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(shí)域反射技術(shù)（tdr，time?domain?reflectometry）是二十世紀(jì)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(huì)引起電磁波信號(hào)產(chǎn)生反射，通過測量電磁波的傳輸時(shí)間以確定阻抗不連續(xù)點(diǎn)的位置。時(shí)域反射技術(shù)應(yīng)用于土壤水分測量開始于上世紀(jì)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(jī)肥與有機(jī)肥的施用量、土壤所含水分的電導(dǎo)率、土體密實(shí)度及土壤晶體結(jié)構(gòu)等因素均會(huì)對土壤電導(dǎo)率產(chǎn)生影響，因此，多需要根據(jù)實(shí)際測量（監(jiān)測）原狀土壤對所采用的公式進(jìn)行二次率定，因而實(shí)際應(yīng)用效果受到一定限制。時(shí)域無載頻脈沖體制tdr被業(yè)界普遍認(rèn)為是最行之有效、最可靠的測定土壤水分的方法。但是同時(shí)它也具有以下的弱點(diǎn)：1）該技術(shù)所依賴的高速延遲線技術(shù)造價(jià)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(shí)正確的反射位置，而精確的反射時(shí)間點(diǎn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化在線監(jiān)測的測量可靠性。

3、盡管時(shí)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(jià)格較低，但均是通過測量土壤的有效介電常數(shù)來實(shí)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(huì)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(jìn)行公式率定，這種率定均需在野外實(shí)地經(jīng)常性的進(jìn)行，實(shí)際操作幾乎無法實(shí)現(xiàn)。

4、多年來，人們也在尋找多種時(shí)域法測量土壤水分的其它電磁波傳輸時(shí)間測量機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本申請的一個(gè)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(hào)，接收得到相應(yīng)的變頻反射信號(hào)，并將變頻反射信號(hào)復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號(hào)，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(hào)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(shí)間的解析表達(dá)式；依據(jù)反射系數(shù)公式獲取反射時(shí)間間隔，反射時(shí)間間隔為依據(jù)探針插入土壤的起始處與終點(diǎn)處產(chǎn)生的兩次反射的時(shí)間點(diǎn)得到電磁波信號(hào)沿探針傳播的行程時(shí)間；依據(jù)反射時(shí)間間隔獲取土壤的表觀介電常數(shù)，計(jì)算得到土壤體積含水率。

3、可選地，獲取電磁波信號(hào)，電磁波信號(hào)表示為：

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

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

6、可選地，將反射信號(hào)復(fù)基化，得到復(fù)基化反射信號(hào)，復(fù)基化反射信號(hào)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(hào)獲取時(shí)域反射信號(hào)，計(jì)算公式為：

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

10、可選地，計(jì)算時(shí)域反射信號(hào)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(shí)域反射信號(hào)的模，時(shí)域反射信號(hào)的模為：

15、，

16、令，則得到反射系數(shù)相對于時(shí)間的解析表達(dá)式：

17、。

18、可選地，計(jì)算表觀介電常數(shù)，計(jì)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(shí)間間隔；計(jì)算土壤體積含水率，采用第一計(jì)算公式或者第二計(jì)算公式計(jì)算，其中，第一計(jì)算公式為：

19、，第二計(jì)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(hào)，接收得到相應(yīng)的變頻反射信號(hào)，并將變頻反射信號(hào)復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號(hào)，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(hào)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(shí)間的解析表達(dá)式；獲取單元，依據(jù)反射系數(shù)公式獲取反射時(shí)間間隔，反射時(shí)間間隔為依據(jù)探針插入土壤的起始處與終點(diǎn)處產(chǎn)生的兩次反射的時(shí)間點(diǎn)得到電磁波信號(hào)沿探針傳播的行程時(shí)間；計(jì)算單元，依據(jù)反射時(shí)間間隔獲取土壤的表觀介電常數(shù)，計(jì)算得到土壤體積含水率。

21、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本申請的另一方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)包括存儲(chǔ)的程序，其中，該程序執(zhí)行上述任意一項(xiàng)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(gè)或多個(gè)處理器，存儲(chǔ)器，以及一個(gè)或多個(gè)程序，其中，一個(gè)或多個(gè)程序被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并且被配置為由一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，一個(gè)或多個(gè)程序包括用于執(zhí)行任意一項(xiàng)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(hào)，接收至少兩個(gè)反射信號(hào)，并將反射信號(hào)復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號(hào)；對復(fù)基化反射信號(hào)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(shí)間間隔，其中，反射時(shí)間間隔為接收兩個(gè)相鄰反射信號(hào)的間隔時(shí)間；依據(jù)反射時(shí)間間隔計(jì)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(diǎn)、并經(jīng)常性的進(jìn)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(hào)，接收得到相應(yīng)的變頻反射信號(hào)，并將所述變頻反射信號(hào)復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號(hào)，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(hào)，接收得到相應(yīng)的變頻反射信號(hào)，并將所述變頻反射信號(hào)復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號(hào)，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(hào)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(hào)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(hào)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(shí)間間隔獲取土壤的表觀介電常數(shù)，計(jì)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(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)包括存儲(chǔ)的程序，其中，在所述程序運(yùn)行時(shí)控制所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)所在設(shè)備執(zhí)行權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)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(gè)或多個(gè)處理器，存儲(chǔ)器，以及一個(gè)或多個(gè)程序，其中，所述一個(gè)或多個(gè)程序被存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中，并且被配置為由所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行，所述一個(gè)或多個(gè)程序包括用于執(zhí)行權(quán)利要求1至7中任意一項(xiàng)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(hào)，接收得到相應(yīng)的變頻反射信號(hào)，并將變頻反射信號(hào)復(fù)基化得到復(fù)基化反射信號(hào)，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(hào)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(shí)間間隔，反射時(shí)間間隔為依據(jù)探針插入土壤的起始處與終點(diǎn)處產(chǎn)生的兩次反射的時(shí)間點(diǎn)得到電磁波信號(hào)沿探針傳播的行程時(shí)間；依據(jù)反射時(shí)間間隔獲取土壤的表觀介電常數(shù)，計(jì)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(diǎn)、并經(jīng)常性的進(jìn)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(hù)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