土壤墑情測定儀及其測定方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于土壤墑情監測領域，涉及一種土壤墑情測定儀及其測定方法，尤其適 用于測量大面積土壤墑情并進行實時監測。
【背景技術】
[0002] 土壤墑情的測定方法有很多，目前市場現有技術有烘干法、中子衰減法、張力計 法、近紅外線法、頻域反射、駐波比法和時域反射法。烘干法是測量土壤含水率的經典方法， 但是烘干法無法實現在線監測。必須取回實驗室烘干，稱重。且測量周期長。中子衰減法 采用中子衰減，如果屏蔽不好，容易造成射線泄漏，污染環境，危害人體健康。張力計式土壤 水分傳感器測量范圍受土質影響。該方法測量的是土壤水的吸力，需要依據土壤水分特征 曲線來換算成土壤含水率。但由于土壤水分能量關系復雜，呈非線性。所以容易受到土壤 理化特性的影響。該方法存在滯后和回環，影響其測量速度。近紅外線法是利用土壤中水 諧振吸收特性來測量土壤含水率的一種方法，受土質的影響較大，且價格昂貴。頻域反射法 (FD)是通過測定傳感器的阻抗來確定土壤體積含水率。該方法比駐波比法測量更加精確， 比TDR方法精度低。理想測試頻率在20-30MHZ，在這個頻段受土質的影響較大，而且需要提 前標定。駐波比法（SWR)利用介電常數能夠改變傳輸線上駐波比的明顯變化。根據電壓比 來測量，影響駐波比法的關鍵因素之一就是探針的特性阻抗的計算，其精度低，受土壤類型 影響較大，需要提前標定。時域反射法（TDR)是介電測量中的高速測量技術，TDR方法是當 今世界上最受認可的土壤墑情快速測量技術之一，與其他方法相比，TDR技術相對精準，由 于TDR技術使用雙切線法計算行程時間，所以仍存在重復性和精度較差的問題。而且存在 技術壟斷，目前僅有少數國家掌握了設計制造 TDR 土壤水分和電導率測試儀的所需的高速 采樣示波器、窄上升沿階躍信號發生器、高頻高精度時間基準等技術，價格昂貴。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的問題在于，克服現有技術的不足，提供一種土壤墑情測定儀及 其測定方法，本發明是一種能夠快速、精準測量大面積土壤墑情并進行實時監測的便攜式 儀器及其測定方法，采用寬帶信號發射技術和矢量接收技術相結合，解決了頻率范圍小、頻 率低、測量速度慢、測量前標定、受土質以及土壤類型等外界環境影響較大、實用性和重復 性以及通用性不強等問題。與時域反射法（TDR)等產品相比，不僅精度更高，而且測量范圍 更廣。采用針式傳感器避免了對土壤環境的破壞，且方便測量。
[0004] 本發明解決其技術問題是采取以下技術方案實現的：
[0005] 依據本發明提供的一種土壤墑情測定儀，包括主機、探針、WIFI模塊和手持終端模 塊，所述的主機包括中央處理器、信號收發系統、數字信號處理器和連接器，中央處理器通 過數據線分別與信號收發系統、數字信號處理器、連接器相連接；信號收發系統通過數據線 分別與數字信號處理器、中央處理器、連接器相連接；數字信號處理器通過數據線分別與信 號收發系統、中央處理器、連接器相連接；連接器通過數據線分別與中央處理器、信號收發 系統、數字信號處理器、探針、WIFI模塊相連接；探針的一端通過數據線與連接器相連接， 另一端通過數據線插入土壤中進行測量;WIFI模塊的一端通過數據線與連接器相連接，另 一端通過無線局域網與手持終端模塊相連接。
[0006] -種土壤墑情測定儀的測定方法，其特征在于：它包括以下步驟：
[0007] (1)將探針針頭端插入土壤中；
[0008] (2)整機上電后將手持終端模塊與WIFI模塊相連；
[0009] (3)通過手持終端模塊設置目標土壤的類型、探針的類型、發射信號的頻率范圍、 信號接收系統的帶寬和手持終端模塊的顯示類型，同時手持終端模塊發送開始指令；
[0010] (4)主機接收到手持終端模塊傳來的指令后由中央處理器控制信號收發系統發送 多個頻率的信號；
[0011] (5)信號收發系統接收信號，同時數字信號處理器進行信號采集；當信號傳輸到 探針接觸土壤的交界點時會反射一部分信號，此時信號收發系統收到一個反射信號，當信 號傳輸到探針終端時信號會發生全發射，信號收發系統又會收到一個信號，與此同時數字 信號處理器將采集到的信號轉化為數字信號，并通過傅里葉變換將頻域信號轉換到時域， 而兩個反射信號的時間差，正是信號在探針上所傳輸時間的兩倍；
[0012] (6)中央處理器將轉換后的數據通過WIFI模塊傳給手持終端模塊形成二維圖像 并顯示土壤體積含水率；通過麥克斯韋方程組可推導出電磁波的傳輸速度與介電常數之間 的關系；信號的傳輸速度可以通過信號的傳輸時間推導得到，于是就確定了土壤的介電常 數；手持終端模塊通過得到的介電常數帶入經驗公式，由此得到土壤的體積含水率；
[0013] (7)利用手持終端模塊完成位置定位并上傳相應位置的土壤墑情數據。
[0014] 本發明解決其技術問題是采取以下技術方案進一步實現：
[0015] 前述的探針采用針式平行探針。
[0016] 本發明與現有技術相比具有顯著的優點和有益效果：
[0017] 由于本發明采用探針完成測試激勵信號和反射信號的傳輸，主機完成激勵信號的 發生和反射信號的采集，且內部包含智能控制分析軟件和專家庫系統，具有測試數據處理、 頻時域圖形處理、二維圖像合成以及數據存儲等功能，并可通過智能無線發射接口，將原始 測試數據傳送到手持終端模塊或PC機。手持終端模塊或PC機完成數據再處理、顯示以及 友好的界面顯示。
[0018] 本發明克服了低頻和單一頻率源的限制，采用寬帶信號發射技術，設計了多頻點 可調發射信號源。采用矢量接收技術，直接用低速A/D對回波信號進行采樣，簡化電路設 計。可以通過控制接收機的中頻帶寬（IF Bandwidth)能有效地抑制接收信號中的噪聲，進 而提高接收機的靈敏度。應用連續波在頻域進行測試，通過數學運算轉換到距離域，通過數 據分析、反演得到平行傳輸線周圍土壤介電常數及其水分含量，并可進一步拓展采用寬帶 成像技術，得到不同土壤分層水分含量的二維圖像。進行多種非特殊類型土壤的墑情測定 不需要提前標定，速度快、精度高、實用性強、重復性高，不會對被測土壤產生任何影響。手 持終端模塊擁有大容量，可大量存儲數據及圖像，支持數據回放、比較功能，支持WIFI、GPRS 和GPS或北斗系統功能，實現測量數據的現場實時顯示、存儲、遠程共享、再處理以及精確 定位。
[0019] 本發明實現了不受土壤類型、土質影響，不需要提前標定的土壤墑情測定。實現了 真正意義上的快速土壤墑情的測量。不會對被測量的土壤產生任何影響。便攜式的土壤墑 情測定儀具有測試速度快、遠程顯示和人機界面交互友好、數據多重靈活共享等性能特點， 同時具有體積小、重量輕、采用電池供電和環境適應性強等功能特點。可進行實時傳輸數 據，方便測量人員進行野外作業。
[0020] 本發明的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發明的土壤墑情測定儀外部結構示意圖；
[0022] 圖2為本發明的土壤墑情測定儀結構框圖；
[0023] 圖3為本發明的土壤墑情測定儀工作流程框圖；
[0024] 圖4為本發明的土壤墑情測定儀測量壤土類介電常數與體積含水率關系曲線圖。
[0025] 其中：1.主機，2.連接器，3. WIFI模塊，4.探針，5.手持終端模塊，6.中央處理器， 7.信號收發系統，8.數字信號處理器，9. 土壤。
【具體實施方式】
[0026] 以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提供的【具體實施方式】、結構、特征及其 功效，詳細說明如后。
[0027] 如圖1~4所示的一種土壤墑情測定儀，包括主機1、探針4、WIFI模塊3和手持 終端模塊5,所述的主機包括中央處理器6、信號收發系統7、數字信號處理器8和連接器2， 中央處理器通過數據線分別與信號收發系統、數字信號處理器、連接器相連接；信號收發系 統通過數據線分別與數字信號處理器、中央處理器、連接器相連接；數字信號處理器通過數 據線分別與信號收發系統、中央處理器、連接器相連接；連接器通過數據線分別與中央處理 器、信號收發系統、數字信號處理器、探針、WIFI模塊相連接；探針的一端通過數據線與連 接器相連接，另一端通過數據線插入土壤9中進行測量;WIFI模塊的一端通過數據線與連 接器相連接，另一端通過無線局域網與手持終端模塊相連接。
[0028] 中央處理器運行操作系統，作為核心部分控制著整個設備的模塊，實現可控信號 的收發，數字信號的轉換以及通訊功能。
[0029] 信號收發系統采用寬帶信號發射技術，可發送多個頻點信號；采用矢量接收技術， 接收信號通過混頻和低通濾波后下變頻到復基帶信號，復基帶信號經過AD采樣后得到一 個復數數組；數組中的每一個元素對應著每一個發射頻點復基帶頻域采樣信號，這樣復數 數組可進一步表示為頻率域數組，可以通過控制接收機的中頻帶寬（IF Bandwidth)能有效 地抑