CN113490847A - 测量植被中存在的水分的设备和农业设备及其操作方法 - Google Patents

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菲利佩·巴蒂斯塔·内维斯·多斯·桑托斯
罗德里戈·戈梅斯·博格斯
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Abstract

测量植被中存在的植物水分的设备和农业设备及其操作方法，包括：可位移波束的微波发射器；微波接收器；电子数据处理器，连接以接收来自微波接收器的信号；其中，微波发射器被布置成将可位移波束导向微波接收器，以测量穿过植被的多个位置中的每一个的波束的衰减；其中，电子数据处理器被配置用于计算发射器和接收器之间的可位移波束的衰减，以获得对应于植被中存在的水分的测量值的2D图像。具体地，波束可通过安装在车辆上的设备移动，该车辆可沿在水平方向上测量的植被移动，微波发射器和微波接收器共同安装在拱形结构的相对端。

Description

测量植被中存在的水分的设备和农业设备及其操作方法
技术领域
本公开涉及一种用于使用射频衰减测量植被中水的设备和农业设备、相应的农用车辆和操作方法。
背景技术
水在农业过程中起着核心作用，并且必须严格控制这种输入，并且必须采取纠正和精确的行动来支持健康的作物。因此，精准农业连同农业机器人一直在利用可变速率技术(VRT)来控制基于环境特征(例如植物状态和位置)的农业输入(例如水)的速率。
传统的VRT系统仅使用农业数据云系统提供的信息来确定需要应用的农业输入量。但是，这些系统无法获得有关植物需求(例如水)的实际需求和应用的实际产品数量的实时反馈。
现有技术中公开的实时和远程解决方案(使用卫星或飞行器)主要包括雷达散射仪或基于光学的系统。
雷达散射计，即合成孔径雷达(SAR)，可以使用基于成像的系统来监测植被物候，该基于成像的系统传输微波并接收反向散射信号的反射。尽管卫星SAR系统专门提供广泛种植区域的平均含水量，但他们没有分辨率来测量单个植物的含水量，甚至是逐叶计量(即精确农业应用)。此外，卫星SAR系统在散射过程中，受到诸如土壤水分、地表类型、地形拓扑、栽培过程中使用的技术和大气传输特性等的其他要素的干扰的强烈影响[2]。
通过分析植被冠层反射的电磁信号，可以将基于光学的方法用于水感测。这种反射率在很大程度上受植物的生物特性的影响，且在电磁波谱的0.7至1.4μm(近红外波长)和1.3至2.5μm(中红外波长)区域内，反射率受叶子中水分含量的影响[1]。然而，基于光学的方法的准确性受到大气条件的负面影响。此外，使用基于光学方法的水感测仅限于植物表层的贡献，因为仅使用反射信息。
文件KR101824652涉及一种用于计算植物的水分含量的设备。用于计算植物的重量和水分含量的设备包括其上安装有培养基的栽培床(其中，提供应营养液以使得植物能够生长)、重量测量部分和控制部分。重量测量部分被配置为通过将培养床漂浮在空气中来测量安装在培养床上的培养基的重量。控制部分被配置为从重量测量部分收集测量值，并通过使用收集的测量值计算植物的重量和含水量。
现有技术没有提供可适应不同大气和地形条件的在植物规模上测量含水量的可行实用解决方案。
参考文献
[1]E.R.Hunt和Barrett N Rock的Detection of changes in leaf watercontent using near-and middle-infrared reflectances，Remote sensing ofEnvironment，30(1)：43–54,1989。
[2]G.Schiavon、D.Solimini和A.Burini的Sensitivity of multi-temporalhigh resolution polarimetric C and L-band SAR to grapes in vineyards，2007年IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium，第3651-3654页，2007年7月。
公开这些事实是为了说明本公开所解决的技术问题。
发明内容
该文件公开了一种使用射频衰减实时感测水来测量植物中含水量的方法和设备。该方法包括根据实施例在植物的一侧发射具有具体是高于20GHz的频率的电磁辐射，在植物的另一侧接收发射的信号，并分析受辐照植物水分引起的信号衰减。实施的方法包括分析在一对高增益天线之间传输由树叶、植物和含水元素引起的衰减。
所提出的方法和设备不受阻碍视线的干燥元素或光照变化的影响，这会损害基于光学的系统的测量。
在实施例中，该系统可与喷洒系统结合使用，在每次喷洒前和喷洒后立即分析植物，给出喷洒产品量的实时准确反馈。
在基于防漂移板/漂移恢复的喷雾器的实施例中，系统可以在产品施用之前监测水量并监测叶子和植物表面上的水量施用，而无需与植物接触(因为基于光学的系统需要)。
天线阵列系统可以附接到移动机械(自主或非自主)的任何地方和/或以植物将位于天线阵列系统的中间的方式实施的机械中。为了避免天线阵列系统和植物之间的碰撞，可以使用有源平移和倾斜系统来控制天线阵列系统姿态。
公开了一种用于测量植被中存在的植物水分的设备，包括：
可位移波束的微波发射器；
微波接收器；
电子数据处理器，连接以接收来自微波接收器的信号；
其中，微波发射器布置成将可位移波束导向微波接收器，以测量穿过植被的多个位置中的每一个的波束的衰减；
其中，电子数据处理器被配置为计算发射器和接收器之间的可位移波束的衰减，以获得对应于植被中存在的水的测量的2D图像，即，获得植被的空间2D图像，其中，图像对应于计算的衰减，因此对应于植被中存在的水分的测量。
或者，通过波束(或多个波束)的适当位移，可以获得3D图像。此外，通过以相对于水平面的倾斜角度朝向植被转向或移动波束，然后沿着水平轴沿着朝向植被的方向获得关于水分测量的信息，以获得3D图像或2.5D图像(沿3个正交轴中的一个或多个信息有限的3D图像)。
在实施例中，微波接收器包括多个单独的接收器。
在实施例中，微波接收器包括多个单独的微波接收器，具体是沿着竖直方向线性布置和分布。
在实施例中，微波发射器被布置成将可位移波束导向单独的微波接收器中的每一个。
在实施例中，微波发射器被布置成将可位移波束导向一个接一个的单独的微波接收器。
在实施例中，微波发射器包括可控波束天线，具体是可控波束相移天线，用于在每个单独的微波接收器之间引导微波波束。
在实施例中，微波发射器包括多个单独的发射器，其可单独切换以在单独的微波接收器中的每一个之间引导微波波束。
在实施例中，微波发射器包括多个单独的微波发射器，具体是沿垂直方向线性布置和分布。
在实施例中，波束可通过沿待测量的植被具体是沿水平方向移动的设备而移位，具体是微波发射器和微波接收器共同安装在设备中，进一步具体是微波发射器和微波接收器共同安装在拱形结构的相对端，使得植被可以通过发射器和接收器之间的拱形下方。
在实施例中，该设备为车辆，即农业车辆，且微波发射器和微波接收器安装在车辆上以沿着植被移动。
实施例包括卫星地理定位传感器、射频地理定位传感器或位移传感器，用于将植被中存在的水的测量与设备位置同步。
实施例包括安装在车辆上用于沿着植被移动的第二微波发射器和第二微波接收器，使得在第一发射器-接收器对已经测量穿过植被的多个相同位置中的每一个位置的波束的衰减之后，第二发射器-接收器对测量穿过植被的多个位置中的每一个的波束的衰减。
在实施例中，电子数据处理器被配置为计算第一发射器-接收器对和第二发射器-接收器对之间的可位移波束的衰减差异，以获得与植被中存在的水分的测量的差异相对应的2D图像。
实施例包括用于施加治疗的分配器并且被布置为：
在施加处理之前测量植被中存在的水分，并就测量的水分调整施加的处理的量；和/或
在施加处理之前和之后测量植被中存在的水分，用于计算植被中存在的水分的测量的差异以测量施加的处理。
还公开了用于测量植被中存在的植物水分的设备即农业设备的操作方法，设备包括可移动波束的微波发射器；微波接收器；电子数据处理器，连接以接收来自微波接收器的信号；方法包括：
由微波发射器将可位移波束导向微波接收器，以测量穿过植被的多个位置中的每一个位置的波束的衰减；
由电子数据处理器计算发射器和接收器之间可位移波束的衰减，以获得与植被中存在的水分的测量值相对应的2D图像。
附图说明
以下附图提供了用于说明本公开的优选实施例，并且不应被视为限制本发明的范围。
图1：所公开设备的实施例的概览的示意图。
图2A和图2B：使用多个发射和接收元件及其直接辐射路径的可行实施例的示图的示意图。
图3：具有开关的天线阵列的实施例的示图的示意图。
图4：具有移相器的天线阵列的实施例的示图的示意图。
图5：所公开的与车辆和用于农业应用的喷洒系统相结合的设备的实施例的示图的示意图。
图6：根据本公开的实施例的仙人掌状植物的真实图像与获得的收集的数据进行分析之后所得图像之间的比较。
图7：根据本公开的实施例获得的具有干燥区域的叶子(底部)和测试扫描的相应结果。
图8a、图8b和图8c：根据本公开的实施例获得的绿叶的分析图像(a)、相同叶但干燥的分析(b)以及两个图像之间的差异(c)。
图9a、图9b和图9c：根据本公开的实施例获得的绿叶在喷水之前(a)和喷水之后的图像(b)以及两个图像之间的差异(c)。
具体实施方式
该文件公开了一种使用传输的微波进行远程水感测，更具体地，用于测量植物中的含水量的方法和设备。与测量和分析感兴趣物体反射的可见光和红外信号的基于光学的方法不同，本文件的方法和设备使用传输的微波，能够感测更深的植物层，并且不受光照变化或干燥元素的存在对预测含水量值准确性的干扰。
含水量测量可用于表征植物的水状态或作为对其他设备和系统(例如喷洒系统)的控制的输入，自动调节待喷洒的农艺输入的量。所公开的设备和方法能够创建植物或植物群中存在的含水量的2D或2.5D，甚至三维图。
参考图1，是该设备的示意图并且说明了测量植物中含水量的方法。如图1所示，设备10包括发射器105，发射器产生朝向植物或植物区域(例如叶子)115的电磁辐射110(例如微波)。
由于在发射器105和接收器125之间建立的信号辐射路径中存在水的影响，产生的电磁辐射110可以是(但不限于)大约20GHz的频率。事实上，当水(气体或液体形式)或含水物体位于接收器和发射器天线(直接辐射路径)之间时，接收器会测量大约20GHz的衰减峰值。电磁辐射110沿植物115传输但衰减。传输的电磁辐射120由接收器125感测并且信号衰减由单元130测量。取决于植物115的含水量，由植物115引起的衰减导致产生的电磁辐射110的功率损失。
在意味着在发射器和接收器之间的直接辐射路径中不存在任何物体或植物115的自由空间条件下，辐射信号的衰减由公式1计算的自由空间路径损耗(Lfs)给出，其中f是频率，c是真空中的光速，D是发射器和接收器之间的距离。
Figure BDA0003227791820000071
在含水物体(例如植物)的存在下，发射器和接收器之间的测量信号损失与校准中获得的信号损失值相比显着增加，这可以在自由空间条件(Lfs)或在直接辐射路径中没有植物的真实环境(潮湿空气)中执行。
植物含水量通过植物测量和校准之间的信号损失(衰减)的差异量来预测。
在该示例中应用了20GHz范围内的频率，因为它们可以穿过干燥的植物而不会遭受信号损失，因此不会改变Lfs值。
可以应用高于20GHz的频率来提高水感测灵敏度。然而，更高的频率会导致自由空间功率损耗增加，这需要减小发射器105和接收器125之间的距离以获得相同的辐射功率。可以通过使用高于20GHz的频率来提高空间分辨率。可以选择并使用其他不同的频率，来避免由于特定用例而导致的过度损耗或避免在特定频率发生反射。此外，可以同时使用不同的频率，以便以电子方式或计算方式选择频率信号或提供最佳测量的信号。
在替代实施例中，功率反射也可用于预测植物含水量。然而，与所公开的使用发射器和接收器之间的衰减的方法相比，由植物反射的功率极低，这导致灵敏度降低。
如图2A中所公开的，为了对具有不同形状和大小的不同植物进行水感测，可以使用可变数量的发射器和接收器。在该实施例中，发射器元件105可以是包括至少一个发射器天线200的阵列，以及接收器元件125可以是具有至少一个接收器天线215的阵列。术语发射器/接收器对将用于描述来自阵列中多个发射器的发射器和来自阵列中的多个接收器的接收器可以建立链接的任何组合。
发射器阵列105和接收器阵列125通过结构240(例如金属棒)连接以控制它们之间的距离，即直接辐射路径长度。结构240可以连接到移动结构(例如机械臂)，该可移动结构可移动发射器和接收器阵列以测量植物115的不同点的含水量。
参考图2B来解释表征每个发射器/接收器对的不同辐射路径。例如，辐射路径250表征发射器200和接收器215之间的链路，而辐射路径260表征发射器200和接收器220之间的链路。因此，相同发射器可以提供可以被不同的接收器感应的不同的辐射路径。直接辐射路径数量的增加可用于提高空间分辨率和测量精度，因为发射器/接收器对之间的每个直接辐射路径都可用于测量衰减值，从而测量可映射的含水量。该映射可以呈现为含水量图像。
为了减轻由反射对水感测引起的干扰，本公开通过随时间控制非同时发射器/接收器对的操作，来实现信号路径之间的隔离。参考图3来解释如何建立发射器/接收器对。
参考图3公开基于开关控制的电扫描。输入源300产生输入信号305，该信号被输入到功率分配器310中。该功率分配器310由与发射天线的数量一样多的功率通道315组成。每个功率通道315连接到开关控制320，该开关控制320控制输送到每个发射天线325的功率。
每个发射器/接收器对在每个给定时刻被激活，发射信号的强度被发射器/接收器对之间的信号路径中的物体和植物衰减。在该实施例中，电扫描包括控制连接到每个天线的开关，如图3所示，打开和关闭阵列中的不同发射器/接收器对以扫描整个区域。
参考图4来描述本文公开的本公开的优选实施例，包括基于用于波束转向控制的相移的电扫描。输入源400产生被输入到相移控制410中的输入信号。该相移控制410由与发射天线的数量一样多的功率通道组成。每个功率通道为移相器421-424供电。相位控制模块410单独控制每个移相器421-424。每个移相器421-424连接到发射发射信号441-444的发射天线431-434。需要至少两个移相器421和422以及对应的两个发射天线431和432，来将发射信号441-442导向发射波束450。
这种电子可控天线阵列能够控制发射波束450(波束)的方向。在该配置中，阵列450的所有发射天线同时发射。阵列的每个天线的单独发射信号的组合产生发射波束，将阵列的辐射方向图定向到特定方向。
发射波束角度控制是通过改变从每个发射天线发射的信号的相位来实现的，以提供相长或相消干涉，从而在所需方向上操纵发射波束450。因此通过控制连接到阵列430的每个辐射元件的移相器420，来改变发射波束450的方向。
图4中公开的阵列的波束控制是通过控制每个天线的信号的相位来执行的。波束的方向由阵列的每个连续元件之间的相位差限定。该相位差(Δφ)使用等式2获得，其中，d是辐射元件之间的预定距离，λ是波长(例如20GHz)，以及θs是所需的波束角度。
Figure BDA0003227791820000091
发射波束450在其沿着植物455传输时受到衰减，作为传输波束457继续朝向接收元件460。每个接收元件连接到开关465，其由开关控制器475控制，打开和关闭来自465的各个开关。接收器处理器470基于测量的衰减值确定映射图的每个元素的含水量值。每次接收器处理器470都可以访问当前发射的波束角，该角可用于加权或校正衰减图和输出480的后续含水量值。
使用具有绝对值的矩阵的最大值和最小值，将确定的衰减(功率损耗)值归一化到0到1的范围。因此生成物体、植物或叶子的灰度图像，其中图像最亮的部分代表衰减最大的区域，因此水量更大，而图像的最暗区域代表较低的信号衰减，相应的是含水量较少的区域。
参考图5公开本公开的用于农业应用的优选实施例。在该实施例中，车辆550通过元件560连接到设备以自动喷洒580农业产品。在该实施例中，并且假设车辆550沿正x轴移动，植物540的含水量由包括发射器/接收器对510和530的设备确定，该设备连接到固定结构590以确保在喷洒步骤之前保持恒定距离。第二发射器/接收器对500和520用于提供在喷洒步骤之后进行的第二含水量测量。元件500和520以面对面的方式布置，其中植物540在它们之间。发射器/接收器对通过元件570附接到喷雾器元件580。由对510和530确定的植物含水量值可用于控制由元件580喷洒的农业产品的量。植被元件540使用附接到车辆550(平行于植被的排列(x轴)移动)的喷雾器580喷洒。
基于由两个发射器/接收器对(510、530和500、520)感测到的衰减(含水量)的差异，考虑到在扫描步骤(波束转向)期间收集的数据，确定喷洒的农业产品的数量及其在植物上的位置和散射。在产品分布低的情况下，车辆550向后移动，重复喷洒步骤。每个发射器发射具有发射功率和已知频率的信号。随着时间的推移，车辆的定位是已知的。沿+/-x偏移，每个接收器记录随时间的衰减。根据车辆550的行驶方向，一个接收器将记录喷洒前接收到的信号功率，而另一个记录喷洒后信号的功率。在校正接收器之间的距离后，接收到的功率衰减差异使得确定喷洒的质量。
车辆的纵向速度可以改变以增加或减少纵向映射细节，因为数据收集与车辆的位移同步，例如通过卫星或射频地理定位，或者例如通过放置在车轮或传输上的旋转编码器。
与水量有直接关系的信号衰减，与系统地理定位相结合以构建三维映射，其中在东北-上参考坐标系中定义每个观察点。将该三维信号衰减映射转换为三维含水量映射。
在替代实施例中，本公开可用于连续监测植物含水量，因为有可能重复先前的扫描以获得随时间推移的数据。
通常，可以每秒多次获得测量值，这可以实现例如每米车辆位移的1000次测量的采样率，使得每米的水平(在位移方向)采样点可以比每米的垂直(沿着天线发射器/接收器对的分布)采样点大甚至更大。因此，水平图像分辨率可能比垂直图像分辨率大或更大。有利地，可以通过计算机方法使用该数据，来产生关于植物生长的更详细的数据。
在实施例中，也可以测量水果含水量，因为水果含有水。在进一步的实施例中，水果含水量也可以与叶的含水量区分开来，因为水果会引起更大的信号衰减。在另一个进一步的实施例中，水果含水量也可以与叶子含水量区分开来，因为车辆通过进行两次连续测量来应用植物检疫处理，并利用叶子将导致差异测量反映所应用处理的水含量的事实，而水果将导致信号达到最大信号阈值，因此没有差异测量。
以下涉及实验结果。为评估本文公开的方法和设备而进行的实验室测试，使用安装在爪上的两个高增益天线。这个爪被放置在机械臂的末端，它允许扫描被测量的物体。这对高增益天线通过同轴电缆连接到矢量网络分析仪(VNA)，以测量传输信号的S参数，更准确地说，是S12参数。VNA的型号是Agilent Technologies的E8363B PNA系列网络分析仪(10MHz至40GHz)，且同轴电缆的型号是Thorlabs的KMM24和Minicircuits的KBL-2FT-PHS+，两者都为测试期间使用的高频做好了准备。
对于每个测试，测试元件被放置在要扫描的发射器/接收器对之间。这个扫描处理的区域是在Matlab脚本中用所需的步长限定的。该步长的最大值为3mm，由机械臂的最大精度决定。由于机械臂的物理限制，扫描区域的最大尺寸为20厘米×20厘米的正方形。测试序列包括获取VNA在初始点测量的S12参数，发送将机械臂移动到下一个位置的请求，获取该位置的S12参数等，直到达到扫描过程的预定区域限定的所有位置。
在不同的物体、植物和叶子中进行含水量测量。物体和植物的大小受发射器/接收器对之间距离的限制。这个距离取决于所使用的两个爪的大小。对于第一个爪，天线之间的距离为20厘米，对于第二个爪，距离为9厘米。最初，测试是使用第一个爪进行的，尽管天线之间的距离意味着有时VNA测得的值非常低，S12参数在-70dB到-80dB的范围内。该值位于VNA测量范围的末端，并因此，创建了第二个爪以提高测试性能并增加VNA获取的强度值范围。
用植物和叶子进行的不同测试将在以下段落中呈现。测试中使用的叶子悬挂在木结构上，使得发射器/接收器对中间的唯一物体是叶子。在整个测试中使用相同类型的叶子来减少变量的数量。至于植物，它的尺寸足够小，可以适配在天线之间并允许进行扫描程序。
如图6所示，进行了使用仙人掌状植物的测试。选择这种植物是因为它的含水量高，导致信号强度的衰减更大。对该测试的收集到的数据进行的分析证实：当信号通过植物时，信号会被强烈衰减。如图6所示，这可以通过分析从收集的数据中获得的图像来感知，其中，图像最亮的部分对应于植物叶子直接位于发射器/接收器对中间的区域，最暗的区域对应于每片叶子之间的空隙。本次测试的扫描区域为20cm×15cm的矩形，步长为5mm，对应1200个不同的点。结果来自三个不同的频率(19.5GHz、19.75GHz和20GHz)以及19.5至20GHz范围内的平均衰减。对结果图像的分析揭示了使用频率范围平均值的更好结果。
本文公开的方法和设备能够详细地扫描和测量具有不同水合水平的区域的感兴趣物体的含水量。如图7的左侧所示，使用具有绿色区域(上部，叶柄)和干燥区域(底部，叶尖)的叶子测试本公开。在这种情况下直接从树上提取叶子，几乎一半的叶子处于干燥状态。本次测试的扫描区域为12cm×7cm的矩形，步长为0.4cm，对应540个不同的点。如图7中所观察到的，所公开的发明测量到更高的含水量并且在生成的2D图像的上部区域中进一步呈现更亮的像素，其对应于在叶柄附近观察到的绿色区域。相反，生成的图像的中部和底部包含较暗的像素，这是由于微波沿着本公开测量的顶点附近的叶的该干燥区域传输的微波所遭受的减少的信号衰减造成的。这与真实图像相关，因为与绿色部分相比，叶子的棕色部分含水量较少。
本公开还能够随时间测量含水量。该测试包括从树上摘下的新鲜的一片绿叶开始，使用高精度天平测量其质量并进行扫描测试。接下来，将叶子自然晾干两天，然后再次称重和扫描。对于这个测试，扫描区域的大小是一个12厘米×8厘米的矩形，步长为0.4厘米，对应总共600个不同的点。
叶子的重量在每次扫描程序之间减少，从1.1094克开始到0.3908克结束。叶子的这种重量损失主要是由于自然干燥过程中水分的蒸发，因为叶子的物理结构在干燥过程和扫描过程中保持完整。这种重量损失对应于叶子的水分损失，从而影响每次测试扫描结果。本次分析结果如图8所示，其中图8a为绿叶扫描结果(质量为1.1094克)，图8b为干叶扫描结果(质量为0.3908克)以及图8c是绿叶和干叶的结果之间的差异。这些图像是通过使用从两个扫描程序获得的矩阵之间的全局最大值和最小值对两个矩阵进行归一化而获得的。事实上，绿叶结果在叶区域具有更亮的区域，而在干叶上的结果是几乎黑色和均匀的图像，表明系统对叶内的含水量具有明显的敏感性。干叶与图8b中没有叶的图像区域之间缺乏清晰的对比，表明由于干叶上缺乏水，信号没有显着衰减。
归一化矩阵的所有元素的总和的分析也清楚地表明了叶子的含水量对信号衰减的影响。绿叶归一化矩阵的值的总和为262.20，而对于干叶，该总和为156.47。这种差异的原因在于，信号的更大衰减由矩阵上更接近1的数字表示，从而给出了绿叶的矩阵元素的更大的总和。
对VNA记录的最大值和最小值之间的差异的分析，还揭示了关于叶子含水量的一些信息。对于绿叶记录的数据，最大值和最小值之间的差异为6.59dB，而在干叶上，该值为2.57dB。这两个值之间4.02dB的差异清楚地表明，绿叶对信号衰减的影响更大。
使用天线之间的较小的距离重复相同的测试，这次在两天的过程中重复扫描程序六次并且在每次扫描之前测量叶子的质量。每次扫描过程的叶子质量值如表1所示，前三次扫描在第一天进行，随后的扫描在第二天进行。
表1-每次扫描(测试)时的叶子质量以及每个测试结果矩阵的最大值和最小值之间的相应差异。
Figure BDA0003227791820000141
对每次测试收集的数据的最大值和最小值之间的差异的分析，揭示了叶子含水量对信号衰减的影响的指示。叶子质量的值越高(对应于更高的含水量)，信号强度的衰减就越大，由第一天进行的测试的最大值和最小值与第二天进行的测试之间的较大差异表示，如表1所示。
参考图9公开了应用基于水的农业处理后的水感测结果。该测试的目的是检查公开内容对绿叶上水量和位置的微小变化的敏感性。该测试的扫描区域是一个10厘米×7厘米的矩形，步长为0.4厘米，对应450个不同的点。在两个不同的时间点测量含水量----第一个是在喷水后立即测量(图9a)，第二个是两个半小时后(图9b)。尽管图9a和图9b之间的视觉差异很小，但这两个图像的结果差异显示了在图像下部中显示的叶尖中的一些明亮像素(图9c)。这些像素对应于由于叶子中存在水而导致信号衰减较高的叶子区域。这些亮像素如预期的那样位于叶尖(图9c的下部)，因为重力会将水滴拉向叶尖。测试需要大约两个半小时才能完成的事实也是导致这一结果的一个因素，因为在扫描通过叶子的那部分之前，叶子顶部的一些水已经蒸发了。对两个时间点每幅图像的像素值的分析还表明，叶子表面有水的矩阵的总和更大，这再次证实了水对信号衰减的影响。该矩阵的值的总和为242.453，而对于没有水的叶子的值的矩阵，该总和对应于230.723。
优选地，为了避免视差测量误差，波束未聚焦，以恒定宽度，即恒定空间波束轮廓传播——从每个发射器，通过要测量的相应植被位置，到相应接收器(即没有波束的集中或扩散)。
当使用车辆时，水平分辨率可以是可变的，例如考虑到地理定位或位移传感器的精度。因此，当使用车辆时，水平和垂直分辨率可能不同。
无论何时在本文中使用，术语“包括”旨在表示所述特征、整体、步骤、组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、组件或其组。
应当理解，本文描述的本公开的某些实施例可以作为代码(例如，软件算法或程序)并入固件和/或计算机可用介质中，固件和/或计算机可用介质具有控制逻辑，用于使得能够在具有计算机处理器的计算机系统上执行，例如这里描述的任何服务器中。这样的计算机系统通常包括被配置为提供来自代码的执行的输出的存储器，该代码根据执行来配置处理器。代码可以被安排为固件或软件以配置在其中执行代码的机器，以执行相关联的功能，如本文所述。
本公开不应以任何方式被视为限于所描述的实施例，并且本领域普通技术人员将预见对其修改的许多可能性。上述实施例是可组合的。所附权利要求进一步阐述了本公开的特定实施例。

Claims (15)

1.一种测量植被中存在的植物水分的设备，所述设备包括：
波束的微波发射器，所述微波发射器被布置成使所述波束能移位以穿过所述植被的多个位置中的每个位置；
微波接收器；
电子数据处理器，连接以接收来自所述微波接收器的信号并控制所述波束的位移；
其中，所述微波发射器被布置成将可位移波束导向所述微波接收器，以测量穿过所述植被的所述多个位置中的每个位置的所述波束的衰减；
其中，所述电子数据处理器被配置用于计算所述发射器和所述接收器之间的所述可位移波束的所述衰减，以获得所述植被的空间2D图像，其中，所述图像对应于所述植被中存在的水分的测量。
2.根据前述一项权利要求所述的测量植被中存在的植物水分的设备，其中，所述微波接收器包括多个单独的接收器。
3.根据前述一项权利要求所述的测量植被中存在的植物水分的设备，其中，所述微波接收器包括线性布置和分布的多个单独的微波接收器，使得每个接收器接收穿过所述植被的所述多个位置中的每个位置的波束，具体地，所述多个单独的微波接收器沿垂直方向线性布置和分布。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的测量植被中存在的植物水分的设备，其中，所述微波发射器被布置为将所述可位移波束导向单独的所述微波接收器中的每一个。
5.根据前述一项权利要求所述的测量植被中存在的植物水分的设备，其中，所述微波发射器被布置成将所述可位移波束导向一个接一个的单独的所述微波接收器，使得每个接收器接收穿过所述植被的所述多个位置中的每个位置的波束。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的测量植被中存在的植物水分的设备，其中，所述微波发射器包括可控波束天线，具体是可控波束相移天线，用于在每个单独的所述微波接收器之间引导微波波束。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的测量植被中存在的植物水分的设备，其中，所述微波发射器包括多个单独的发射器，所述多个单独的发射器能单独切换以在单独的所述微波接收器中的每一个之间引导微波波束。
8.根据前述一项权利要求所述的测量植被中存在的植物水分的设备，其中，所述微波发射器包括线性布置和分布的多个单独的微波发射器，使得每个接收器接收从每个所述发射器发出的、穿过所述植被的所述多个位置中的每个位置的波束，具体是所述多个单独的微波发射器沿垂直方向线性布置和分布。
9.根据前述权利要求中任一项所述的测量植被中存在的植物水分的设备，其中，所述波束能通过沿待测量的所述植被具体是沿水平方向移动的所述设备而移位，所述微波发射器和所述微波接收器共同安装在所述设备中，进一步具体是所述微波发射器和所述微波接收器共同安装在拱形结构的相对端。
10.一种农业车辆，包括根据前述一项权利要求所述的测量植被中存在的植物水分的设备，其中，所述微波发射器和所述微波接收器安装在所述车辆上以沿着所述植被移动，从而当所述车辆移动时，波束能移位以穿过所述植被的所述多个位置中的每个位置。
11.根据前述一项权利要求所述的农业车辆，包括卫星地理定位传感器、射频地理定位传感器或位移传感器，用于将所述植被中存在的水分的测量与确定所述车辆移动时正在测量的所述植被的所述多个位置的设备位置同步。
12.根据前述一项权利要求所述的农业车辆，包括安装在所述车辆上用于沿着所述植被移动的第二微波发射器和第二微波接收器，
使得在第一发射器-接收器对已经测量穿过所述植被的多个相同位置中的每个位置的波束的衰减之后，第二发射器-接收器对测量穿过所述植被的所述多个位置中的每个位置的波束的衰减。
13.根据前述一项权利要求所述的农业车辆，其中，所述电子数据处理器被配置为计算所述第一发射器-接收器对和所述第二发射器-接收器对之间的可位移波束的衰减差异，以获得与所述植被中存在的水分的测量的差异相对应的2D图像。
14.根据前述一项权利要求所述的农业车辆，其中，用于对所述植被施加基于水分的农业处理的设备包括用于施加所述处理的分配器并且所述设备被布置为：
在施加所述处理之前测量所述植被中存在的所述水分，并就测量的所述水分调整施加的所述处理的量；和/或
在施加所述处理之前和之后测量所述植被中存在的所述水分，用于计算所述植被中存在的所述水分的测量的差异，以测量施加的所述处理。
15.一种用于测量植被中存在的植物水分的农业设备的操作方法，所述设备包括波束的微波发射器，其中，所述微波发射器被布置成使得所述波束能移位以穿过所述植被的多个位置中的每个位置；微波接收器；电子数据处理器，连接以接收来自所述微波接收器的信号并控制所述波束的位移；所述方法包括：
由所述微波发射器朝向所述微波接收器移动可位移波束，以测量穿过所述植被的所述多个位置中的每个位置的所述波束的衰减；
由所述电子数据处理器计算所述发射器和所述接收器之间的所述可位移波束的衰减，以获得所述植被的空间2D图像，其中，所述图像对应于所述植被中存在的所述水分的测量。
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