CN103207188A - 一种基于时域反射的土壤水分测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时域反射的土壤水分测量方法，属于农业信息化领域。其结构包括：高频多谐信号源模块、双向定向耦合器模块、时间差芯片模块。本发明采用双向定向耦合器，是通过测量入射信号和反射信号间的时间差测量土壤含水量，比其它的TDR测量误差小，且便携性强。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于时域反射的土壤水分测量方法，属于农业信息化领域。
背景技术
土壤含水量直接影响着作物生长、农田小气候以及土壤的机械性能。在研究土壤肥力、防旱保墒、防治土壤次生盐渍化、沼泽化、潜育化、环境生态、营养元素地球化学行为以及建设稳产高产农田领域中，都必须定期观测和研究土壤水分含量及其动态变化规律。农业生产中，土壤含水量的准确测定对于有效水资源管理、灌溉措施、作物生长以及化学物质监测等方面非常重要。土壤水分还是研究农业干旱及作物干旱的重要指标。除此以外，土壤水分在水利、气象研究等许多方面都是一个很重要的参数。
至今为止，土壤水分的测量方法已有近几十种，而时域反射法是目前土壤水分测量技术中实时性、准确性、快速性最高的，因此是最具发展潜力的一种测量方法。国外的时域反射仪已发展的比较早，如美国SEC公司生产的TRASE系统是当前比较成熟、完备和功能强的TDR时域反射法；还有加拿大Environmental Sensors Inc.(简称E.S.I)公司生产的MP-917MOISTURE.POINT型TDR，其探针设计成一个长杆型，内分段装有不同长度的TDR波导探针，可用一个探针测量不同深度内的土壤水分，相当于其他TDR埋入的多个探针；此外，波兰EASYTEST公司生产的FOM-TDR可以同时测定土壤水分、土壤盐度和土壤湿度；还有德国IMKO公司生产的FM系统等。而国内的TDR还处于研制之中。
王一鸣、龚元石、黄克栋等人的发明专利201010034515.5是一种时域反射土壤水分测试仪及测量方法，其测量方案是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。这种方法的缺点在于当信号初到达环形器，会有一个反射信号，到达探头后也有一个反射信号，所以最终的反射信号是这两个频率相同，相位不同，振幅不同的正弦波的叠加，因此，误差始终存在，无法消除。
发明内容
本发明针对专利201010034515.5存在的上述问题，本发明采用双向宽带耦合器的四端口网络的特性，来获取入射耦合信号和反射耦合信号，简化了电路，使其便携性更强。另外，本发明采用的是用高频多谐信号进行测量，直接测量入射耦合信号和反射耦合信号之间的时间差，误差更小，精度更高。
TDR（Time Domain Reflectometry）法是利用电磁波在不同介质中的传播速度的差异来测定土壤含水率。但任何种类的TDR都不能直接测得土壤水分含量，都是通过测定土壤的介电常数来计算土壤水分含量。
本发明是通过以下技术方案实现的：使用高频多谐信号源产生的单一频率的方波电压信号，通过双向定向耦合器，获取入射耦合信号，并将信号沿同轴电缆继续传送至探头，探头处的信号因为阻抗不匹配产生反射，并沿同轴电缆反射回至双向定向耦合器，获取到反射耦合信号。信号在探头中的来回传输时间通过入射耦合信号与反射耦合信号之间的时间差得到进而可得到土壤含水量。
本发明与专利201010034515.5的不同在于以下三个方面。一是两者使用的信号本发明使用的是高频多谐信号，专利201010034515.5使用的正弦波。二是入射反射信集本发明使用的是双向定向耦合器，而专利201010034515.5使用的是环形器。三是本 的是时间，专利201010034515.5测的是相位。本发明相对于专利201010034515.5的优越性在于误差更小，精度更高。本发明的信号源使用的是高频多谐信号，方波信号在探针的首端和末端因为阻抗不匹配有反射，波形上会有两个明显可分辨的转折点。而专利201010034515.5，当信号初到达环形器，会有一个反射信号，到达探头后也有一个反射信号，所以最终的反射信号是这两个频率相同，相位不同，振幅不同的正弦波的叠加，因此，误差始终存在，无法消除。本发明在技术上能够实现，便携性强、易于批量生产，而且价格大大低于国外产品，易于在国内推广应用。
附图说明
图1为本发明专利的电路原理图。
图中1.高频多谐信号源，2.双向定向耦合器，3.时间差测量电路，4.同轴电缆，5.阻抗变换，6.探头，7.脉冲整形电路，8.数据显示电路，9.电源电路。
具体实施方案
以下通过附图对本发明做进一步的说明：
在图1中，高频多谐信号源（1）能产生10MHz的方波，产生的方波的上升沿低于1ns，经过脉冲整形电路（7）后，通过同轴电缆（4）传输到双向定向耦合器（2），在此处，信号进行分离，一部分信号通过双向定向耦合器（2）的其中的一个耦合端耦合到时间差芯片（3）上，作为参考信号，其余的信号继续沿着同轴电缆（4）传输，为使同轴电缆（4）和探头（6）连接处阻抗匹配，减少此处的反射，经过了一个阻抗变换，然后再传输到探头（6）。而探头（6）在土壤中的特征阻抗与同轴电缆也相匹配，也可以减少信号在探头（6）首端的反射，进而提高了测量精度。这样，信号传输到探头（6）末端，由于探头（6）与土壤的阻抗不匹配，信号将沿着同轴电缆反射回到双向定向耦合器（2）的另外一个耦合端，作为测试信号反射到时间差芯片（3）上。这样，时间差芯片，将对两个耦合端过来的信号进行处理，计算两者间的时间差，根据Topp方程得到土壤含水量。
Claims (4)
1.一种基于时域反射的土壤水分测量方法，其主要包括高频多谐信号源模块（1）、双向定向耦合器模块（2）、时间差芯片模块（3）。
2.根据权利要求1所述的一种基于时域反射的土壤水分测量方法，其特征在于高频多谐信号源模块（1），主要包括能产生上快速的上升沿，且具有满足电路所要求的频率的方波的高频多谐信号源。
3.根据权利要求1所述的一种基于时域反射的土壤水分测量方法，其特征在于双向定向耦合器模块（2），主要包括一个双向定向耦合器，是一个四端口网络，通过其两个耦合端口分别获取入射信号和反射信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于时域反射的土壤水分测量方法，其特征在于时间差芯片模块（3），主要包括一个时间差芯片，对通过双向定向耦合器（2）获取的入射信号和反射信号，进行时间差计算。
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