不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法技术

本发明专利技术提出了一种不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法，将组合弯曲探针水平置入不同土壤剖面，高频电磁场发生器产生稳定高频电磁波，高频电磁波沿组合弯曲探针传输到探针末端后返回，返回的高频电磁波通过信号传输模块被信号采集与分析器接收，信号采集与分析器分析高频电磁波波形，获得高频电磁波穿过不同土壤剖面后返回时间，计算不同土壤剖面的介电常数，建立土壤介电常数与土壤体积含水量的关系，从而获得土壤体积含水量。本发明专利技术组合弯曲探针水平放置，不挠动土壤，探测不同土壤深度土壤含水量；组合弯曲探针的有效长度扩大到原来直线探针的1.5倍，极大地提高了介电常数测量精度，提升了土壤水分分布不均匀的土层含水量测量的准确性。量测量的准确性。量测量的准确性。

【技术实现步骤摘要】
不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法


[0001]本专利技术涉及土壤水分测定
，尤其涉及一种不挠动土体的不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法，用于土壤组成结构和水分含量分布不均匀的土壤水分测量。

技术介绍

[0002]目前土壤水分探测普遍采用时域反射探针法，且多为传统直线式探头，适用于探测不同土壤深度土壤含水量探测。在智慧农业中，需要在不同的土壤剖面（比如，耕作层20
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30cm，其它层60cm、90cm、120cm等）设置多个土壤水分探针，而普通时域反射探针常常垂直插入，反映探针长度内的土壤水分综合值，无法反映不同土壤不同剖面的土壤水分值，更不能对土壤组成结构和水分含量分布不均匀的土壤剖面水分进行高效测量。传统时域反射式直线探头插入土壤，导致对土壤结构破坏，而且电磁场分布区域有限，使得时域反射法测量的土壤介电系统不准确，从而影响土壤水分测量准确性，因此有必要专利技术一种用于土壤剖面且土壤水分含量分布不均匀的水分测量新方法。

技术实现思路

[0003]针对传统时域反射式直线探头插入土壤，导致对土壤结构破坏，且电磁场分布区域有限而影响土壤不同剖面的水分测量准确性的技术问题，本专利技术提出了一种不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法，能够用于土壤组成结构和水分含量分布不均匀的土壤剖面水分精准测量，克服现有的土壤水分时域反射法中沿着探针传输的电磁场分布空间的局限性而导致对分布不均匀土壤水分测量数据误差大的问题。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法，包括：将相同的组合弯曲探针分别水平置入不同的土壤剖面，高频电磁场发生器在电源供给单元作用下产生稳定高频电磁波，高频电磁波沿组合弯曲探针传输到探针末端后返回，返回的高频电磁波通过信号传输模块被信号采集与分析器接收，信号采集与分析器分析收到的高频电磁波的波形，获得高频电磁波穿过不同土壤剖面后返回时间，计算出不同土壤剖面的介电常数，然后建立土壤介电常数与土壤体积含水量的关系，从而获得土壤体积含水量。
[0005]优选地，任一组合弯曲探针包括探针A和探针B，探针A和探针B均为弯曲成J型，探针A和探针B的末端相对设置；所述探针A和探针B的探头完全置入土壤中。
[0006]优选地，所述探针A和探针B均通过同轴电缆与高频电磁场发生器相连接，高频电磁场发生器分别与电源供给单元和信号传输模块相连接，信号传输模块与信号采集与分析器相连接。
[0007]优选地，所述探针A和探针B均通过连接器与同轴电缆相连接。
[0008]优选地，不同土壤剖面的组合弯曲探针均与高频电磁场发生器相连，高频信号发生器通过信号传输模块与信号采集与分析器相连。
[0009]优选地，所述高频电磁场发生器向同轴电缆内导体发出高频电磁波，并通过连接
器传递到不同土壤剖面组合弯曲探针，高频电磁波沿不同土壤剖面组合弯曲探针通过土壤后被信号采集与分析器接收并分析。
[0010]优选地，所述返回时间为，其中，L为组合弯曲探针有效长度，ε为土壤介电常数，c为光速。
[0011]优选地，采用非均匀传输线的数值优化算法标定系统参数后，对高频电磁波的波谱进行拟合，反演出土样土壤介电常数。
[0012]优选地，根据高频电磁波的波形计算土壤介电常数，并绘制土壤介电常数与体积含水率的关系，采用最小二乘法对数据进行拟合，获得土壤体积含水量。
[0013]本专利技术的有益效果：与传统时域反射法探针相比，本专利技术的探针改变了传统的探针垂直插入放置的方法，组合弯曲探针水平放置，不挠动土壤，探测不同土壤剖面土壤含水量。由于组合弯曲探针有效长度扩大到原来探针的1.5倍，本专利技术提高了土壤介电常数测量精度，同时高频电磁波分布区域更广，提升了土壤水分分布不均匀的土壤剖面的含水量测量的准确性。本专利技术尽管组合弯曲探针末端弯曲导致电磁场少许损耗，但与相同等效长度直线探针相比，由于探针有效长度增加了，高频电磁波沿探针传输时间也相应延长了，因而提高了高频电磁波沿探针传输时间计算的准确性；另外，由于组合弯曲探针弯曲，使得电磁场分布比直线探针范围更广，因此组合弯曲探针对土壤组成结构和水分含量分布不均匀的土壤水分测量，其土壤水分测量的准确性得到了大大提升。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为本专利技术的整体测定系统组成结构图。
[0016]图2为本专利技术信号采集与分析器接收到高频电磁波的响应波谱，其中，a）为传统时域反射方法，b）为本专利技术。
具体实施方式
[0017]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0018]如图1所示，一种不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法，包括：将组合弯曲探针水平不扰动置入不同的土壤剖面，高频电磁场发生器在电源供给单元作用下产生稳定的高频电磁波，高频电磁波沿组合弯曲探针传输到探针末端后返回，返回的高频电磁波通过信号传输模块被信号采集与分析器接收，信号采集与分析器分析收到的高频电磁波波谱，获得高频电磁波穿过土壤后返回时间t，从而计算出土壤介电常数，然后建立土壤介电常数与土壤体积含水量的关系，获得土壤体积含水量。信号传输模块对高频电磁场发生器产生的电磁波与从组合弯曲探针返回的高频电磁波进行调制，保证高频电磁波在传输过程中不失
真地传输。信号采集与分析器的作用是对返回的高频电磁波波谱进行分析，从而计算出土壤介电系数，最终计算土壤含水量。
[0019]工作时将组合弯曲探针不扰动置入不同的土壤剖面即深度，保证组合弯曲探针全部没入土中。开启电源供给单元，触发高频电磁场发生器，使组合弯曲探针开始工作，并将收集到的时域反射波波谱信号传回信号采集与分析器，信号采集与分析器将信息传给电脑。根据高频电磁波的波谱反演土壤介电常数，返回时间，其中，L为探针的有效长度，ε为土壤介电常数，c为光速。然后通过最小二乘法对土壤介电系数与土壤含水量进行拟合，获得土壤体积含水量。
[0020]进一步地，任一组合弯曲探针包括探针A和探针B，探针A和探针B均弯曲呈J型，探针A与和探针B对称分布，探针A和探针B的末端相对设置。所述探针A和探针B完全埋没入土中。本专利技术的组合弯曲探针平行埋入土壤、探针完全没入土中，大大提高了探针有效长度，克服土壤挠动导致的土壤水分测量不准确的问题，实现了不同土层土壤水分含量的准确检测。探针A和探针B之间距离可根据电磁场敏感区域大小设置，通常为5
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10cm，弯曲部分长度为直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法，其特征在于，包括：将相同的组合弯曲探针分别水平置入不同的土壤剖面，高频电磁场发生器在电源供给单元作用下产生稳定高频电磁波，高频电磁波沿组合弯曲探针传输到探针末端后返回，返回的高频电磁波通过信号传输模块被信号采集与分析器接收，信号采集与分析器分析收到的高频电磁波波形，获得高频电磁波穿过不同土壤剖面后返回时间，计算出不同土壤剖面的介电常数，然后建立土壤介电常数与土壤体积含水量的关系，从而获得土壤体积含水量。2.根据权利要求1所述的不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法，其特征在于，任一组合弯曲探针包括探针A和探针B，探针A和探针B均弯曲成J型，探针A和探针B的末端相对设置；所述探针A和探针B的探头完全置入土壤中。3.根据权利要求2所述的不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法，其特征在于，所述探针A和探针B均通过同轴电缆与高频电磁场发生器相连接，高频电磁场发生器分别与电源供给单元和信号传输模块相连接，信号传输模块与信号采集与分析器相连接。4.根据权利要求3所述的不同土壤剖面土壤水分高精度测定方法，其特征在于，所述探针A和探针B均通过连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡建东，位文涛，陈洪军，张伟，李林泽，张浩，
申请(专利权)人：河南农业大学，
类型：发明
国别省市：