CN205844237U - 一种基于差分相干解调的土壤水分感知电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于差分相干解调的土壤水分感知电路，包括：乘法器和低通滤波器；土壤水分感知电路采用差分相干解调的实现方法来提取高频信号中包含土壤水分信息的相位差；乘法器与低通滤波器连接，用于对接收的同相参考信号和土壤水分感知信号进行相乘，经过低通滤波器后得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信号，同时对接收的正交参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，经过低通滤波器后得到土壤水分信息的相位差的正弦信号。本实用新型通过对经探针回传的高频信号的处理得到与土壤水分相关的相位差信号，从而再经显示电路中单片机运算得到水分值。电路易实现，成本较低，测量精度高，同时测量值稳定，便于大力推广。

Description

一种基于差分相干解调的土壤水分感知电路

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及一种基于差分相干解调的水分感知电路。

背景技术

目前国内外土壤水分测量主流技术是：时域反射(Time Domain Reflectrometry，简称TDR)法、驻波率(Standing Wave Ratio，简称SWR)法、频域分解(Frequency DomainDecomposition，简称FD)法及时域传输(Time Domain Transmissometry，简称TDT)法。

基于TDR原理的土壤水分传感器是目前土壤水分测量方法中普遍接受且应用最广的仪器测量方法。测量精度高，响应速度快，测量范围宽，一般不需要标定，操作简便，野外和室内都可使用，TDR测量结果受土壤盐度影响很小，在测量高有机质含量土壤、高粘土、矿物含量土壤、容重特别高或特别低的土壤时，需要标定。TDR最大的缺点是电路复杂、成本高，由于缺乏高精度、快速、集成度高的芯片，因此在硬件电路的实现上存在较大地困难。

TDT法工作原理与TDR相比虽然都是通过测量电磁波在土壤介质中传播的时间差测量土壤介电常数，但原理上却有很大不同。其一高频电磁波不同，TDR选用的是高频脉冲，信号源中含有极丰富的谐波，各谐波在传输过程中幅度和相位都会发生不同程度的变化而导致波形畸变，通过比较反射回来的信号上升沿畸变来确定土壤含水量信息。而TDT信号源却是单一频率的正弦波，不是通过探针终端开路引起反射，而是通过信号完整的回路提取包含在相位变化中的土壤水分值，因此可以通过分析其相位信息既可以确定土壤含水量信息。其二不同的是TDR探头末端是开路的，信号因末端阻抗不匹配发生反射，而TDT的探头是封闭的回路，信号不反射，由于从理论上消除了探针末端阻抗不匹配而引起的信号多次反射、入射波与反射波互相干扰、信号衰耗等诸多影响测量精度、稳定度的因素，因此在对土壤水分信息微小变化的检测与提取具有高精度、高可靠性、高灵敏度以及高稳定性。TDT的优点是时间测量电路可以不依赖进口芯片也可以实现，设备成本低，测量精度和技术性能与TDR相当。缺点是探头无法做成末端开路的针式结构，必须埋入土壤中测量，只能做固定监测使用，而且埋入时对土壤扰动较大，破坏原状土壤的结构，也无法通过与探头连接的电路直接测量土壤水分。

实用新型内容

由于现有的土壤水分测量方法无法同时满足测量电路容易实现，成本低，测量精度高，测量值稳定及即插即用的问题，本实用新型提出一种基于差分相干解调的水分感知电路。

本实用新型提出一种基于差分相干解调的土壤水分感知电路，包括：乘法器、低通滤波器及可变增益仪表放大器；

土壤水分感知电路采用差分相干解调的方法来提取高频信号中包含土壤水分信息的相位差；

所述乘法器与所述低通滤波器连接，用于对接收的同相参考信号和土壤水分感知信号进行相乘，经过所述低通滤波器后得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信号，同时对接收的所述正交参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，经过所述低通滤波器后得到土壤水分信息的相位差的正弦信号。

优选地，还包括：可变增益仪表放大器；

所述可变增益仪表放大器与所述低通滤波器连接，用于对接收的信号进行功率放大处理。

优选地，还包括：显示器；

所述显示器与所述可变增益仪表放大器连接，用于完成模数转换、两路信号除法运算、相位差与水分含量值的转换、存储、显示及通讯等功能。

优选地，所述乘法器与土壤探针连接，所述土壤探针接收高频信号并经所述土壤探针小板上的水分感知信号线路传输，以感知土壤水分信息，再将土壤探针回传回来的所述土壤水分感知信号送至所述乘法器。

优选地，所述乘法器与相移器连接，所述相移器对同相参考信号进行90度相移处理作为正交参考信号，并将所述正交参考信号发送至所述乘法器。

优选地，所述乘法器采用AD834型号。

优选地，所述放大器采用AD623型号。

由上述技术方案可知，本实用新型通过乘法器和低通滤波器对信号进行处理得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信号和正弦信号，电路容易实现，成本低，测量精度高，同时测量值稳定，便于大力推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本实用新型一实施例提供的一种基于差分相干解调的水分感知电路的结构示意图；

图2为本实用新型另一实施例提供的一种基于差分相干解调的水分感知电路的结构示意图；

图3为本实用新型一实施例提供的一种基于差分相干解调的水分感知电路电路图；

图4为本实用新型一实施例提供的一种水分感知电路的上支路电压与水含量关系曲线图；

图5为本实用新型一实施例提供的一种水分感知电路的上支路相位差与水含量关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

图1示出了本实用新型一实施例提供的一种基于差分相干解调的水分感知电路的结构示意图，包括：乘法器11和低通滤波器12；

水分感知电路采用差分相干解调的方法来提取高频信号中包含土壤水分信息的相位差；

所述乘法器11与所述低通滤波器12连接，用于对接收的同相参考信号和土壤水分感知信号进行相乘，经过所述低通滤波器后滤出二次谐波分量得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信号，同时对接收的所述正交参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，经过所述低通滤波器后滤出二次谐波分量得到土壤水分信息的相位差的正弦信号。

本实用新型通过乘法器和低通滤波器对包含在高频信号相位中中的相位差信号进行差分相干解调，再通过数字显示电路中单片机的运算处理便可得到土壤水分值。电路容易实现，成本低，测量精度高，同时测量值稳定，便于大力推广

可选地，如图2所示，还包括：可变增益仪表放大器55；

所述可变增益仪表放大器与所述低通滤波器连接，用于对接收的信号进行功率放大处理。

通过可变增益仪表放大器对处理后的信号进行放大处理，能够便于后续处理和显示。

进一步地，还包括：显示器56；

所述显示器与所述可变增益仪表放大器连接，用于完成模数转换、两路信号除法运算、相位差与水分含量值的转换、存储、显示及通讯等功能。

通过显示器直观获取土壤水分值。

具体地，所述乘法器521与土壤探针54连接，所述土壤探针54接收高频信号并经所述土壤探针小板上的水分感知信号线路传输，以感知土壤水分信息，再将土壤探针54回传回来的所述土壤水分感知信号送至所述乘法器521。

进一步地，所述乘法器521与相移器53连接，所述相移器53对高频信号进行90度相移处理作为正交参考信号，并将所述正交参考信号发送至所述乘法器521。

具体地，所述乘法器采用AD834型号，所述放大器采用AD623型号。

实际电路的乘法器采用AD834型号，200MHz载波信号从引脚8输入，经过土壤探针的高频信号从引脚1输入。电源采用经过稳压后的双电源±5V。AD834输入端信号失真小于-60dB，相位误差典型值为0.05度。AD623是一款低噪声可变增益仪表放大器，工作于双电源±5V，功耗≤2mV。采用AD623是为了将水分感知电路提取的土壤水含量信息微弱信号放大供后面的仪表进行模数转换、显示等用。

为了更进一步说明本实施例提供的基于差分相干解调的水分感知电路，以下对土壤水分测量原理进行描述，对应的电路图如图3所示。

土壤水分测量的依据是电磁波沿探针传播的速度与探针周围土壤的介电常数的平方根成反比，因此可以根据电磁波传播的速度来测量土壤的介电常数。Topp依此方法测得了土壤中气—固—液混合物的介电常数ε，进而利用数值回归分析方法找出了不同类型土壤的含水量与介电常数之间的经验公式：

W＝-5.3×10^-2+2.92*10^-2ε-5.5×10^-4ε²+4.3×10^-6ε³ (1)

其中W为土壤体积含水量，ε为土壤表观介电常数。由于探针周围的介质是土壤和水的混合物，其介电常数介于空气和水之间(空气中介电常数为1，水中接近80)，如果土壤是完全干燥的，那么ε将会是2到4，如果土壤体积的25％是水，那么ε将近11～12。对农业土壤来说，ε的大小主要取决于土壤的体积含水量。由信号源产生一个高频正弦波信号其中A为高频信号的幅度,ω_c为角频率,为初相，三个参量均为常量，为了简单起见也可以假设初始相位从土壤探针A端输入，探针插入待测土壤，探针末端不是开路的，高频电磁波沿探针回路到探针B端输出。假设探针物理长度为L，则高频电磁波在探针中的路径长度为2L，传输时间为Δt。因此，电磁波在B点的相位比A点增加了一个相位延时幅度衰减为B，此时B点的高频信号为：

高频电磁波在探针中的传播时间为:

$t_{\mathrm{\Δ}}=\frac{2L}{v}=\frac{2L\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}{c}---\left(3\right)$

其中v为电磁波在土壤中传播的速度，c为电磁波在真空中传播的速度(3×10⁸m/s)，ε为土壤混合物的表观介电常数。

由Topp公式知道土壤的介电常数与含水量有关，因此可以表示为含水量的函数，即带入式(2)得到：

由式(5)可以看出在B点处的高频信号由于相位中包含土壤水分信息。参照通信技术的相位调制，式(5)可看出高频信号u_A(t)经过土壤中的探针后水分信息被加载到了高频信号的相位上了，因此通过提取相位差可以获取土壤水分信息。

采用差分相位解调的方法，即u_B(t)与其相同频率的载波(此处就是信号源产生的高频信号u_A(t)相乘：

经过低通滤波器得到：

其中，k为幅度衰减系数，对确定的水含量k是常量，因此通过测量低通滤波器输出便能求出是直流信号，从而得到水分值。

为了测量本实施例提供的基于差分相干调解的水分感知电路的测量精度，以下通过实验进行验证：

高频电磁波在土壤探针的时间差：ε是相对介电常数，在空气中是1，在水中是80。L是探针长度120cm。当探针放在水里传输时间会因为介电常数变大而延长。

实验过程：

将探针插入满刻度500ml的烧杯里并且固定不动，逐渐往烧杯加水，第一次50ml，以后每次增加10ml，由于探针在水里的长度逐渐增加，高频信号传输时间也逐渐增加，即高频信号的相位差逐渐变大，每次加水10ml，测量电路中的放大器AD623第6管脚输出电压如表1。

表1 放大器AD623第6管脚输出电压

数据处理：

上支路输出由于这个电压值包含幅度衰减，所以计算其相位值需要首先归一化处理，即电压值除于最大值1054，使电压值在-1～1之间。然后对归一化进行反余弦运算，在计算相位值时要注意其相位连续性，因此在π之后的相位计算式应该是

数据处理结果如图4和5所示，分别为上支路电压与水含量关系曲线图和上支路相位差与水含量关系曲线图。

测量结果分析：

将上面数据处理相位与水含量关系曲线进行拟合，得到拟合函数：

y＝3E-08x⁶-4E-06x⁵+0.0001x⁴-0.0023x³+0.0165x²-0.0455x+1.8981

其中，y是相位差，x是含水量。该拟合曲线将作为今后相位差与水含量的关系曲线，测量时根据测量电压来反演水含量值。

将测量值与拟合曲线计算

相关系数R：

其中，n是用于回归分析的测量样点数；x_i是在第i个样点测得的土含水量；是所有样点测量值的平均；y_i是根据回归方程由在第i个样点测得的信号相位差计算得到的水含量预测值；是所有样点预测值的平均。

$\stackrel{\‾}{x}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i,\stackrel{\‾}{y}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{y}_i$

相关系数R(有时也用R²代替)反映了回归方程与测量数据之间的相关性，R²的值越接近1，说明回归方程与测量数据之间的相关性越好。R²无量纲，其取值范围在0～1之间。

均方根误差RMSE：

$RMSE=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(x_i-y_i)}^2}$

计算得R²＝0.9948，RMSE＝0.011，说明测量精度达到了期望值。

本实用新型的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

Claims (7)

1.一种基于差分相干解调的土壤水分感知电路，其特征在于，包括：乘法器和低通滤波器；

土壤水分感知电路采用差分相干解调的方法来提取高频信号中包含土壤水分信息的相位差；

所述乘法器与所述低通滤波器连接，用于对接收的同相参考信号和土壤水分感知信号进行相乘，经过所述低通滤波器后滤出二次谐波得到包含土壤水分信息的相位差的余弦信号，同时对接收的正交参考信号和所述土壤水分感知信号进行相乘，经过所述低通滤波器后滤出二次谐波得到土壤水分信息的相位差的正弦信号。

2.根据权利要求1所述的水分感知电路，其特征在于，还包括：可变增益仪表放大器；

所述可变增益仪表放大器与所述低通滤波器连接，用于对接收的信号进行功率放大处理。

3.根据权利要求2所述的水分感知电路，其特征在于，还包括：显示器；

所述显示器与所述可变增益仪表放大器连接，用于完成模数转换、两路信号除法运算、相位差与水分含量值的转换、存储、显示及通讯功能。

4.根据权利要求3所述的水分感知电路，其特征在于，所述乘法器与土壤探针连接，所述土壤探针接收高频信号并经所述土壤探针小板上的水分感知信号线路传输，以感知土壤水分信息，再将土壤探针回传回来的所述土壤水分感知信号送至所述乘法器。

5.根据权利要求4所述的水分感知电路，其特征在于，所述乘法器与相移器连接，所述相移器对同相参考信号进行90度相移处理作为正交参考信号，并将所述正交参考信号发送至所述乘法器。

6.根据权利要求5所述的水分感知电路，其特征在于，所述乘法器采用AD834型号。

7.根据权利要求6所述的水分感知电路，其特征在于，所述放大器采用AD623型号。