CN115561311B - 低频声波远距离土壤含水率测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频声波远距离土壤含水率测量系统及方法，系统包括：远程控制模块、低频旋笛模块、亥姆霍兹式声波放大模块、远程数据通讯模块与数据处理模块；低频旋笛模块用于发出低频声波信号；远程控制模块用于控制低频旋笛模块发出低频声波信号，并将低频声波信号采集后发送低频声波数字信号至远程数据通讯模块；亥姆霍兹式声波放大模块用于接收低频声波信号并进行放大处理后采集输出放大低频声波数字信号至数据处理模块；数据处理模块用于根据低频声波数字信号与放大低频声波数字信号得到声学变化量数据；远程数据通讯模块用于将声学变化量数据发送至终端设备，通过终端设备计算出土壤含水率。本发明实现了远距离测量土壤含水量。
Description
技术领域
本发明涉及土壤检测领域，尤其涉及一种低频声波远距离土壤含水率测量系统及方法。
背景技术
随着农业精细化发展，农业生产对土壤含水率的检测方式有了更高的要求，传统土壤含水率检测方式如电阻法、电容法(包括时域法、频域法)以及光谱法等方式大部分为点位或取样测量，上述方法一定程度上反映了取样、测量位置土壤含水率的大小，但严格来讲这些点位、取样测量方式反映土壤含水率有一定局限性。其测量结果受采样点位置分布、地势高低、土壤结构特点等因素影响，在实际应用过程中为达到较为精确的测量目的需要很多测量点位，或需要依据不同土壤结构及成分分布进行采样点分布规划。
特别是在一些特殊领域中，如沼泽、湿地地质勘察、特殊地理环境土壤含水率的检测等情景下，点位法、取样法等土壤含水率检测方式存在装置设备安装困难、测量方式不合理的问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低频声波远距离土壤含水率测量系统及方法，以解决现有土壤含水率测量采用点位法、取样法的测量方式具有一定局限性，以及在一些特殊领域存在装置设备安装困难、测量方式不合理的问题。
本发明的技术方案如下：
一种低频声波远距离土壤含水率测量系统，与终端设备连接，其包括：远程控制模块、低频旋笛模块、亥姆霍兹式声波放大模块、远程数据通讯模块与数据处理模块；其中，
所述低频旋笛模块与所述远程控制模块连接，用于发出低频声波信号；
所述远程控制模块分别与所述低频旋笛模块以及所述远程数据通讯模块连接，用于控制所述低频旋笛模块发出低频声波信号，并将所述低频声波信号采集为低频声波数字信号发送至所述远程数据通讯模块；
所述亥姆霍兹式声波放大模块与所述数据处理模块连接并与所述低频旋笛模块相对设置，用于接收所述低频声波信号并对所述低频声波信号进行放大处理后采集输出放大低频声波数字信号至所述数据处理模块；
所述数据处理模块分别与所述亥姆霍兹式声波放大模块以及所述远程数据通讯模块连接，用于根据所述低频声波信号与所述放大低频声波信号得到声学变化量数据；
所述远程数据通讯模块分别与所述数据处理模块以及终端设备连接，用于将所述声学变化量数据发送至终端设备，通过终端设备计算出土壤含水率；其中，所述声学变化量数据包括声速、衰减率和波形形变量。
本发明进一步地设置，所述低频声波远距离土壤含水率测量系统还包括：第一太阳能电源模块与第二太阳能电源模块；其中，
所述第一太阳能电源模块分别与所述远程控制模块以及所述低频旋笛模块连接，用于为所述远程控制模块与所述低频旋笛模块供电；
所述第二太阳能电源模块分别与所述数据处理模块以及所述远程数据通讯模块连接，用于为所述数据处理模块以及所述远程数据通讯模块供电。
本发明进一步地设置，所述远程控制模块包括：第一声波接收采集单元、调节单元与无线通讯单元；其中，
所述第一声波接收采集单元用于将所述低频旋笛模块发出的低频声波信号采集为低频声波数字信号；
所述无线通讯单元与所述第一声波接收采集单元连接，用于将所述低频声波数字信号分别发送至所述远程数据通讯模块与终端设备；
所述调节单元用于调节所述低频声波信号的频率和声强。
本发明进一步地设置，所述低频旋笛模块包括：壳体、驱动电机、发声腔、旋转部件与扩音部件；
所述旋转部件设置在所述壳体内，用于通过切割空气产生声波；
所述驱动电机设置在所述壳体上，并与所述发声腔连接，用于控制所述发声腔发出不同频率、不同强度的声波；
所述扩音部件与所述发声腔连通，用于将声波进行扩音传导。
本发明进一步地设置，所述亥姆霍兹式声波放大模块包括：亥姆霍兹式声波放大器和第二声波接收采集单元；其中，
所述亥姆霍兹式声波放大器与所述第二声波接收采集单元连接，用于将所述低频声波信号进行放大并输出放大低频声波信号至所述第二声波接收采集单元；
所述第二声波接收采集单元与所述数据处理模块连接，用于接收所述放大低频声波信号并采集为放大低频声波数字信号输出至所述数据处理模块。
本发明进一步地设置，所述亥姆霍兹式声波放大器为具有管状开口的空腔腔体结构，与所述第二声波接收采集单元连接后形成空腔结构；其中，所述空腔腔体结构的体积的大小、所述管状开口的长度与所述放大低频声波信号的频率呈负相关关系，所述管状开口的大小与所述放大低频声波信号的频率呈正相关关系。
本发明进一步地设置，所述空腔结构中填充有耦合介质；所述空腔腔体结构的管状开口处设置有用于将所述耦合介质与外界隔离的网状透声布。
本发明进一步地设置，所述数据处理模块包括：滤波降噪处理单元、过零检测单元、幅值检测单元以及存储及输入输出单元；其中，
所述滤波降噪处理单元对所述数字信号进行低频及高频滤波处理；
所述过零检测单元对所述数字信号进行相位特征的提取和保存；
所述幅值检测单元对所述数字信号进行幅值特征的提取和保存；
所述处理单元用于根据所述相位特征与所述幅值特征得到所述声学变化量数据；
所述存储及输入输出单元用于对所述声学变化量数据进行存储并输出至所述远程数据通讯模块。
本发明进一步地设置，所述第一太阳能电源模块包括：第一光伏电板与第一蓄电池；其中，
所述第一光伏电板与所述第一蓄电池连接，用于将太阳能转换为电能；
所述第一蓄电池用于对电能进行存储，并分别与所述远程控制模块以及所述低频旋笛模块连接，用于为所述远程控制模块与所述低频旋笛模块供电；
所述第二太阳能电源模块包括：第二光伏电板与第二蓄电池；其中，
所述第二光伏电板与所述第二蓄电池连接，用于将太阳能转换为电能；
所述第二蓄电池用于对电能进行存储，并分别与所述数据处理模块以及所述远程数据通讯模块连接，用于为所述数据处理模块以及所述远程数据通讯模块供电。
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种应用于上述所述的低频声波远距离土壤含水率测量系统的低频声波远距离土壤含水率测量方法，其包括：
远程控制模块根据终端设备的信号指令控制低频旋笛模块发出一定频率和声强的低频声波信号；
远程控制模块接收所述低频声波信号并采集发送低频声波数字信号至远程数据通讯模块并经所述远程数据通讯模块传输至数据处理模块；
亥姆霍兹式声波放大模块接收穿过测试土壤的所述低频声波信号得到放大低频声波信号并采集输出放大低频声波数字信号至所述数据处理模块；
数据处理模块根据所述低频声波数字信号与所述放大低频声波数字信号得到声学变化量数据；
根据所述声学变化量数据得到出土壤含水率。
综上所述，本发明提供的一种低频声波远距离土壤含水率测量系统及方法，低频声波远距离土壤含水率测量系统与终端设备连接，其包括：远程控制模块、低频旋笛模块、亥姆霍兹式声波放大模块、远程数据通讯模块与数据处理模块。其中，远程控制模块根据终端设备的信号指令控制低频旋笛模块发出一定频率和声强的低频声波信号，远程控制模块接收所述低频声波信号并采集为低频声波数字信号发送至远程数据通讯模块并经所述远程数据通讯模块传输至数据处理模块，同时亥姆霍兹式声波放大模块接收穿过测试土壤的所述低频声波信号得到放大低频声波信号并采集输出放大低频声波数字信号至所述数据处理模块，数据处理模块根据所述低频声波数字信号与所述放大低频声波数字信号得到声学变化量数据至终端设备，终端设备根据所述声学变化量数据得到出土壤含水率。本发明通过低频旋笛模块发出大强度的低频声波信号，并通过亥姆霍兹式声波放大模块对经过土壤传播的低频声波信号进行放大接收，达到远距离测量土壤含水量的目的，不仅测量精度高，且方便安装，避免了测量方式不合理的问题。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明中低频声波远距离土壤含水率测量系统的结构示意图。
图2是本发明中低频声波远距离土壤含水率测量方法的流程示意图。
附图中各标记：1、远程控制模块；2、低频旋笛模块；21、壳体；22、旋转部件；23、扩音部件；3、亥姆霍兹式声波放大模块；31、亥姆霍兹式声波放大器；32、第二声波接收采集单元；4、远程数据通讯模块；5、数据处理模块；6、第一太阳能电源模块；61、第一光伏电板；62、第一蓄电池；7、第二太阳能电源模块；71、第二光伏电板；72、第二蓄电池。
具体实施方式
本发明提供一种低频声波远距离土壤含水率测量系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请同时参阅图1，本发明提供的低频声波远距离土壤含水率测量系统的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供的一种低频声波远距离土壤含水率测量系统，与终端设备连接，其包括：远程控制模块1、低频旋笛模块2、亥姆霍兹式声波放大模块3、远程数据通讯模块4与数据处理模块5。其中，所述低频旋笛模块2与所述远程控制模块1连接，用于发出低频声波信号；所述远程控制模块1分别与所述低频旋笛模块2以及所述远程数据通讯模块4连接，用于控制所述低频旋笛模块2发出低频声波信号，并将所述低频声波信号采集为低频声波数字信号发送至所述远程数据通讯模块4；所述亥姆霍兹式声波放大模块3与所述数据处理模块5连接并与所述低频旋笛模块2相对设置，用于接收所述低频声波信号并对所述低频声波信号进行放大处理后采集输出放大低频声波数字信号至所述数据处理模块5；所述数据处理模块5分别与所述亥姆霍兹式声波放大模块3以及所述远程数据通讯模块4连接，用于根据所述低频声波数字信号与所述放大低频声波数字信号得到声学变化量数据；所述远程数据通讯模块4分别与所述数据处理模块5以及终端设备连接，用于将所述声学变化量数据发送至终端设备，通过终端设备计算出土壤含水率；其中，所述声学变化量数据包括声速、衰减率和波形形变量。
具体地，所述远程控制模块1与所述低频旋笛模块2为测量系统的发射端，所述亥姆霍兹式声波放大模块3、所述远程数据通讯模块4与所述数据处理模块为测量系统的接收端。其中，所述低频旋笛模块2为大功率低频旋笛模块2，所述远程控制模块1可与终端设备进行无线远程控制与数据传输，所述终端设备可以是手机、电脑，所述远程控制模块1可与手机端、电脑端在线通讯，用户可以在手机端或者电脑端在线控制所述远程控制模块1的开关，并对所述远程控制模块1的运行状态进行监控，同时能够将所述低频旋笛模块2发出的低频声波信号发送至手机端、电脑端以及所述远程数据通讯模块4，实现低频声波信号发射端与接收端的所述远程数据通讯模块4的实时网络通信，完成信息交互。另一方面，所述远程控制模块1可实时根据接收到的来自手机端、电脑端的无线信号指令对所述低频旋笛模块2进行控制，同时检测发射端的声波特征，配合声波接收端完成相应土壤含水率测量。所述远程数据通讯模块4则与所述远程控制模块1进行交互，完成对应配合操作及信息传输，实时上传计算后的土壤含水率结果。
所述低频旋笛模块2需经防水处理后埋入待测土壤区域一侧边界的一定深度处，并对所述远程控制模块1做防晒防雨保护处理。使用时，所述远程控制模块1与所述低频旋笛模块2作为测量系统的发声模块，为远距离土壤含水率检测过程提供足够功率的低频声波信号。所述亥姆霍兹式声波放大模块3在做防水处理后，置于一定距离L的待测区域另一侧边界的一定深度土壤中并与所述低频旋笛模块2的发声方向相对设置。
使用时，通过手机端或者电脑端手动启动检测模式，当然，也可通过设定一定时长的自动检测模式进行检测，开始检测时所述远程控制模块1接收到检测指令，所述远程控制模块1与所述远程数据通讯模块4进行自动对时，对两部分时间进行校对，声波信号接收端完成对时处于接收状态。其后由远程的手机端、电脑端控制输出指令至所述远程控制模块1，通过所述远程控制模块1按照既定程序驱动调节装置控制所述低频旋笛模块2进行发声，产生的低频声波信号穿过待测土壤后由所述亥姆霍兹式声波放大模块3进行强度放大采集并转换为电压幅值信号(放大低频声波数字信号)后传输至所述数据处理模块5。与此同时，所述远程控制模块1将所述低频旋笛模块2所发出的低频声波信号传至所述远程数据通讯模块4，进而经所述远程数据通讯模块4传送至所述数据处理模块5，所述低频声波数字信号与所述放大低频声波数字信号经所述数据处理模块5处理后将声速、衰减量、波形变形量传输至所述远程数据通讯模块4，其后经所述远程数据通讯模块4传至电脑端、手机端，输入训练好的模型后计算出结果，最后通过移动数据网络共享至手机或者电脑端。
其中，所述数据处理模块依据接收到的声波信号进行数据处理后得到的数据如下：
1、低频旋笛模块的声波波形信息中，相邻的最大值点坐标Amax(ta1，va1)与最小值点坐标Amin(ti1，vi1)第一次过零点时刻T1，声波幅值V1。
2、声波穿过土壤后经亥姆霍兹式声波放大模块放大接收到的声波波形信息中相邻最大值点坐标Bmax(ta2，va2)与最小值点坐标Bmin(ti2，vi2)第一次过零点时刻T2，声波幅值V2。
据以上测得数据及低频旋笛模块与亥姆霍兹式声波放大模块之间的距离L，可计算衰减率λ、声速υ、波形形变量μ，公式如下：
λ＝V2-V1
v＝L/(T2-T1)
μ＝(v_a1-v_i1)/|t_a1-t_i1|-(v_a2-v_i2)/|t_a2-t_i2|
所述远程数据通讯模块将关键数据传送至电脑、手机，依据训练好的模型得出土壤含水率，完成一定距离的空间尺度上土壤含水率的结果计算。
其中，预测模型的构建过程为：对国际制土壤质地分类法下的12类土壤物理组构(S1,S2,…S12)和b类有机质含量(C1,C2,…Cb)的土壤样品进行数据采集，构建试验台记录该十二类土壤搭配b种有机质含量下，含水率改变的过程中，不同含水率(P1,P2…Pn)对应测得的(λ1，λ2…λn)、(υ1，υ2…υn)、(μ1，μ2…μ3)。为保证数据集的合理性n取值远大于100*12*b。构建衰减率λ、声速υ、波形形变量μ三个特征量和含水率P、物理组构S、有机质含量C的数据集，分出训练集、验证集，采用多种预测模型进行训练，根据预测模型预测效果选用最优预测模型作为最终模型。
可见，本发明通过低频旋笛模块发出大强度的低频声波信号，并通过亥姆霍兹式声波放大模块对经过土壤传播的低频声波信号进行放大接收，依据不同的物理组构、有机质含量的土壤在不同含水率状态下声波信号的衰减、波形形变量、声速大小，用预测算法进行学习、训练，其后依据训练后的不同土壤结构下含水率模型，完成对远距离、复杂环境下土壤含水率的评估与检测，实现了远距离测量土壤含水量的目的，不仅测量精度高，还提升了实际土壤含水率大小的评估能力，且方便安装、实用安全，避免了测量方式不合理的问题，适于大范围应用。
请继续参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述低频声波远距离土壤含水率测量系统还包括：第一太阳能电源模块6与第二太阳能电源模块7；其中，所述第一太阳能电源模块6分别与所述远程控制模块1以及所述低频旋笛模块2连接，用于为所述远程控制模块1与所述低频旋笛模块2供电；所述第二太阳能电源模块7分别与所述数据处理模块5以及所述远程数据通讯模块4连接，用于为所述数据处理模块5以及所述远程数据通讯模块4供电。
具体地，所述第一太阳能电源模块6包括：第一光伏电板61与第一蓄电池62；其中，所述第一光伏电板61与所述第一蓄电池62连接，用于将太阳能转换为电能；所述第一蓄电池62用于对电能进行存储，并分别与所述远程控制模块1以及所述低频旋笛模块2连接，用于为所述远程控制模块1与所述低频旋笛模块2供电。所述第二太阳能电源模块7包括：第二光伏电板71与第二蓄电池72；其中，所述第二光伏电板71与所述第二蓄电池72连接，用于将太阳能转换为电能；所述第二蓄电池72用于对电能进行存储，并分别与所述数据处理模块5以及所述远程数据通讯模块4连接，用于为所述数据处理模块5以及所述远程数据通讯模块4供电。
所述第一光伏电板61与所述第一蓄电池62连接，所述第一蓄电池62还与稳压变压电路连接，所述第二光伏电板71与所述第二蓄电池72连接，所述第二蓄电池72还与稳压变压电路连接，集发电与蓄电功能为一体，能够为工作部分提供充足、持续的电力供应，从而能够在野外应用时持续为所述远程控制模块1、所述低频旋笛模块2、所述亥姆霍兹式声波放大模块3、所述数据处理模块5以及所述远程数据通讯模块4提供电能供应，保证整个系统在不同天气状态下的正常使用。
请继续参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述远程控制模块1包括：第一声波接收采集单元、调节单元与无线通讯单元；其中，所述第一声波接收采集单元用于将所述低频旋笛模块2发出的低频声波信号采集为低频声波数字信号；所述无线通讯单元与所述第一声波接收采集单元连接，用于将所述低频声波数字信号分别发送至所述远程数据通讯模块4与终端设备；所述调节单元用于调节所述低频声波信号的频率和声强。
具体地，通过设置所述无线通讯单元用户可在手机端、电脑端在线控制远程控制模块1的开关，监控远程控制模块1的运行状态。所述第一声波接收采集单元可以完成所述低频旋笛模块2发出的低频声波信号的采集，同时可将所述低频旋笛模块2发出的声波信号发送至电脑端、手机端与所述远程数据通传输模块，实现声波发射端与接收端的所述远程数据通讯模块4的实时网络通信，从而实现信息交互。另一方面发声端的所述远程控制模块1可实时根据接收到的来自手机端、电脑端的无线信号指令对大所述低频旋笛模块2进行控制，同时实时监测发射端声波特征，配合声波接收端完成相应土壤含水率的测量。
所述调节单元可以对所述低频旋笛模块2的发声声强、频率等声学量依据不同要求进行调节，所述调节单元的特征为可在较少功耗下提供较大低频声功率的输出，满足远距离检测需求，同时所述调节单元的发声特点受远程控制模块1的调节控制，其启动停止取决于远程控制模块1。所述调节单元发声端附带有与远程控制模块1相连的小型声波接收模块，为数据处理提供发声端原始数据。所述远程控制模块1与远程数据通讯模块4在进行实时通讯时进而传输声学信号测量参数，并可以与手机端，电脑端实时通讯传输数据。除传输发声端实时波形数据外，可向远程数据通讯模块4发送附带有相对时间特征的信号，通过与数据处理模块5的通讯完成声学特征量的测量，同时配合对时措施消除时间误差，精确测量实时声速，进而使关联的土壤含水率信息更精确。
请继续参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述低频旋笛模块2包括：壳体21、驱动电机、发声腔、旋转部件22与扩音部件23；所述旋转部件22设置在所述壳体21内，用于通过切割空气产生声波；所述驱动电机设置在所述壳体21上，并与所述发声腔连接，用于控制所述发声腔发出不同频率、不同强度的声波；所述扩音部件23与所述发声腔连通，用于将声波进行扩音传导。
具体地，所述低频旋笛模块2由高速旋转的旋转部件22切割空气来发声，能够在较低功耗下发出一定频率的较大声功率低频声波用作探测声波并通过所述扩音部件23进行扩音传导。工作过程中通过电源的控制调节旋笛电机的转速，并通过所述驱动电机调节所述发声腔(共振腔)的结构部件以使所述发声腔发出不同声强的声波，为声波检测提供多样的、强有力的声源。
需要说明的是，在上述实施例中，所述低频旋笛模块2为电动低频旋笛模块，但还可以是其他的低频旋笛模块。
请继续参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述亥姆霍兹式声波放大模块3包括：亥姆霍兹式声波放大器31和第二声波接收采集单元32；其中，所述亥姆霍兹式声波放大器31与所述第二声波接收采集单元32连接，用于将所述低频声波信号进行放大并采集输出放大低频声波信号至所述第二声波接收采集单元32；所述第二声波接收采集单元32与所述数据处理模块5连接，用于接收所述放大低频声波信号采集并输出放大低频声波数字信号至所述数据处理模块5。
具体地，所述亥姆霍兹式声波放大器31与所述低频旋笛模块2的发声方向相对设置，所述亥姆霍兹式声波放大器31将所述低频声波信号进行放大并输出放大低频声波信号至所述第二声波接收采集单元32，经所述第二声波接收采集单元32接收转换为电压幅值信号，并发送至所述数据处理模块5。
其中，所述亥姆霍兹式声波放大器31为具有管状开口的空腔腔体结构，与所述第二声波接收采集单元32连接后形成空腔结构；其中，所述空腔腔体结构的体积的大小、所述管状开口的长度与所述放大低频声波信号的频率呈负相关关系，所述管状开口的大小与所述放大低频声波信号的频率呈正相关关系，所述方法低频声波信号的频率f可用以下公式表示：
其中，C表示介质中的声速(空气中为340m/s)，S表示管状开口的截面积，L表示管状开口的有效长度，V表示空腔腔体结构的体积。
在一种实现方式中，所述亥姆霍兹式声波放大器31为一定尺寸圆管状开口的球形腔体结构，所述亥姆霍兹式声波放大器31的空腔腔体体积与圆管状开口的大小决定了能够放大的对应频率的大小。
需要说明的是，所述亥姆霍兹式声波放大器31的圆管状部分的尺寸可长可短，短至极限也可为空腔腔体结构的一圆形开口，截面可以是方形、渐变状等其他结构。空腔腔体部分也可以为立方腔体、柱腔体、锥腔体等多样空腔结构均可。其中，空腔提及参数与圆管状截面大小参数以及长度参数根据实际所需频率进行设计。
在一些实施例中，所述亥姆霍兹式声波放大器31的圆管状开口正后方设置有与所述第二声波接收采集单元32适配的安装孔，所述亥姆霍兹式声波放大器31通过所述安装孔与所述第二声波接收采集单元32组装为一体，形成密封的空腔结构。
在一个实施例的进一步地实施例中，所述空腔结构中填充有耦合介质；所述空腔腔体结构的管状开口处设置有用于将所述耦合介质与外界隔离的网状透声布。
具体地，所述亥姆霍兹式声波放大器31与所述第二声波接收采集单元32形成的空腔结构中填充有无腐蚀作用的耦合介质，该耦合介质可以有效地传导声波，降低软硬介质面的影响，工作时所述亥姆霍兹式声波放大器31前端的圆管状开口处设置有网状透声布将空腔结构内的耦合介质与外界隔离开来。同时，因网状透声布具有良好的透声功能，对土壤声波的传播影响很小，同时耦合介质存在大大提升了所述第二声波接收采集单元32对土壤声波的接收能力。
其中，所述第二声波接收采集单元32能够匹配50-400赫兹频域敏感的一系列亥姆霍兹式声波放大器31，使用过程中不同土壤特点和测量距离使用对应的不同结构，能够对对应频段声波进行放大从而达到对远距离低频声波进行检测的目的。该系列亥姆霍兹声波放大器匹配不同类型土壤结构及不同距离的检测情形，不同土壤特点配以不同频段的亥姆霍兹式声波放大器31以达到最优、最匹配的检测结果。
在一些实施例中，所述第二声波接收采集单元32包括声波接收器、前置放大器、数模转换电路及信号传输线，该实例由电容式声波接收器附加前置放大器以及数模转换电路构成声波接收采集单元，鉴于声源为大功率低频旋笛模块2，同时配有亥姆霍兹式声波放大模块3，本发明对声波接受单元所用声波接收器类型要求不高，普通的收器均可满足使用要求。需要说明的是，所述第一声波接收采集单元的结构与所述第二声波接收采集单元32的结构一致，因而在此不再赘述。
请继续参阅图1，在一个实施例的进一步地实施方式中，所述数据处理模块5包括：滤波降噪处理单元、过零检测单元、幅值检测单元以及存储及输入输出单元；其中，所述滤波降噪处理单元对数字信号进行低频及高频滤波处理；所述数字信号包括：低频声波数字信号与放大低频声波数字信号；所述过零检测单元对所述数字信号进行相位特征的提取和保存；所述幅值检测单元对所述数字信号进行幅值特征的提取和保存；所述处理单元用于根据所述相位特征与所述幅值特征得到所述声学变化量数据；所述存储及输入输出单元用于对所述声学变化量数据进行存储并输出至所述远程数据通讯模块4。
具体地，所述数据处理模块5在工作时能够适配系统其它模块的工作特性，基于系统低频特点以及低频声波在土壤中的传输特点，对所述第二声波接收采集单元的信号进行滤波、降噪处理，检测并记录下第一次过零点时刻、幅值、相邻极大极小值点坐标值，同时也将所述远程控制模块1发送给所述远程数据通讯模块4的低频声波数字信号进行处理，得到对应数据，进而进行声速、波形变化量、衰减率的计算，其中声速通过对时之后声学信号接收的时差计算得到，其后将数据在线传输至电脑、手机端，将上述声学变化量经过训练优化过的声波参数-土壤含水率模型，经过模型计算出最终得到的土壤含水率。
请继续参阅图1，在一些实施例中，所述远程数据通讯模块4包括输入输出单元、编码单元、解码单元与无线信号传输单元，能够联网进行信息交流，与所述远程控制模块1进行交互，完成对应的配合操作及信息传输，实时上传模型计算后的土壤含水率结果。
请参阅图2，在一些实施例中，本发明还提供了一种应用于上述所述的低频声波远距离土壤含水率测量系统的低频声波远距离土壤含水率测量方法，其包括步骤：
S100、远程控制模块根据终端设备的信号指令控制低频旋笛模块发出一定频率和声强的低频声波信号；具体如一种低频声波远距离土壤含水率测量系统的实施例所述，在此不再赘述。
S200、远程控制模块接收所述低频声波信号并采集发送低频声波数字信号至远程数据通讯模块并经所述远程数据通讯模块传输至数据处理模块；具体如一种低频声波远距离土壤含水率测量系统的实施例所述，在此不再赘述。
S300、亥姆霍兹式声波放大模块接收穿过测试土壤的所述低频声波信号得到放大低频声波信号并采集输出放大低频声波数字信号至所述数据处理模块；具体如一种低频声波远距离土壤含水率测量系统的实施例所述，在此不再赘述。
S400、数据处理模块根据所述低频声波数字信号与所述放大低频声波数字信号得到声学变化量数据；具体如一种低频声波远距离土壤含水率测量系统的实施例所述，在此不再赘述。
S500、根据所述声学变化量数据得出土壤含水率。具体如一种低频声波远距离土壤含水率测量系统的实施例所述，在此不再赘述。
综上所述，本发明所提供的基于低频旋笛和亥姆霍兹共振结构的土壤含水率测量系统及方法，具有以下有益效果：
通过低频旋笛模块发出大强度的低频声波信号，并通过亥姆霍兹式声波放大模块对经过土壤传播的低频声波信号进行放大接收，依据不同的物理组构、有机质含量的土壤在不同含水率状态下声波信号的衰减、波形形变量、声速大小，用预测算法进行学习、训练，其后依据训练后的不同土壤结构下含水率模型，完成对远距离、复杂环境下土壤含水率的评估与检测，实现了远距离测量土壤含水量的目的，不仅测量精度高，还提升了实际土壤含水率大小的评估能力，且方便安装、实用安全，避免了测量方式不合理的问题，适于大范围应用。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种低频声波远距离土壤含水率测量系统，与终端设备连接，其特征在于，包括：远程控制模块、低频旋笛模块、亥姆霍兹式声波放大模块、远程数据通讯模块与数据处理模块；其中，
所述低频旋笛模块与所述远程控制模块连接，用于发出低频声波信号；
所述远程控制模块分别与所述低频旋笛模块以及所述远程数据通讯模块连接，用于控制所述低频旋笛模块发出低频声波信号，并将所述低频声波信号采集为低频声波数字信号发送至所述远程数据通讯模块；
所述亥姆霍兹式声波放大模块与所述数据处理模块连接并与所述低频旋笛模块相对设置，用于接收所述低频声波信号并对所述低频声波信号进行放大处理后采集输出放大低频声波数字信号至所述数据处理模块；
所述数据处理模块分别与所述亥姆霍兹式声波放大模块以及所述远程数据通讯模块连接，用于根据所述低频声波数字信号与所述放大低频声波数字信号得到声学变化量数据；
所述远程数据通讯模块分别与所述数据处理模块以及终端设备连接，用于将所述声学变化量数据发送至终端设备，通过终端设备计算出土壤含水率；其中，所述声学变化量数据包括声速、衰减率和波形形变量；
其中，所述远程控制模块与所述低频旋笛模块为测量系统的发射端，所述亥姆霍兹式声波放大模块、所述远程数据通讯模块与所述数据处理模块为测量系统的接收端；开始检测时所述远程控制模块接收到检测指令，与所述远程数据通讯模块进行自动对时，对两部分时间进行校对，声波信号接收端完成对时处于接收状态；
所述低频旋笛模块包括：壳体、驱动电机、发声腔、旋转部件与扩音部件；
所述旋转部件设置在所述壳体内，用于通过切割空气产生声波；
所述驱动电机设置在所述壳体上，并与所述发声腔连接，用于控制所述发声腔发出不同频率、不同强度的声波；
所述扩音部件与所述发声腔连通，用于将声波进行扩音传导；
所述亥姆霍兹式声波放大模块包括：亥姆霍兹式声波放大器和第二声波接收采集单元；其中，
所述亥姆霍兹式声波放大器与所述第二声波接收采集单元连接，用于将所述低频声波信号进行放大并输出放大低频声波信号至所述第二声波接收采集单元；
所述第二声波接收采集单元与所述数据处理模块连接，用于接收所述放大低频声波信号并采集为放大低频声波数字信号输出至所述数据处理模块。
2.根据权利要求1所述的低频声波远距离土壤含水率测量系统，其特征在于，还包括：第一太阳能电源模块与第二太阳能电源模块；其中，
所述第一太阳能电源模块分别与所述远程控制模块以及所述低频旋笛模块连接，用于为所述远程控制模块与所述低频旋笛模块供电；
所述第二太阳能电源模块分别与所述数据处理模块以及所述远程数据通讯模块连接，用于为所述数据处理模块以及所述远程数据通讯模块供电。
3.根据权利要求1所述的低频声波远距离土壤含水率测量系统，其特征在于，所述远程控制模块包括：第一声波接收采集单元、调节单元与无线通讯单元；其中，
所述第一声波接收采集单元用于将所述低频旋笛模块发出的低频声波信号采集为低频声波数字信号；
所述无线通讯单元与所述第一声波接收采集单元连接，用于将所述低频声波数字信号分别发送至所述远程数据通讯模块与终端设备；
所述调节单元用于调节所述低频声波信号的频率和声强。
4.根据权利要求1所述的低频声波远距离土壤含水率测量系统，其特征在于，所述亥姆霍兹式声波放大器为具有管状开口的空腔腔体结构，与所述第二声波接收采集单元连接后形成空腔结构；其中，所述空腔腔体结构的体积的大小、所述管状开口的长度与所述放大低频声波信号的频率呈负相关关系，所述管状开口的大小与所述放大低频声波信号的频率呈正相关关系。
5.根据权利要求4所述的低频声波远距离土壤含水率测量系统，其特征在于，所述空腔结构中填充有耦合介质；所述空腔腔体结构的管状开口处设置有用于将所述耦合介质与外界隔离的网状透声布。
6.根据权利要求1所述的低频声波远距离土壤含水率测量系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：滤波降噪处理单元、过零检测单元、幅值检测单元以及存储及输入输出单元；其中，
所述滤波降噪处理单元对数字信号进行低频及高频滤波处理；其中，所述数字信号包括：低频声波数字信号与放大低频声波数字信号；
所述过零检测单元对数字信号进行相位特征的提取和保存；
所述幅值检测单元对数字信号进行幅值特征的提取和保存；
所述处理单元用于根据所述相位特征与所述幅值特征得到所述声学变化量数据；
所述存储及输入输出单元用于对所述声学变化量数据进行存储并输出至所述远程数据通讯模块。
7.根据权利要求2所述的低频声波远距离土壤含水率测量系统，其特征在于，所述第一太阳能电源模块包括：第一光伏电板与第一蓄电池；其中，
所述第一光伏电板与所述第一蓄电池连接，用于将太阳能转换为电能；
所述第一蓄电池用于对电能进行存储，并分别与所述远程控制模块以及所述低频旋笛模块连接，用于为所述远程控制模块与所述低频旋笛模块供电；
所述第二太阳能电源模块包括：第二光伏电板与第二蓄电池；其中，
所述第二光伏电板与所述第二蓄电池连接，用于将太阳能转换为电能；
所述第二蓄电池用于对电能进行存储，并分别与所述数据处理模块以及所述远程数据通讯模块连接，用于为所述数据处理模块以及所述远程数据通讯模块供电。
8.一种应用于权利要求1-7任一项的低频声波远距离土壤含水率测量系统的低频声波远距离土壤含水率测量方法，其特征在于，包括：
远程控制模块根据终端设备的信号指令控制低频旋笛模块发出一定频率和声强的低频声波信号；
远程控制模块接收所述低频声波信号并采集发送低频声波数字信号至远程数据通讯模块并经所述远程数据通讯模块传输至数据处理模块；
亥姆霍兹式声波放大模块接收穿过测试土壤的所述低频声波信号得到放大低频声波信号并采集输出放大低频声波数字信号至所述数据处理模块；
数据处理模块根据所述低频声波数字信号与所述放大低频声波数字信号得到声学变化量数据；
根据所述声学变化量数据得出土壤含水率。
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