本發(fā)明涉及土壤水分測量，具體而言，尤其涉及一種測量土壤水分的方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、時域反射技術(shù)（tdr，time?domain?reflectometry）是二十世紀三十年代發(fā)展起來的一種電子測量技術(shù)：電磁波沿傳輸線傳輸，傳輸線上阻抗的變化會引起電磁波信號產(chǎn)生反射，通過測量電磁波的傳輸時間以確定阻抗不連續(xù)點的位置。時域反射技術(shù)應(yīng)用于土壤水分測量開始于上世紀六十年代，至八十年基本成熟。

2、其它介電法測量土壤水分的技術(shù)，由于測量所依據(jù)的電磁參數(shù)或測量所依據(jù)的技術(shù)方法受所測土壤的電導(dǎo)率變化影響較大，而諸如土壤類型、鹽堿度、無機肥與有機肥的施用量、土壤所含水分的電導(dǎo)率、土體密實度及土壤晶體結(jié)構(gòu)等因素均會對土壤電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，因此，多需要根據(jù)實際測量（監(jiān)測）原狀土壤對所采用的公式進行二次率定，因而實際應(yīng)用效果受到一定限制。時域無載頻脈沖體制tdr被業(yè)界普遍認為是最行之有效、最可靠的測定土壤水分的方法。但是同時它也具有以下的弱點：1）該技術(shù)所依賴的高速延遲線技術(shù)造價昂貴，以致限制了其四十余年來并未能夠大范圍使用；2）由于土壤的成分、結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，其測量跡線也較為復(fù)雜，往往需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)才能在圖像上辨識正確的反射位置，而精確的反射時間點則需要通過對其測量跡線圖像采用雙切線算法來確定，這也降低了實現(xiàn)自動化在線監(jiān)測的測量可靠性。

3、盡管時域無載頻脈沖體制tdr測量土壤水分的技術(shù)已經(jīng)成熟四十余年，但由于應(yīng)用成本的問題，未能得到大范圍的推廣應(yīng)用。而其它技術(shù)，例如頻域法和駐波法等，盡管它們的成本價格較低，但均是通過測量土壤的有效介電常數(shù)來實現(xiàn)對于土壤水分的測量，而土壤的有效介電常數(shù)受土壤的電導(dǎo)率影響較大，土壤的類型、耕作等又會使土壤電導(dǎo)率產(chǎn)生變化，因此這類設(shè)備又需根據(jù)所測土壤進行公式率定，這種率定均需在野外實地經(jīng)常性的進行，實際操作幾乎無法實現(xiàn)。

4、多年來，人們也在尋找多種時域法測量土壤水分的其它電磁波傳輸時間測量機制，以降低tdr技術(shù)的應(yīng)用成本，但這類儀器共同問題是其所采用的測定電磁波傳輸時間的方法受電導(dǎo)率影響較大，因而仍依賴于公式率定。

5、針對相關(guān)技術(shù)中存在的上述問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請的主要目的在于提供一種測量土壤水分的方法及裝置，以至少解決相關(guān)技術(shù)中土壤水分測量受電導(dǎo)率變化影響較大的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本申請的一個方面，提供了一種測量土壤水分的方法。該方法包括：向置入土壤中的探針發(fā)射頻率由到的變頻電磁波信號，接收得到相應(yīng)的變頻反射信號，并將變頻反射信號復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號，其中，為頻率的最小值，為頻率的最大值；對復(fù)基化反射信號做傅里葉逆變換，得到反射系數(shù)公式，其中，反射系數(shù)公式為反射系數(shù)相對于時間的解析表達式；依據(jù)反射系數(shù)公式獲取反射時間間隔，反射時間間隔為依據(jù)探針插入土壤的起始處與終點處產(chǎn)生的兩次反射的時間點得到電磁波信號沿探針傳播的行程時間；依據(jù)反射時間間隔獲取土壤的表觀介電常數(shù)，計算得到土壤體積含水率。

3、可選地，獲取電磁波信號，電磁波信號表示為：

4、，其中，為頻率，為電壓幅值，為關(guān)于頻率和時間的發(fā)射信號；獲取經(jīng)過反射時間產(chǎn)生的反射信號，反射信號表示為：

5、，其中，為反射時間，為關(guān)于頻率和反射時間的反射信號，為反射系數(shù)。

6、可選地，將反射信號復(fù)基化，得到復(fù)基化反射信號，復(fù)基化反射信號為：

7、，其中，為反射系數(shù)。

8、可選地，依據(jù)復(fù)基化反射信號獲取時域反射信號，計算公式為：

9、，其中，為時域反射信號，為復(fù)基化反射信號，傅里葉逆變換運算符號。

10、可選地，計算時域反射信號得到：

11、，

12、其中，，，為帶寬，為中心頻率，為辛格函數(shù)：

13、。

14、可選地，獲取時域反射信號的模，時域反射信號的模為：

15、，

16、令，則得到反射系數(shù)相對于時間的解析表達式：

17、。

18、可選地，計算表觀介電常數(shù)，計算公式為，其中，為表觀介電常數(shù)，為光速，為探針長度，為反射時間間隔；計算土壤體積含水率，采用第一計算公式或者第二計算公式計算，其中，第一計算公式為：

19、，第二計算公式為：，為土壤體積含水率。

20、根據(jù)本申請的另一方面，提供了一種測量土壤水分的裝置。該裝置包括：發(fā)射單元，用于向置入土壤中的探針發(fā)射頻率由到的變頻電磁波信號，接收得到相應(yīng)的變頻反射信號，并將變頻反射信號復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號，其中，為頻率的最小值，為頻率的最大值；變換單元，對復(fù)基化反射信號做傅里葉逆變換，得到反射系數(shù)公式，其中，反射系數(shù)公式為反射系數(shù)相對于時間的解析表達式；獲取單元，依據(jù)反射系數(shù)公式獲取反射時間間隔，反射時間間隔為依據(jù)探針插入土壤的起始處與終點處產(chǎn)生的兩次反射的時間點得到電磁波信號沿探針傳播的行程時間；計算單元，依據(jù)反射時間間隔獲取土壤的表觀介電常數(shù)，計算得到土壤體積含水率。

21、為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本申請的另一方面，提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，該計算機可讀存儲介質(zhì)包括存儲的程序，其中，該程序執(zhí)行上述任意一項的一種測量土壤水分的方法。

22、根據(jù)本申請的另一方面，提供了一種電子設(shè)備，包括：一個或多個處理器，存儲器，以及一個或多個程序，其中，一個或多個程序被存儲在存儲器中，并且被配置為由一個或多個處理器執(zhí)行，一個或多個程序包括用于執(zhí)行任意一項的一種測量土壤水分的方法。

23、通過本申請，采用以下步驟：發(fā)射電磁波信號，接收至少兩個反射信號，并將反射信號復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號；對復(fù)基化反射信號做傅里葉逆變換，得到反射系數(shù)公式；依據(jù)反射系數(shù)公式獲取反射時間間隔，其中，反射時間間隔為接收兩個相鄰反射信號的間隔時間；依據(jù)反射時間間隔計算土壤體積含水率，解決了相關(guān)技術(shù)中水分監(jiān)測設(shè)備受土壤類型及耕作、氣候等影響，需要定點、并經(jīng)常性的進行公式率定的應(yīng)用瓶頸問題。

技術(shù)特征：

1.一種測量土壤水分的方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，向置入土壤中的探針發(fā)射頻率由到的變頻電磁波信號，接收得到相應(yīng)的變頻反射信號，并將所述變頻反射信號復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，向置入土壤中的探針發(fā)射頻率由到的變頻電磁波信號，接收得到相應(yīng)的變頻反射信號，并將所述變頻反射信號復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對所述復(fù)基化反射信號做傅里葉逆變換，得到反射系數(shù)公式，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，對所述復(fù)基化反射信號做傅里葉逆變換，得到反射系數(shù)公式，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，對所述復(fù)基化反射信號做傅里葉逆變換，得到反射系數(shù)公式，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，依據(jù)所述反射時間間隔獲取土壤的表觀介電常數(shù)，計算得到土壤體積含水率，包括：

8.一種測量土壤水分的裝置，其特征在于，包括：

9.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計算機可讀存儲介質(zhì)包括存儲的程序，其中，在所述程序運行時控制所述計算機可讀存儲介質(zhì)所在設(shè)備執(zhí)行權(quán)利要求1至7中任意一項所述的一種測量土壤水分的方法。

10.一種電子設(shè)備，其特征在于，包括：一個或多個處理器，存儲器，以及一個或多個程序，其中，所述一個或多個程序被存儲在所述存儲器中，并且被配置為由所述一個或多個處理器執(zhí)行，所述一個或多個程序包括用于執(zhí)行權(quán)利要求1至7中任意一項所述的一種測量土壤水分的方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種測量土壤水分的方法及裝置。該發(fā)明包括：向置入土壤中的探針發(fā)射頻率由到的變頻電磁波信號，接收得到相應(yīng)的變頻反射信號，并將變頻反射信號復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號，其中，為頻率的最小值，為頻率的最大值；對復(fù)基化反射信號做傅里葉逆變換，得到反射系數(shù)公式；依據(jù)反射系數(shù)公式獲取反射時間間隔，反射時間間隔為依據(jù)探針插入土壤的起始處與終點處產(chǎn)生的兩次反射的時間點得到電磁波信號沿探針傳播的行程時間；依據(jù)反射時間間隔獲取土壤的表觀介電常數(shù)，計算得到土壤體積含水率。通過本方法，解決了水分監(jiān)測設(shè)備受土壤類型及耕作、氣候等影響，需要定點、并經(jīng)常性的進行公式率定的應(yīng)用瓶頸問題。

技術(shù)研發(fā)人員：陸之平,劉惠斌,盧玉,陸明
受保護的技術(shù)使用者：天津特利普爾科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9