CN110940680A - 一种基于雷达技术的土壤含水量测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于雷达技术的土壤含水量测量装置，包括控制中心、雷达基站和多个探地雷达终端，雷达基站与控制中心之间采用无线通信方式连接，各探地雷达终端均与雷达基站连接，所述探地雷达终端包括雷达终端接收模块、探地雷达发射模块、探地雷达接收模块和雷达终端发射模块，所述探地雷达发射模块连接有探地雷达发射天线，探地雷达接收模块连接有探地雷达接收天线,雷达终端接收模块与探地雷达发射模块之间连接有下变频模块，探地雷达接收模块与雷达终端发射模块之间连接有上变频模块。本装置设计合理且行之有效，可提高土壤含水量测量的精确度与可靠性，实现对土地含水量的实时监测，并降低监测系统的安装使用维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及地质监测技术领域，具体为一种基于雷达技术的土壤含水量测量装置。
背景技术
土壤含水量指标是水文研究、地质灾害预防、农业生产、气候变化、生态保护等领域的重要研究因子，因此关于土壤含水量测量方式的改进和创新就很有必要。
现有的土壤含水量测量方法主要有传统的烘干称重法、中子分析仪和张力计法等，也有比较流行的TDR(时域反射技术)测量法。其中，烘干称重法作为最原始直接的方法，费时耗力，操作不便，适合作为实验室测量方法和其他测量方法的标定；中子仪法利用的是辐射原理，对人体存在一定的危害性；张力计法本身也是一种点测量的方法，而且对于所测量的土壤环境有一定的限制条件；目前比较流行的TDR测量法虽然能够提高测量的便利性和精确性，但设备成本昂贵，区域性测试组网方式不够灵活。
发明内容
鉴于现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种基于雷达技术的土壤含水量测量装置，采用的技术方案是，包括控制中心、雷达基站和多个探地雷达终端，雷达基站与控制中心之间采用无线通信方式连接，各探地雷达终端均与雷达基站连接，所述探地雷达终端包括雷达终端接收模块、探地雷达发射模块、探地雷达接收模块和雷达终端发射模块，所述探地雷达发射模块连接有铺设在土壤中的探地雷达发射天线，所述探地雷达接收模块连接有铺设在土壤中的探地雷达接收天线。
作为本发明的一种优选技术方案，所述雷达终端接收模块与探地雷达发射模块之间连接有用于将毫米波频段转换为探地频段的下变频模块，所述探地雷达接收模块与雷达终端发射模块之间连接有用于将探地频段转换为毫米波频段的上变频模块。
作为本发明的一种优选技术方案，所述雷达基站与探地雷达终端之间采用自组网的通信方式。
作为本发明的一种优选技术方案，所述雷达基站与控制中心之间采用GPRS或以太网或卫星通信方式。
本发明的有益效果：本发明中，采用探地雷达终端，通过计算能够得到探地雷达收发天线距离相关频率，即可得到电磁波在土壤中的传播速度，从而得到土壤介电常数，进而得到土壤含水量，提供了一种设计合理且行之有效的基于雷达技术的土壤含水量测量装置，可提高土壤含水量测量的精确度与可靠性，实现对土地含水量的实时监测，并降低监测系统的安装使用维护成本。
附图说明
图1为本发明基于雷达技术的土壤含水量测量装置的结构示意图。
图中：1-控制中心、2-雷达基站、3-雷达终端接收模块、4-下变频模块、5-探地雷达发射模块、6-探地雷达发射天线、7-探地雷达接收天线、8-探地雷达接收模块、9-上变频模块、10-雷达终端发射模块。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，基于雷达技术的土壤含水量测量装置包括控制中心1和分布式探地雷达系统，分布式探地雷达系统由雷达基站2和多个土壤水含量传感器构成，各土壤水含量传感器均与雷达基站2连接，土壤水含量传感器采用探地雷达终端，探地雷达终端的组成部分有雷达终端接收模块3、下变频模块4、探地雷达发射模块5、探地雷达发射天线6、探地雷达接收天线7、探地雷达接收模块8、上变频模块9、雷达终端发射模块10。
电磁波在不同传输媒质中传播速度不同，通过测量电磁波的波速可以获得传播媒质的介电常数。对于传输媒质土壤来说，其含水量指标和介电常数之间强相关，可以表示为，其中是土壤含水量，是土壤的介电常数。本发明中雷达基站与雷达终端之间的通信选用毫米波频段，直接用来进行土壤含水量检测的电磁波通常工作在探地频段(10MHz-1000MHz)，通过采用跨孔探地雷达实现不同深度土壤介电常数的测量，从而推算出土壤含水量。其中变频模块是用来实现毫米波频段和探地频段的上下变频转换，即，下变频模块4将毫米波频段转换为探地频段，上变频模块9将探地频段转换为毫米波频段。其中雷达基站2与控制中心1的连接方式可以为GPRS或以太网或卫星通信方式，以成熟可靠且低成本无线通信方式为主。雷达基站2与雷达终端之间传输数据量小，采用自组网的通信方式。雷达基站2的具体数量和安装位置等信息，可以根据区域范围大小以及测量需求而定。供电系统采用太阳能电池板、或就近电力线取电。安装桅杆可以利用电力线桅杆或另立桅杆。除探地雷达发射机之外的探地雷达终端是低功耗设备，供电以电池为主。
本发明的工作原理：以FMCW雷达为例，FMCW(Frequency Modulated ContinuousWave)，即调频连续波，接收的回波频率与发射的频率变化规律相同，都是三角波规律，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差可计算出目标距离。测量过程如下:雷达基站与雷达终端接收模块的距离、雷达基站与雷达终端发射模块的距离，探地雷达发射天线与探地雷达接收天线的距离，可以在初始化时标定，作为已知值使用；雷达系统校正频偏，同样作为初始标定值。雷达基站接收回传频率，通过差拍得到中频信息，并去除已知频率，得到探地雷达收发天线距离相关频率，由FMCW雷达计算公式可得电磁波在土壤中的传播速度，从而得到土壤的介电常数。由相关土壤介电常数与土壤水含量公式可得土壤水含量，根据具体情况可作校准拟合，从而得到更高精度。根据实际使用需要可使用不同深度的探测天线来监测不同深度土壤水含量，或者铺设在不同位置监测不同位置土壤水含量。雷达基站与各终端间通过自组网络进行通信配置。
本文中未详细说明的技术为现有技术。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于雷达技术的土壤含水量测量装置，其特征在于：包括控制中心(1)、雷达基站(2)和多个探地雷达终端，雷达基站(2)与控制中心(1)之间采用无线通信方式连接，各探地雷达终端均与雷达基站(2)连接，所述探地雷达终端包括雷达终端接收模块(3)、探地雷达发射模块(5)、探地雷达接收模块(8)和雷达终端发射模块(10)，所述探地雷达发射模块(5)连接有铺设在土壤中的探地雷达发射天线(6)，所述探地雷达接收模块(8)连接有铺设在土壤中的探地雷达接收天线(7)。
2.根据权利要求1所述的基于雷达技术的土壤含水量测量装置，其特征在于：所述雷达终端接收模块(3)与探地雷达发射模块(5)之间连接有用于将毫米波频段转换为探地频段的下变频模块(4)，所述探地雷达接收模块(8)与雷达终端发射模块(10)之间连接有用于将探地频段转换为毫米波频段的上变频模块(9)。
3.根据权利要求1所述的基于雷达技术的土壤含水量测量装置，其特征在于：所述雷达基站(2)与探地雷达终端之间采用自组网的通信方式。
4.根据权利要求1所述的基于雷达技术的土壤含水量测量装置，其特征在于：所述雷达基站(2)与控制中心(1)之间采用GPRS或以太网或卫星通信方式。
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