、膨胀性土壤、有机质含量超过10％的有机土壤等。另外，TDR的测量结果还在某种程度上取决于土壤的容重ρ_b，容重不同会引起土壤介电常数的显著变化。容重很大时(ρ_b＞1.7g/cm³)TDR的测量结果偏高，而容重很小时(ρ_b＜1.0g/cm³)TDR测量结果偏低。这是因为容重较大时，土壤中的固相颗粒含量较多而空气含量较少，由于土壤颗粒介电常数比空气介电常数大，所以土壤的表观介电常数相对变大。Baker and Lascano的研究表明：由于电磁波的影响区域主要集中在探针周围，因此如果探针插入时使得探针与土壤之间产生空隙，这些空隙中充满空气则会使得TDR测量结果偏低；反之如果这些空隙中充满水则使得测量结果偏高。

TDR测定土壤含水量的精确性依赖于主机对时间的识别精度、探针的质量和类型、所用同轴电缆的长度、以及所测定土壤的各种性质的影响，可归结于两个关键因素：土壤介电常数的测定准确度以及θ-ε标定公式。在实际应用中，对不同的土壤，如何选择适宜的θ-ε标定公式，是提高TDR测定精度的一个重要环节，因为土壤容重、有机质含量、电导率以及质地等因素都会影响TDR测定含水量的精度。

从上世纪八十年代初开始，各国科学家投入了大量精力，研究土壤含水量与土壤介电常数的标定公式。其中最具代表性的主要有以下几类模型：1)完全经验型的Topp公式，该公式可应用于较大范围的土壤，最适合一般轻质砂土和壤土。2)半理论、半经验的

型关系式，该类公式形式简单，需要的参数少，得到了较广泛的应用。3)理论性强的三相介电混合模型，该公式考虑了土壤孔隙度的影响，扩大了应用范围，但对质地较细的土壤，精度仍较差。另外，对适合一些特殊的土壤如有机质含量高的土壤和红壤特性，也建立了相应的标定公式或改进。

国内的有关研究工作主要集中在TDR土壤水分测量的应用方法研究。如：TDR探针两种埋设方式下土壤水分的测定及其比较，土壤容重、温度和电导率对TDR测定土壤水分精度的影响，以及对某些特殊类型土壤的标定研究。我国地域辽阔和土壤类型多样，土壤特性差异大，建立不同地区土壤的θ-ε标定公式，可为进一步提高估算含水量的精度提供方法和手段。

时域反射法测量土壤水分的基本原理是：1MHz-1000MHz的电磁脉冲在同轴传输线上的传播速度依赖于其传播物质的介电特性和损耗，在损耗较小时，其主要依赖介电常数的实部。

如图1所示，TDR土壤水分测试仪一般由阶跃信号发生器1、同轴传输线5、土壤水分探头6及高频采样示波器4等部分组成。

高频脉冲产生器(pulse generator)发出高频脉冲，并将其通过50Ω的同轴传输线(50Ωcoaxial cable)传输到探针(probe)，由于同轴传输线与探针阻抗不匹配，有一部分电磁波在探针与传输线连结处沿同轴传输线反射回来，剩余的电磁波继续沿探针传输到探针的另一端，由于探针与土壤的阻抗不匹配又造成电磁波的再次反射。两次反射之间的时间是电磁波沿探针传输时间的两倍。两次反射之间的时间可由高频示波器(sampling oscilloscope)来测量显示。传输时间可表示为：

t＝2Lε^0.5/c

t——两次反射之间的时间(s)；

L——探头的长度(m)；

ε——介质(土壤)的介电常数；

c——电磁波在真空中的传播速度(3×10⁸m/s)；

由此可得出介质的介电常数ε：

ε＝[ct/(2L)]²

式中(ct/2)称为探头的“表观”长度。令L_a＝ct/2则：

ε＝(L_a/L)²

如果土壤是完全干燥的，那么ε将会是2到4；如果土壤体积的25％是水，那么ε将近11-12。

时域反射法测量土壤含水量的原理得到了大家的普遍认可，大量学者对TDR测量土壤含水量的测量敏感区域、土质对测量结果的影响、TDR探头几何结构对测量结果的影响、被测土壤中石块、气隙等杂物对测量结果的影响、用TDR来检测植物生长需水状况及与其他土壤水分快速测量方法的比较等方面做了大量的研究。

通过大量的理论和实验研究证明了基于TDR方法的土壤水分测试仪能够满足快速测量的实时性要求，可是对土壤这种复杂的多孔介质对象，虽然含水量θ的变化能够显著地导致介电常数ε的变化，但在传感器探针几何长度受到限制的条件下，由气-固-液混合物介电常数ε引起的入射-反射时间差ΔT却仅仅是10^-9秒数量级。若要对如此短的滞后时间进行准确测量，从无线电测量技术的角度来看难度极大，基于传统方法TDR土壤水分测试仪器成本相应很高。例如，目前由美国进口的“Trase”TDR土壤水分测量系统，其售价高达1万美金。TDR土壤水分测试仪器的昂贵身价使得它只能装备于我国极少数高等院校和科研单位，无法大量应用于农田土壤墒情实时监测与节水灌溉自动控制系统中。

发明内容

针对传统时域反射土壤水分测试方法(TDR)实现技术难度大、系统成本高的问题，本发明的目的是提供一种新的基于相位检测的时域发射土壤水分测试仪，尤其是提供一种使用单一频率的正弦信号代替阶跃信号、使用相位检测器将入射信号和反射信号的相位差转换为与之成正比的直流电压信号、而不采用传统TDR技术的快速阶跃信号发生器和高频采样示波器技术的时域发射土壤水分测试仪。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种时域反射土壤水分测试仪，其特征在于，包括：

高频正弦电压信号源，用来产生单一频率的正弦电压信号；

信号分配器，与所述高频正弦电压信号源相连，将其产生的正弦电压信号分为两路；

环形器，与所述信号分配器相连，用于对接收到的不同传播方向的信号进行分离并输出；

探头，经同轴电缆与所述环形器相连，接收来自环形器输出的信号作为测试信号；

相位检测器，经延时电缆与所述信号分配器相连，接收来自信号分配器分配的入射信号；并与所述环形器相连，通过环形器接收所述探头末端反射回的反射信号；并将入射信号与反射信号的相位差转换为与之成正比的直流电压信号。

其中，所述探头与同轴电缆的连接处还设有阻抗变换器件，实现阻抗匹配。

其中，所述探头的末端设为开路。

另外，本发明还涉及一种时域反射土壤水分测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

高频正弦电压信号源产生的单一频率的正弦电压信号，输送至信号分配器；

信号分配器将接收到的正弦电压信号分为两路：一路入射信号经过延时电缆延迟后到达相位检测器作为参考信号；另一路入射信号通过环形器后沿同轴电缆传送到探头作为测试信号；

测试信号在探头的末端发生反射，反射回的测试信号经同轴电缆和环形器后到达相位检测器；

相位检测器将接收到的参考信号和测试信号的相位差转换为与之成正比的直流电压信号；

通过测量直流电压信号得到入射信号和反射回的测试信号在探头上传播的时间，通过进一步标定得到被测土壤含水量。

其中，所述另一路入射信号通过环形器后沿同轴电缆传送到探头之前，经阻抗变换器件处理实现阻抗匹配。

上述技术方案具有如下优点：与传统TDR系统相比，不仅省掉了捕捉TDR波形所需的高频采样示波器，而且省掉了窄上升沿阶跃信号发生器和高精度时间基准，取而代之的是高频正弦信号发生器、环形器、相位检测器。不仅在技术上能够实现，而且价格大大低于国外产品，易于在国内推广应用，通过实验检验，该仪器达到传统TDR土壤水分测试仪的水平。

附图说明

图1是本发明背景技术中的TDR原理图；；

图2是本发明时域反射土壤水分测试仪中高频电路示意图；

图3是本发明时域反射土壤水分测试仪中高频正弦电压信号源示意图；

图4a是本发明时域反射土壤水分测试仪中环形器的信号流示意图；

图4b是本发明时域反射土壤水分测试仪中环形器的几何结构示意图；

图5是本发明时域反射土壤水分测试仪中相位检测器原理示意图。

其中，1：阶跃信号发生器；2：同步发生器；3：RS-232通讯口；4：采样示波器；5：同轴传输线；6：探头；7：铁氧体圆片；8：微带导体；9：接地板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供的时域反射土壤水分测试仪中，高频正弦电压信号源产生的单一频率的正弦电压信号，被信号分配器分成两路：一路经过延时电缆延迟一段时间后到达相位检测器作为参考信号；另一路通过环形器后沿同轴电缆传播到探头作为测试信号。在同轴电缆与探头的连接处有一个阻抗变换结构，实现阻抗匹配。由于探头的末端开路，测试信号在此发生反射，反射信号与入射信号叠加在一起，它们频率相同但传播的方向相反。环形器是一个三端口微波器件，它能将沿不同方向传播的电磁波信号分离开来并从不同的端口输出。所以反射信号通过环形器后将到达相位检测器，而不是返回到信号分配器。

如图2所示，为本发明的P-TDR时域反射仪的高频电路示意图。

假设任意时刻t信号源的输信号为：

其中，u₀、A₀、ω和分别为源信号的瞬时电压、幅度、角频率和初相位。

沿不同路径传播到相位检测器的测试信号u_t和参考信号u_r，它们的传播时间分别为t_t和t_r，其相位比源信号分别落后ωt_t和ωt_r，则在t时刻它们的瞬时电压分别为：

其中，u_t、A_t、和t_t分别为测试信号的瞬时电压、幅度和从信号源到相位检测器的传播时间；u_r、A_r、和t_r分别为参考信号的瞬时电压、幅度和从信号源到相位检测器的传播时间。

因此相位检测器的两个输入信号的相位差为：

测试信号的传播时间t_t在逻辑上可分为两个部分：在同轴电缆及仪器内部电路板上传播的时间t_c，和在探针上往返传播的时间t_p，如图2所示。其中后者是我们主要关注的时间，它与探针周围土壤的含水量有关；而前者则仅与仪器本身有关。

式(4)可改写为：

上式中t_c、t_r的大小仅取决于P-TDR仪器本身的结构和电路参数，及连接仪器与探头的同轴电缆的长度，一旦仪器的物理结构确定下来，这个时间就是不变的常量。将探针的三根不锈钢棒取下来(这样t_p就等于0)，通过测量相位差并根据式9就可以确定(t_c-t_r)的大小，将其作为参数保存到P-TDR仪器的存储器中。再将不锈钢棒附着到探头上并插入土壤中，根据测得的相位差和测试信号的频率就可以由式(7)计算出信号沿探针传播的时间。

图3所示为高频正弦电压信号源的原理框图，其核心是锁相环(PLL，图中虚线框内部分)和压控振荡器(VCO)。

因为P-TDR的时间测量精度与测试信号的频率稳定性有较大关系，所以这里采用了高精度高稳定的温补晶振作为频率基准。温补晶振输出频率为f_R＝20MHz的方波信号，经R计数器分频后频率变为f₁输入到鉴频鉴相器。R计数器的分频系数由拨码开关设定为8192，所以有：

$f_1=\frac{f_R}{R}=\frac{20\mathrm{MHz}}{8192}\≈2.44\mathrm{kHz}---\left(8\right)$

压控振荡器产生频率为f_V的信号经过预分频器变为f_P＝f_V/P，再经N计数器分频后频率变为f₂也输入到鉴频鉴相器。其中预分频器的分频系数是一个固定值P＝64，N计数器是一个14位计数器，其高4位由拨码开关设定为0010(二进制数)，低10位可由微处理器任意设置，所以N计数器的分频系数取值范围为N＝2048～3071。f₂与f_V的关系为

$f_2=\frac{f_P}{N}=\frac{f_V}{P\·N}---\left(9\right)$

鉴频鉴相器对两个输入信号的频率f₁和f₂进行比较，根据它们的大小关系输出不同的电压脉冲，而电荷泵对电压脉冲进行积分得到直流电压V_c，该电压经过低通滤波电路滤波后输入到压控振荡器控制其输出频率f_V的大小。

当f₁＞f₂时，鉴频器输出正的电压脉冲，电荷泵对正电压脉冲积分使得其输出电压V_c升高，压控振荡器的输出f_V变大，导致f₂也变大；当f₁＜f₂时，鉴频器输出负的电压脉冲，电荷泵对负电压脉冲积分使得其输出电压V_c降低，压控振荡器的输出f_V变小，导致f₂也变小。这样的反馈过程经过反复调整直到f₁＝f₂。

当f₁＝f₂时，鉴频器的输出为零，电荷泵电压不再变化，压控振荡器的输出f_V不再变化，f₂也就不再变化，整个闭合环路达到“锁定”状态。每次微处理器改变N计数器的分频系数后，都要经过一个重新锁定的过程。

在“锁定”状态时有f₁＝f₂，根据式(8)和式(9)可得：

$f_1=\frac{f_R}{R}=f_2=\frac{f_P}{N}=\frac{f_V}{P\·N}---\left(10\right)$

即

$f_V=P\·N\·\frac{f_R}{R}---\left(11\right)$

考虑到上式中各物理量的取值(或取值范围)，则f_V的变化范围为320～480MHz，P-TDR土壤水分和电导率测试仪使用的频率约为400MHz。分频系数N的最小变化量为1，所以f_V的最小变化步长为0.15625MHz。

环形器是三端口器件，经过它的电磁波信号可以从端口1到端口2、从端口2到端口3以及从端口3到端口1导通，而不可能是反方向的，如图4a所示。

在P-TDR系统中，测试信号从环形器的端口1输入，从端口2输出，经过同轴电缆达到探头，在探头的末端被反射回来；反射信号从环形器的端口2输入，就只能从端口3输出到达相位检测器和检波器；由于在环形器的端口3进行了阻抗匹配设计，所以这里不会产生反射，也就没有信号会从环形器的端口3输入。

反射信号与入射信号在探头和同轴电缆上是叠加在一起的，但通过环形器后就被分离出来了，在这里环形器还起到了将反射信号与信号源进行隔离的作用。

环形器的几何结构如图4b所示，两个铁氧体圆片填塞在中央金属圆盘和两个微带接地平面之间的空间中，三条微带导线与中央圆盘的周缘相连，每两条相隔120°，构成环形体的三个端口，恒磁偏置场施加在接地平面的法线方向。

相位检测器的功能主要是将输入的测试信号与参考信号二者之间的相位差转换成与之相关的直流信号，以便用AD转换器将其数字化后供微处理器计算测试信号在探头上传播的时间。这里测试信号与参考信号为同频率的正弦电压信号，它们的相位不一样。

P-TDR中使用的相位检测器其工作原理可用图5来进行说明，其中

代表的是模拟乘法器，其输出信号是两个输入信号的乘积。

假设输入信号u₁、u₂分别为

其中ω为信号角频率，U₁、U₂和

分别是两个信号的幅值和初相位。则它们的的乘积为

上式中用到了三角公式cosxcosy＝[cos(x-y)+cos(x+y)]/2。

式(14)中第一项为直流分量，其大小与u₁、u₂的幅值和相位差有关；第二项为二次谐波信号。使用低通滤波器对乘法器的输出进行滤波后可得直流电压V₁，即

这里V₁虽然与两个信号的相位差有关，但也与它们的幅值有关，当相位不变而信号幅值变化时，V₁也会发生改变，这就给直接从V₁得到相位差

带来了困难。为了解决这一问题，可以使用移相器将信号u₁的相位改变90°变为u′₁后再与u₂一起送入第二个乘法器，可知

上式中用到了三角公式sin x cosy＝[sin(x-y)+sin(x+y)]/2。

同样，式(17)中第一项为直流分量；第二项为二次谐波信号。使用低通滤波器对第二个乘法器的输出进行滤波后可得直流电压V₂，即

式(18)除以式(15)可得：

根据式(20)以及V₁和V₂的正负号就可以计算出相位差

计算出的结果在-180°～+180°之间，再确定该相位差的整周期数，从而可测量出任意范围的相位差。

需要说明的是，相位检测器的输出仅仅是直流电压信号V₁和V₂，根据V₁和V₂计算相位差的工作使用微处理器软件完成的。

由以上实施例可以看出，传统TDR产生一个具有极陡上升沿(＜200ps)的阶跃电压信号，其以电磁波的形式沿插入土壤中的探针传播，并在探针的末端被反射回来，通过高速采样示波器可以获取整个TDR波形，在TDR波形上采用双切线方法来确定电磁波在探针上传播的时间。由于技术上使用了快速阶跃信号发生器、超高速AD转换器和高精度高分辨率时间基准，使其在系统研发上有很高的技术难度和生产成本，大大制约了传统TDR系统在我国的推广应用。由于技术水平的限制和成本上的考虑，目前国内还不具备开发具有实用价值的传统TDR土壤水分测量系统的条件。本发明提供了一种新的基于相位检测原理的时域反射(P-TDR)土壤水分测试仪及测量方法，与传统TDR系统相比，不仅省掉了捕捉TDR波形所需的高频采样示波器，而且省掉了窄上升沿阶跃信号发生器和高精度时间基准，取而代之的是锁相环正弦信号发生器、环形器、相位检测器。不仅在技术上能够实现，而且价格大大低于国外产品，易于在国内推广应用，通过实验检验，该仪器达到传统TDR土壤水分测试仪的水平。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种时域反射土壤水分测试仪，其特征在于，包括：

高频正弦电压信号源，用来产生单一频率的正弦电压信号；

信号分配器，与所述高频正弦电压信号源相连，将其产生的正弦电压信号分为两路；

环形器，与所述信号分配器相连，用于对接收到的不同传播方向的信号进行分离并输出；

探头，经同轴电缆与所述环形器相连，接收来自环形器输出的信号作为测试信号；

相位检测器，经延时电缆与所述信号分配器相连，接收来自信号分配器分配的入射信号；并与所述环形器相连，通过环形器接收所述探头末端反射回的反射信号；并将入射信号与反射信号的相位差转换为与之成正比的直流电压信号。

2.如权利要求1所述的时域反射土壤水分测试仪，其特征在于，所述探头与同轴电缆的连接处还设有阻抗变换器件，实现阻抗匹配。

3.如权利要求1或2所述的时域反射土壤水分测试仪，其特征在于，所述探头的末端设为开路。

4.一种时域反射土壤水分测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

高频正弦电压信号源产生的单一频率的正弦电压信号，输送至信号分配器；

信号分配器将接收到的正弦电压信号分为两路：一路入射信号经过延时电缆延迟后到达相位检测器作为参考信号；另一路入射信号通过环形器后沿同轴电缆传送到探头作为测试信号；

测试信号在探头的末端发生反射，反射回的测试信号经同轴电缆和环形器后到达相位检测器；

相位检测器将接收到的参考信号和测试信号的相位差转换为与之成正比的直流电压信号；

通过测量直流电压信号得到入射信号和反射回的测试信号在探头上传播的时间，通过进一步标定得到被测土壤含水量。

5.如权利要求4所述的时域反射土壤水分测量方法，其特征在于，所述另一路入射信号通过环形器后沿同轴电缆传送到探头之前，经阻抗变换器件处理实现阻抗匹配。

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