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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften
des Erdreichs, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes, sowie von
Höhen von
Schnee- und Eisbedeckungen.
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Die
genaue und großflächige Bestimmung von
Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes
ist wichtig zur Abschätzung und
Verwaltung der Wasserressourcen zum Beispiel für die Land- und Forstwirtschaft. Nur mit dieser Kenntnis
kann zum Beispiel eine großflächige angepasste
Bewässerung
und Erntevorhersage gelingen.
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Die
Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes
spielen auch eine wichtige Rolle bei öffentlichen Bauvorhaben zum
Beispiel Straßenbau,
wo der Untergrund nicht zu feucht sein darf.
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Auch
für die
meteorologische Vorhersage spielt die von der Bodenfeuchtigkeit
abhängige
aufsteigende Wasserdampfmenge eine nicht unerhebliche Rolle.
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Unter
Feuchtigkeit soll in der vorliegenden Erfindung jeder Art von Wasser
verstanden werden. Unter Feuchtigkeit fällt also neben Wasser auch Schnee
und Eis, ggf. auch als Bedeckung des Erdreichs.
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Die
Bestimmung der Schnee- und Eismenge ist wichtig für die Lawinenvorhersage
und zur Warnung vor Hochwasser während
der Frühlingsschmelze
sowie für
die Vorhersage des Füllstandes
von mit Schmelzwasser gefüllten
Wasserreservoirs.
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Aus
der
WO 96/22522 A1 ist
ein Feuchtesensor für
ausgedehnte Schichten bekannt, der aus jeweils mindestens einem
hochfrequenten elektrischen Signalgenerator, einem Signallaufzeitmessgerät, einem
Reflektometer und einem Leitungssystem aus mindestens zwei sich
kreuzenden einander nicht berührenden
unabhängigen
Leitungen besteht. Dieser Feuchtesensor ist jedoch nachteilig, da
er zum Betrieb in das Erdreich eingebracht werden muss, was teuer
und aufwändig
sowie mechanisch kompliziert ist, insbesondere wenn es sich um Schneefelder
handelt. Ferner ist der Sensor in seiner Länge, d. h. in der untersuchten
Fläche
begrenzt und besitzt um die Messleitung herum nur einen limitierten
Messbereich, da die Ausbreitung des Messfeldes in das Erdreich oder
Schneefeld aufgrund des kleinen Leitungsdurchmessers gering ist.
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Aus
der
WO 2004/046702
A1 und der
DE 102
53 772 A1 ist ein Verfahren bekannt, welches die Schritte
- – Erzeugung
eines zeitlimitierten oder permanenten elektromagnetischen Feldes
in mindestens einer elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung durch
Wechselspannungsbeaufschlagung derart, dass das mindestens eine
Feld in das Erdreich hinein reicht,
- – Messung
mindestens der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen Feldes
dienenden Wellenpakets oder einer Änderung der Wechselspannungsparameter
des Feldes zwischen mindestens zwei in Längsrichtung der Leitung voneinander
beabstandeten Punkten in der mindestens einen oberirdischen Leitung, und
- – Vergleich
der mindestens gemessenen Laufzeit und/oder der gemessenen Änderung
der Wechselspannungsparameter zwischen den mindestens zwei Punkten
in der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung
mit Standardwerten. umfasst.
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Weiterhin
beschreibt die
WO
2004/046702 A1 eine Vorrichtung zur Ankopplung an mindestens eine
elektrisch leitfähige
oberirdische Leitung mit
- – mindestens einem Generator
zur Erzeugung einer zeitlich limitierten oder permanenten Wechselspannung
zur Verbindung mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen
Leitung,
- – mindestens
einem Empfänger
zur Verbindung mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen
Leitung und in Längsrichtung
der Leitung beabstandet von dem mindestens einem Generator, und
- – mindestens
einem Messgerät
zur Erfassung der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen
Feldes dienenden Wellenpakets und/oder der Änderung zumindest eines Parameters
der Wechselspannung.
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Zur
Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß
WO 2004/46702 A1 ist
es erforderlich, Einbauten oder Umbauten an den oberirdischen Leitungen
vorzunehmen, was zum einen aufwändig ist
und zum anderen der vorherigen Zustimmung des Netzbetreibers bedarf.
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Aus
der
JP 2008 096 287
A ist eine Vorrichtung zur Feuchtigkeitsmessung und ein
Gerät zur
automatischen Bewässerung
von Pflanzen bekannt.
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Aus
der
JP 2007 212 286 A ist
außerdem eine
Vorrichtung zur Messung von Objekten unter Ausnutzung von GPS-Signalen
bekannt. Beide diese Patente nutzen nur die Intensitätsänderung
der Signale, die auch durch verschiedene Reflexionen beeinflusst
sein können.
Sie erfassen die Phasenänderung
nicht. Ferner ist aus der
DE
101 40 813 A1 ein Radiowellenüberwachungsverfahren sowie
eine Anordnung hierfür
bekannt. Der Einsatz für
die Bestimmung von Eigenschaften des Erdreichs geht jedoch aus dieser
Schrift nicht hervor.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere
des Feuchtigkeitsgehaltes sowie von Höhen von Schnee und Eisbedeckungen
zu haben, welches ohne entsprechende bauliche Veränderungen
an bestehenden Leitungen auskommt und welches nicht der Zustimmung
von Netzbetreibern bedarf.
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Der
vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes
Verfahren zur Verfügung
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren gelöst,
welches die Schritte
- – Überprüfung, ob eine elektromagnetische
Welle, die von einem Radiosender ausgestrahlt wird, sich als bodengebundene
Oberflächenwelle
ohne störende
Einflüsse
anderer Ausbreitungsarten ausbreitet,
- – Synchronisierung
von Empfängern
zur Messung von Amplitude und Phase einer von einem Radiosender
ausgestrahlten elektromagnetischen Welle an zwei voneinander beabstandeten
Messstellen,
- – erste
Messung von Amplitude und Phase einer elektromagnetischen Welle,
die von einem Radiosender ausgestrahlt wird, an einer ersten Messstelle,
- – zweite
Messung von Amplitude und Phase der elektromagnetischen Welle, die
von einem Radiosender ausgestrahlt wird, an einer zweiten Messstelle,
- – Ermittlung
von Amplituden- und Phasenänderung
der von einem Radiosender ausgestrahlten elektromagnetischen Welle
durch Differenzbildung der Messwerte an der ersten und zweiten Messstelle
und Korrelation der so erhaltenen Werte mit einer Kalibrationskurve,
die einen Bezug von Amplituden- und Phasenänderung zum Feuchtigkeitsgehalt
des Erdreichs, über
dem die Messung erfolgt, herstellt.
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Das
Verfahren wird mit einer Vorrichtung aus zwei Messstationen zur
Messung des Ausbreitungsverhaltens einer von einem Radiosender ausgestrahlten
elektromagnetischen Welle, mit jeweils einer richtungsabhängigen,
in einer Höhe
von 1 m bis 4 m über
dem Erdboden angebrachten, Antenne mit jeweils einem damit verbundenen
Empfänger
zur Messung der Amplituden- und Phaseneigenschaften einer von einem
Radiosender ausgestrahlten elektromagnetischen Welle an zwei voneinander
beabstandeten, in unterschiedlichen Entfernungen vom Radiosender
befindlichen Messstellen durchgeführt.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass die Amplituden-
und Phasenänderung
der von einem Radiosender ausgestrahlten elektromagnetischen Welle
zwischen zwei voneinander beabstandeten Messstellen von der mittleren
Bodenfeuchte zwischen den zwei Messstationen abhängt.
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Nach
Sommerfeld können
die von Radiosendern ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen auf vier
verschiedenen Wegen zu einem Empfänger gelangen; durch sichtbare
Verbindung zwischen Sender und Empfänger (wegen der Erdkrümmung ist dies
nur bei Entfernungen zwischen Sender und Empfänger von nicht mehr als 50
km bis 60 km möglich),
durch Reflexion in der Ionosphäre,
durch Reflexion an der Bodenoberfläche und als bodengebundene
Oberflächenwelle.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Fortpflanzung als bodengebundene
Oberflächenwelle.
Bei einer erdnahen Messung ist keine Bodenreflexion möglich und
die Reflexion der Welle durch die Ionosphäre kann durch Messung bei bestimmten
Tageszeiten und meteorologischen Umständen, die dem Fachmann bekannt
sind, ausgeschlossen werden. Die Signalveränderung dieser Oberflächenwellen,
detektiert durch eine Differenzmessung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und
mit Hilfe der Vorrichtung (Amplitudenschwächung und Phasenänderung)
hängt von
der Bodenbeschaffenheit, von der Leitfähigkeit und den dielektrischen
Eigenschaften des Erdreichs, über
dem die Messung erfolgt, ab.
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Vor
der eigentlichen Messung wird sichergestellt, daß die von einem Radiosender
ausgestrahlte elektromagnetische Welle sich als bodengebundene Oberflächenwelle
ausbreitet. Verfahren zur Überprüfung, ob
bodengebundene Oberflächenwellen
vorliegen (ohne störende
Einflüsse
anderer Fortpflanzungsarten der elektromagnetischen Welle) sind
dem Fachmann an sich bekannt.
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Beispielhaft
sei hier ein entsprechendes, erfindungsgemäß bevorzugtes Verfahren genannt,
bei dem mit Hilfe von drehbaren Rahmenantennen an beiden Messstellen
das vertikalpolarisierte Empfangssignal bestimmt wird. Bei einer
reflexionsfreien Ausbreitung folgt das vertikalpolarisierte Empfangssignal
dem Antennendrehwinkel entsprechend einer Cosinusfunktion mit einer
maximalen Amplitude bei Ausrichtung der Rahmenantennen in Richtung
zum Radiosender. Sind hingegen störende Einflüsse anderer Fortpflanzungsarten
vorhanden, so erhält
man unter diesen Bedingungen keine Cosinusfunktion. Unter solchen
Bedingungen führt
das erfindungsgemäße Verfahren
in der Regel nicht zu korrekten Ergebnissen.
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Misst
man die Signalveränderung
(Phasen- und Amplitudenveränderung)
von Oberflächenwellen,
detektiert durch differenzielle Messung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
an zwei Messstellen, die in einem entsprechenden Abstand, vorzugsweise in
der Strecke (Richtung) zum Sender der Radiowelle stehen, so ist
das Verhältnis
der Messwerte von der mittleren Bodenfeuchte zwischen den zwei Messstationen
abhängig.
Durch eine entsprechende Kalibrierung kann man daher die mittlere
Bodenfeuchte zwischen diesen beiden Messstationen durch Messung dieser
Differenz bestimmen.
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Die
Signalempfänger
an den beiden Messstellen können
in an sich bekannter Weise mit Hilfe von äußeren Zeit-, Frequenz- oder
Positionierungsnormalen (beispielsweise über ein Globales Positionierungssystem,
auch als GPS bezeichnet) aufeinander absolutphasenmäßig synchronisert
werden.
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Die
Verknüpfung
der gemessenen Änderungen
von Amplitude und Phase mit der Bodenfeuchte zwischen des Messstellen
kann entweder direkt durch ein neuronales Netzwerk erfolgen oder
aber indirekt, indem man zunächst
die Parameter Leitfähigkeit
und dielektrischer Koeffizient aus dem dem Fachmann bekannten sogenannten
Nortonschen Gleichungssystem (K. A., Norton, Proceedings of the Institute
of Radio Engineers, Vol. 24, No. 10, Seiten 1367ff (1936)) ermittelt
und anschließend
durch Korrelation die Bodenfeuchte bestimmt.
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Als
vorteilhaft hat sich häufig
die letztgenannte Methode bewährt,
weil die damit ermittelte Leitfähigkeitsangabe
auch für
andere Zwecke (z. B. Düngemittelverteilung)
verwendet werden kann.
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Gegenüber dem
aus der
WO 2004/046702 A1 bekannten
Verfahren und der dort beschriebenen Vorrichtung weist das erfindungsgemäße Verfahren und
die erfindungsgemäße Vorrichtung
den Vorteil auf, dass keine elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitungen
erforderlich sind und damit eine evtl. erforderliche Zustimmung
des Betreiber einer solchen Leitung überflüssig wird. Zudem kann die Messung an
beliebigen Orten erfolgen. Die Empfänger sollen von Freileitungen
soweit entfernt sein, dass eine eventuelle Wirkung von Drahtwellen
an der Freileitung nicht mehr störend
ist.
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Für das erfindungsgemäße Verfahren
werden die Fortpflanzungseigenschaften der Wellen von Radiosendern
verwendet, d. h. von Sendern die zur Übertragung von beispielsweise
Information oder Musik elektromagnetische Wellen verwenden. Diese Wellen
liegen für
das erfindungsgemäße Verfahren
in einem Bereich von 1 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise von 30 kHz bis
3 MHz und insbesondere im Bereich von 40 kHz bis 500 kHz. Für die Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es vorteilhaft, wenn die Strecke zwischen den zwei Messstellen
mit jeweils einem Haupt- und
einem Hilfsempfänger
sich in Richtung zum Radiosender, dessen elektromagnetische Welle
zur Messung verwendet wird, befindet. Stehen die Strecken unter
einem bestimmten Winkel zum Sender dieser Radiodrahtwellen, muss
eine entsprechende, dem Fachmann bekannte trigonometrische Korrektur
vorgenommen werden.
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Durch
die kombinierte Messung von Amplitudenveränderung und Phasenänderung
kann die Empfindlichkeit der Messung der Ausbreitung der Wellen
gesteigert werden und damit auch die Messempfindlichkeit erhöht werden.
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Die
zu bestimmenden Eigenschaften des Bodens oder der Bodenbedeckungen
(zum Beispiel Bewuchs oder Schnee) beeinflussen die elektrischen Eigenschaften
des Erdreichs oder dessen Bedeckung, das von dem elektromagnetischen
Feld durchdrungen wird, wie die Leitfähigkeit, die dielektrische
Beschaffenheit (Dielektrizitätszahl)
und die magnetische Permeabilität.
Hierdurch wird wiederum die Ausbreitung des Feldes entlang der Strecke
beeinflusst.
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In
den meisten Böden
und Bedeckungen, in denen nur eine vernachlässigbare oder keine Magnetisierung
vorkommt, wird das Feld (Messsignal) nur von den zwei erstgenannten
Eigenschaften beeinflusst. Die Leitfähigkeit und die Dielektrizität verursachen
in komplexer Weise sowohl eine Dämpfung als
auch eine zeitliche Verzögerung
des Feldes. Die Leitfähigkeit
und die Dielektrizität
des Bodens oder seiner Bedeckungen hängen aber ebenfalls von deren
Feuchtigkeitsgehalt ab.
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Somit
ist es durch Messung der Verzögerung und/oder
der Dämpfung über die
Bestimmung der Leitfähigkeit
und der Dielektrizitätszahl
möglich,
die Beschaffenheit des Bodens festzustellen und den Feuchtigkeitsgehalt
zu berechnen.
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Die
Zuordnung des Feuchtigkeitsgehaltes zu der Leitfähigkeit und der Dielektrizität kann durch
Kalibrierung geschehen, wozu diese Parameter und die Feuchtigkeit
einer Bodenprobe bei unterschiedlich festgelegten Feuchtigkeitsgehalten
(zum Beispiel nach Ofentrocknung) zur Bestimmung von kalibrierten
Standardwerten gemessen werden. Während der eigentlichen späteren Messungen
müssen
natürlich die
anderen Größen (wie
Bewuchs und Vegetationsstadium) denen der kalibrierten Proben entsprechen, so
dass die kalibrierten Standardwerte zum Vergleich taugen.
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Die
eigentliche Zuordnung kann beispielsweise mit ausreichender Genauigkeit
durch dem Fachmann bekannte dreidimensionale elektromagnetische
Feldberechnungen (analytisch oder numerisch), welche die Dielektrizitätszahl und
die Leitfähigkeit
verwenden, erfolgen. Für
diese Rechnungen wird zunächst
die Dielektrizitätszahl
und Leitfähigkeit des
Bodens bei unterschiedlichem Wassergehalt benötigt. Ausreichend genaue, angenäherte Werte
sind dem Fachmann bekannt und können
z. B. aus dem Buch ”Dielectric
Properties of Heterogeneous Materials”, Editor A. Priou, PIER 6
Progress in Electromagnetics Research, 1992 Elsevier Science Publishing Co.
New York, entnommen werden.
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Auf
dem Gebiet der Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes des Bodens (inklusive
Schnee) haben sich unter vielen Empfehlungen für die Berechnung der Dielektrizitätszahl und
der Leitfähigkeit
des Bodens die von Birchak et al. empfohlenen mathematischen Funktionen
(Mischregeln) sehr gut bewährt
(”High
dielectric constant microwave grobes for sensing soil moisture”, Proceedings
of the IEEE, 62 (1), 93–98,
1974).
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Da
die Aufnahme eines vollständigen
Satzes von Standardwerten (Kalibrationskurve) viele Messungen benötigt, ist
es möglich
die Werte der Kalibrierung mit denen der Feldberechnung zusammenzufassen,
so dass nur wenige Messwerte zur Aufstellung der Kalibrationskurve
nötig sind.
In diesem Fall wird der relative Verlauf der Kalibrationskurve anhand
der oben angegebenen mathematischen Funktionen (Mischregeln) aufgezeichnet.
Diese relative Kalibrationskurve wird dann selbst mittels mindestens
eines absoluten Werts, der aus einer Probenvermessung stammt, kalibriert,
d. h. dem absoluten Wert angepasst. Mehrere absolute Werte zur Kalibrierung liefern
dabei eine höhere
Genauigkeit.
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Erfindungsgemäß wird bevorzugt
ein Frequenzbereich zwischen 1 kHz bis 10 MHz für die Messung eingesetzt.
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Bei
diesen Frequenzen wird auch die Leitfähigkeit ein Parameter in der
Verknüpfung
zwischen den elektrischen Eigenschaften des Bodens und des Feuchtigkeitsgehaltes
sein. In diesem Fall werden zweidimensionale Standardwerte eingesetzt.
Es sollte berücksichtigt
werden, dass hierbei die Möglichkeit der
Messung in der Zeitdomäne
bei diesen tiefen Frequenzen eingeschränkt ist.
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Bei
der Auswahl der Frequenzbereiche für die Messung der Schnee- oder
Eisbedeckung von Böden
sind Besonderheiten zu beachten. Schnee ist eine Mischung von Eis,
Luft und Wasser, wobei der Wasseranteil bis kurz vor der Schmelze
vernachlässigbar
ist. Soll die Erfindung jedoch auch für die Vorwarnung von Schmelzwasser-Überflutungen
verwendet werden, ist es wichtig, auch den flüssigen Wasseranteil zu erfassen.
Eis und Wasser unterscheiden sich stark in ihrer Dispersionscharakteristik
in der Dielektrizitätszahl,
wodurch die Unterscheidung der beiden durch Messung der Dielektrizitätszahl bei
unterschiedlichen Frequenzen möglich
wird.
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Die
Dielektrizitätszahl
von Wasser beträgt bei
Gleichstrom bis ca. 1 Gigahertz und 20°C ca. 80. Eis dagegen besitzt
seine Relaxationsfrequenz bei etwa 10 kHz, so dass sich seine Dielektrizitätszahl darunter
bei 1 kHz 103 annähert
und darüber
ab 400 kHz 3,16 annähert
(”Snow
Dielectric Measurements”, Adv.
Space Res. Volume 9, Nr. 1, 1989). Daher werden für die Detektion
von Schnee oder Eis vorzugsweise Messungen bei mindestens zwei Frequenzen durchgeführt, bei
denen sich die Dielektrizitätszahlen unterscheiden.
Die Messung von Eis und Schnee wird ferner dadurch erleichtert,
dass sie eine sehr kleine Dämpfung
des Messfeldes bewirken.
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Eine
bevorzugte Vorrichtung weist eine erste Rahmenantenne auf, die mit
einem Meßgerät zur Messung
von Amplituden- und Phaseneigenschaften einer bodengebundenen Oberflächen-Radiowelle verbunden
ist.
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Mit
Hilfe dieses Meßgeräts oder
Empfängers werden
die Amplituden- und Phasenwerte der bodengebundenen Oberflächenwelle
erfasst.
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Diese
Anordnung stellt die erste der beiden Messstellen der Vorrichtung
dar. An der zweiten Messstelle, die vorzugsweise in einer Entfernung
im Bereich von 0,1 bis 10 km von der ersten Messstelle entfernt
und, von der ersten Messstelle aus gesehen, vorzugsweise in Richtung
zum Sender der Radiowelle ausgerichtet ist, werden Amplitude und
Phase in gleicher Weise gemessen. Die Empfänger der richtungsempfindlichen
Rahmenantennen an beiden Meßstellen
werden durch eine externe Normale (Zeit- Frequenz- oder Positionsnormale),
vorzugsweise über
ein GPS-Signal synchronisiert.
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Die
Differenz von Amplitude und Phase der dergestalt an beiden Messstellen
ermittelten Werte werden dann wie vorstehend beschrieben, mit der Bodenfeuchte
korreliert.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren können auf
einfache Weise die Bodeneigenschaften, insbesondere die Bodenfeuchte
auch relativ großer Flächen ermittelt
werden. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist die Unabhängigkeit
von elektrisch leitfähigen
oberirdischen Leitungen, die erst eine Messung auch in Gebieten
ermöglicht,
wo solche Leitungen nicht zur Verfügung stehen. Insbesondere in
Regionen mit sehr geringer Bevölkerungsdichte
(wo solche Leitungen im Regelfall nicht vorhanden sind), die aber
gerade für
die Wasservorräte
von großer
Bedeutung sein können,
kann somit eine entsprechende Messung erfolgen, was bislang über größere Flächen nicht
möglich
war.