CN113189611A - 基于太赫兹后向散射信号的土壤温度和湿度检测方法 - Google Patents

基于太赫兹后向散射信号的土壤温度和湿度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于太赫兹后向散射信号的土壤温度和湿度检测方法，包括以下步骤：将太赫兹雷达应用于冻土检测时，将太赫兹雷达安装在手持杆或者移动平板车上，太赫兹雷达发射太赫兹信号，待信号与冻土相互作用之后，冻土表面辐射的后向散射信号返回到太赫兹雷达，并由太赫兹雷达接收；太赫兹雷达接收到的信号传入功率计，通过功率计测量得到信号的功率，由此获取信号与冻土之间相互作用的信息。本发明可以在不同的频率下检测冻土层厚度，为检测地表冻融情况提供数据，从而指导人们的生产生活安排。

Description

基于太赫兹后向散射信号的土壤温度和湿度检测方法
技术领域
本发明属于冻土土壤检测技术领域，具体涉及一种基于太赫兹后向散射信号的土壤温度和湿度检测方法。
背景技术
陆地表面季节性冻融是地球表面广泛存在的一种现象。对于我国高纬度的区域，其气候恶劣，年平均温度常处于0℃以下。地表冻融状态的时间、持续时间和面积对环境温度的敏感性，都可以作为气候变化的良好指标。且在全球变暖的背景和趋势下，地表季节性冻融信息对气候水文模拟有着重要的意义，可以帮助人们进一步了解全球气候变化的动态，从而合理安排工业、农业等工作、生活。
目前对于冻土的土壤湿度与温度检测多依赖于全球导航卫星系统的发展，如专利申请号为：202010174884.8，他们公开了一种基于GNSS干涉信号的冻土土壤湿度检测方法。通过接收处理GNSS直射信号与冻土反射信号形成的干涉信号，通过模型拟合从中提取冻土的复相对介电常数，最后通过冻土介电模型反演冻土土壤湿度，实现了非接触式的冻土土壤检测。
全球卫星导航系统的轨道高度高，在进行地球表面的遥感检测时，其采用的GNSS干涉信号需要直射信号与反射信号两种信号进行干涉，才能对土壤进行湿度的反演工作，容易产生较长时间延迟。且信号通过大气层等空间结构时，随着温度与天气的变化，信号会出现一定程度的衰减与闪烁效应，导致空间分辨率降低，使得直射信号准确率降低。全球导航卫星系统的维护成本高，系统复杂度高，使用卫星进行通信使得检测成本增加。且该方法不够灵活，其接收天线固定在地面上，不具有便携性，天线的安装与维护再次增加了成本。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于太赫兹后向散射信号的土壤温度和湿度检测方法，，可以实现时间和空间的高分辨率检测，与现有的毫米波雷达相比，太赫兹雷达对水分的吸收更加明显，于土壤与水的混合物，其介电常数主要取决于液态水的含量。在土壤中并非所有的液态水都会在0℃或以下结冰，冰的介电常数与水的介电常数相差较多，土壤的介电常数在湿土变成冻土的过程中会发生急剧变化。使用太赫兹波来分析土壤在冻融过程中的散射特性，有助于对气候变化进行检测，对指导人们的生产生活有着重要意义。
具体的技术方案为：
将太赫兹雷达应用于冻土检测时，将太赫兹雷达安装在手持杆或者移动平板车上，太赫兹雷达发射太赫兹信号，待信号与冻土相互作用之后，冻土表面辐射的后向散射信号返回到太赫兹雷达，并由太赫兹雷达接收。太赫兹雷达接收到的信号传入功率计，通过功率计测量得到信号的功率，由此获取信号与冻土之间相互作用的信息；
将土壤划分为四个组分：纯土壤、结合水、自由水和空气，随着温度的降低，土壤中的水转化为冰，土壤转化为冻土。水对太赫兹信号有着很强的吸收作用，水分含量的降低影响着后向散射系数的强度与冻土的介电常数。由此，冻土的介电常数实部和虚部可以表示为：
Figure 231854DEST_PATH_IMAGE002
（10）
Figure 962043DEST_PATH_IMAGE004
（11）
其中，
Figure 804097DEST_PATH_IMAGE006
表示冻土介电常数的实部，
Figure 510891DEST_PATH_IMAGE008
表示冻土介电常数的虚部；
Figure 387580DEST_PATH_IMAGE010
表示土 壤的体积分数，取决于土壤中粘土、粉质沙土和砂子的质量分数；
Figure 23092DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 352442DEST_PATH_IMAGE014
是水的体积，
Figure 551342DEST_PATH_IMAGE016
是土壤样本的总体积，包括空气、水和土壤；
Figure 537665DEST_PATH_IMAGE018
和
Figure 593346DEST_PATH_IMAGE020
分别表示水的 介电常数的实部和虚部；
Figure 347675DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 897736DEST_PATH_IMAGE024
表示冰的介电常数的实部和虚部；
Figure 483438DEST_PATH_IMAGE026
，
Figure 913283DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 466493DEST_PATH_IMAGE030
，S和C分别代表砂子 和黏土的质量分数。
从介电常数的实部和虚部可以看出，冰的介电特性取决于环境温度，因为未冻结水和冰的体积含量取决于温度。
为了预测土层反射的低太赫兹频率，本文提出了积分方程法(IEM)和辐射传递方程(RTE)模型相结合的模型。IEM模型将Kirchhoff场和互补场结合为表面场，可用于估计粗糙表面等散射分量：
Figure 803933DEST_PATH_IMAGE032
（12）
其中，
Figure 447404DEST_PATH_IMAGE034
是与表面相关函数的n次幂相关的表面粗糙度谱，该傅立叶变换为：
Figure 595620DEST_PATH_IMAGE036
(13)
其中，
Figure 386858DEST_PATH_IMAGE038
为相关函数，
Figure 465673DEST_PATH_IMAGE040
为第一球形贝塞尔函数。
Figure 275235DEST_PATH_IMAGE042
(14)
其中，
Figure 46882DEST_PATH_IMAGE044
是基尔霍夫场系数，
Figure 59837DEST_PATH_IMAGE046
是互补场系数，它们与基尔霍夫场和互补场 相关。参数k x , k y , k z , k sx , k sy , k sz 是波矢k和ks的笛卡尔分量。因此，总散射系数
Figure 755392DEST_PATH_IMAGE048
取 决于均方根高度和表面相关长度，以及通过菲涅耳反射系数得出的表面材料ε的介电常数。
太赫兹波的波长在亚毫米至毫米的范围，冻土中的土壤颗粒、冰粒以及杂质等的尺寸也在亚毫米至毫米量级，与太赫兹的波长相近。所以，使用太赫兹波对冻土进行检测，可以得到更加丰富的冻土信息。此外，水对太赫兹波的吸收很强，其与冻土中的水分进行作用后所得的响应更强也更加准确，对冻土中的水含量检测灵敏度更高。本发明采用的太赫兹探测器不需要固定在某个位置，也不需要通过卫星发射信号，仅使用发射机、雷达、天线、接收机等集成器件就可以进行信号的收发工作。装置结构简单，所耗成本低，便于携带，可手持也可安装在动态传输工具（如无人机、吊车等）上进行动态测量。且其测量距离较短，受天气环境的影响较小。
本发明提供的基于太赫兹后向散射信号的土壤温度和湿度检测方法，可以在不同的频率下检测冻土层厚度，为检测地表冻融情况提供数据，从而指导人们的生产生活安排。
附图说明
图1为实施例的雷达集成在手持杆上测试示意图；
图2为实施例使用频率为140GHz的信号测试的结果；
图3为实施例使用频率为220GHz的信号测试的结果；
图4为实施例的雷达集成应用在勘探车上测试示意图；
图5为实施例的雷达集成应用在无人机上测试示意图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，本实施例将太赫兹雷达应用于冻土。在使用雷达进行冻土检测时，可将其安装在手持杆上。该雷达可用于发射太赫兹信号，待信号与冻土相互作用之后，冻土表面辐射的后向散射信号返回到雷达，并由其接收。雷达接收到的信号传入功率计，通过功率计测量得到信号的功率，由此获取信号与冻土之间相互作用的信息。太赫兹雷达是现有的技术，其尺寸、重量比微波、毫米波天线要小，使得雷达设备更小、更便携、更便于集成到其他设备上。
在本技术方案中，本实施例将土壤划分成四个组分：纯土壤、结合水、自由水和空气。纯土壤由不同质量分数的粘土、粉土和砂土组成。这意味着，土壤的介电特性随着土壤中不同组分的相对质量分数而变化，其介电常数可表示为：
Figure 170192DEST_PATH_IMAGE050
（1）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE052
表示土壤的体积分数，它取决于粘土、粉质沙土和砂子的质量分数。
结合水代表与土壤粒子结合的较为紧密，不可自由移动的水；而自由水的水分子可以很容易的在土壤中移动。结合水和自由水都用来表征土壤样品中的水分含量。在太赫兹频率下，土壤的介电特性由Birchak混合模型来进行评估，其介电常数可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
（2）
下标fw, bw, s, a分别代表自由水、结合水、土壤和空气。本实施例把自由水和结合水结合到一起共同代表水分含量，得到土壤的模型：
Figure 424325DEST_PATH_IMAGE056
（3）
其中，
Figure 924577DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 158243DEST_PATH_IMAGE060
是水的体积，
Figure 630813DEST_PATH_IMAGE062
是土壤样本的总体积，包 括空气、水和土壤。式子（3），土壤介电常数的实部和虚部可以重写为：
Figure 806579DEST_PATH_IMAGE064
（4）
Figure 37535DEST_PATH_IMAGE066
（5）
其中，
Figure 261843DEST_PATH_IMAGE068
为土壤容重，
Figure 385657DEST_PATH_IMAGE070
为Debye模型中给出的水的介电常数，其他参数的值 如下：
Figure 483057DEST_PATH_IMAGE072
（6）
Figure 895583DEST_PATH_IMAGE074
（7）
Figure 985899DEST_PATH_IMAGE076
（8）
其中，S和C分别代表砂子和黏土的质量分数。
随着温度的降低，土壤中的水转化为冰，土壤转化成冻土。水对太赫兹信号有着很强的吸收作用，水分含量的降低影响着后向散射系数的强度与冻土的介电常数。因此，需要加入冻土的成分来修正上述模型。
Figure 479066DEST_PATH_IMAGE078
（9）
其中，
Figure 668739DEST_PATH_IMAGE080
为冰的体积分数，由式子
Figure 630879DEST_PATH_IMAGE082
求得。
Figure DEST_PATH_IMAGE084
为 冰的密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE086
为总含水率。
Figure DEST_PATH_IMAGE088
为未冻水含量，可表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，
Figure DEST_PATH_IMAGE092
为水的密度，T为开尔文温度。而A、B的值 与土壤质地有关，其具体数值可查。冻土介电常数的实部和虚部可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE093
（10）
Figure DEST_PATH_IMAGE095
（11）
由式子可知，因为未冻水和冰的体积含量取决于温度，冰的介电特性取决于环境温度，因此，冻土的介电常数取决于土壤湿度以及环境温度。使用以上冻土的介电常数模型，本实施例对冻土厚度进行预测。本实施例将太赫兹雷达安装在手持杆上，将入射角Ø为-30°、频率为140GHz和220GHz的太赫兹信号分别辐射到温度为-10℃，总含水量为30%冻土表面。
如图2，当使用频率为140GHz的信号时，假设土壤处于冻结状态时，雷达接收到的信号功率为X(dBm)。当信号采用垂直偏振的方式进行收发，雷达接收的信号功率为Y (dBm)= XdBm +(-16dB) = X-16dBm的时候，则认定为土壤开始变为冻土；当信号采用水平偏振的方式进行收发，雷达接收的信号功率为Y (dBm)= XdBm +(-18dB) = X-18dBm的时候，则认定为土壤开始变为冻土。
如图3，当使用频率为220GHz的信号时，假设在土壤处于冻结状态时，雷达接收到的信号功率为X(dBm)。当信号采用垂直偏振的方式进行收发，雷达接收的信号功率为Y(dBm)= XdBm +(-15dB) = X-15dBm的时候，则认定为土壤开始变为冻土；当信号采用水平偏振的方式进行收发，雷达接收的信号功率为Y (dBm)= XdBm +(-17dB) = X-17dBm的时候，则认定为土壤开始变为冻土。
在一些气候恶劣的地区，地质学家等在勘探地形地貌时，可以选择使用勘探车进行探测，以免发生危险。如图4所示，可将太赫兹雷达安装在勘探车上。待雷达发射信号与冻土响应后，将反射的后向散射信号转换为提示信息，传送回电脑，为科学家们提供有用信息。
或者如图5所示，应用在无人机上。
在部分需要精细探测的冻土地区，直接的探测可能导致冻土土壤结构的破坏，例如：人、车辆和工具等的压力，以为人体和交通运输工具的散热等，都会在一定情况下影响冻土的冻融状态。此时，将雷达安装在无人机上，从高空远距离发射信号，与冻土响应之后再将信号传回。这样可以有效保留冻土的原貌，使得所接收到的信号更加准确。

Claims (1)

1.基于太赫兹后向散射信号的土壤温度和湿度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将太赫兹雷达应用于冻土检测时，将太赫兹雷达安装在手持杆或者移动平板车上，太赫兹雷达发射太赫兹信号，待信号与冻土相互作用之后，冻土表面辐射的后向散射信号返回到太赫兹雷达，并由太赫兹雷达接收；太赫兹雷达接收到的信号传入功率计，通过功率计测量得到信号的功率，由此获取信号与冻土之间相互作用的信息；
将土壤划分为四个组分：纯土壤、结合水、自由水和空气，随着温度的降低，土壤中的水转化为冰，土壤转化为冻土；水对太赫兹信号有着很强的吸收作用，水分含量的降低影响着后向散射系数的强度与冻土的介电常数；由此，冻土的介电常数实部和虚部表示为：
Figure 622938DEST_PATH_IMAGE001
（10）
Figure 382952DEST_PATH_IMAGE002
（11）
其中，
Figure 273548DEST_PATH_IMAGE004
表示冻土介电常数的实部，
Figure 742707DEST_PATH_IMAGE006
表示冻土介电常数的虚部；
Figure 538493DEST_PATH_IMAGE008
表示土壤的 体积分数，取决于土壤中粘土、粉质沙土和砂子的质量分数；
Figure 649669DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 660350DEST_PATH_IMAGE012
是水的体积，
Figure 815257DEST_PATH_IMAGE014
是土壤样本的总体积，包括空气、水和土壤；
Figure 114651DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 826255DEST_PATH_IMAGE016
分别表示水的 介电常数的实部和虚部；
Figure 618674DEST_PATH_IMAGE017
和
Figure 695214DEST_PATH_IMAGE018
表示冰的介电常数的实部和虚部；
Figure 278642DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 980888DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 966161DEST_PATH_IMAGE023
，S和C分别代表砂子和黏 土的质量分数；
从介电常数的实部和虚部可以看出，冰的介电特性取决于环境温度，因为未冻结水和冰的体积含量取决于温度。
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