专利名称：一种无接触土壤湿度测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属农业环境监测仪器领域，具体涉及一种无接触土壤湿度测量仪。
背景技术：
土壤湿度测量仪是农业环境检测领域的重要仪器。土壤湿度即单位体积内土壤含 水量的多少，是水文、气象和农业研究中的重要参数。土壤湿度的监测是农业水管理以及农 作物旱情预报的一个重要内容。特别是在干旱半干旱地区，监测地表土壤水分的时空变化 特性对理解土壤植被相互作用过程，提高土壤和植被的有效利用率，达到防灾减灾的目标 尤为必要。传统土壤湿度测量方法包括土壤烘干法，电容法、电阻法、时域反射仪(TDR)法、 频域反射仪法，中子法以及其它接触性物理手段等。土壤烘干法经典，但需要现场采样和实验室操作，费时且不适于原态原位测定。电 容法通过测定土壤水分变化引起的电容量变化来测定土壤湿度，电阻法则采用土壤湿度引 起的土壤电阻不同来测量湿度，此外还有时域反射仪、频域反射仪法等。采用这些方法的 仪器一般都配备探头，需要插入土壤中进行测量，属于接触式测量方法，对原状土壤干扰较 大，样地稀疏，代表范围有限，需要烦杂的后处理过程，速度较慢且花费的人力、物力较大， 很难在大范围、高效率和全过程进行常规测量的参数，使得较大范围的旱情监测和评估缺 乏实际需要的实效性和代表性。中子法在存储、运输、使用中需要进行核辐射防护，适用面 较窄。空基和天基遥感观测手段具有观测范围广，获取信息量大等优点，在干旱监测中 具有优势。但可见光、近红外等卫星传感器受云盖及太阳照射条件影响，不能全天候工作， 而空基遥感需要飞行架次，成本较高[张升伟，李靖，姜景山，孙茂华，王振占，风云3号卫星 微波湿度计的系统设计与研制.遥感学报2008 (2) : 199207]，而星载平台回返周期长，不适 于连续观测。一种非接触测量方式是使用地面传播电磁场，通过测量地表附近的电导率变化而 提供土壤湿度估计。其使用30KHz至5MHz的电磁波信号[专利号200780045460]，然而该 方法无法保证按需产生云地闪电，而若采用人造发射信源则成本较高。
发明内容本实用新型的目的在于克服上述土壤湿度测量仪器和方法的不足，提供一种无接 触土壤湿度测量仪，从而能够方便的测量土壤湿度。本实用新型提供的技术方案是一种无接触土壤湿度测量仪，包括天线和同轴电 缆，接收组件，USB接口和PC机，其特征在于天线部分包括垂直朝上的GPS L1频段右旋极化天线，接收来自天顶的GPS L1频 段信号；指向地面待测区域的L1频段左旋极化天线，接收来自地面的反射信号，左旋极化 天线和右旋极化天线都安装在L型支架上，两部分信号通过射频传输同轴电缆送至接收组件；接收组件由射频前端一和射频前端二并列组成，其中射频前端一处理来自右旋极 化天线的GPS直达信号，射频前端二处理来自左旋极化天线的GPS反射信号；射频前端一由L1频段滤波器、增益放大器、混频器和AD采样器组成，各组成部分 依次连接，L1频段滤波器从接收信号中取出1575. 42MHz的GPS信号，经过混频后，变换至 中频信号，信号由AD采样器采样后，通过USB接口传输到PC机，射频前端二也完成同样工 作，只不过处理的是GPS反射信号，两路射频前端的时钟统一由晶体振荡器提供。本实用新型由于采用上述结构，与现有的湿度计相比，其优点为1、无接触遥测。由于采用的测量原理不同，利用土壤由于土壤湿度不同而引起的 地面介电常数的不同，通过反射式方法进行，是无接触测量，不需要插入土壤中测量，可以 进行遥测，不破坏土壤，是原状和原位测量。2、无需发射设备，成本低。由于采用了广泛存在的GPS信号作为信源，避免了额外 的专用信源的制作。3、避免了复杂的硬件设备，接收组件主要完成常用的GPS L1频段信号的滤波及放 大、下变频等工作，与一般的GPS接收机功能类似，可以采用常用的硬件前端来实现。而主 要算法采用PC机来实现，成本低，智能化水平高，可广泛适用于农业环境检测领域，如湿地 保护、农田灌溉等。
图1是本实用新型的结构框图。图2是本实用新型的天线及双射频前端连接图。图3是本实用新型的接收组件电路图。图4是本实用新型的USB传输电路连接图。图5是本实用新型的PC机处理软件流程图。图6是本实用新型实施例示意图。
具体实施方式
附图中标记说明1、3_右旋极化天线，2、4_左旋极化天线，5-L型支架，6-同轴电 缆，7-USB 接口，8-地面，9-RHCP 天线，10-LHCP 天线。本实用新型的基本设计思路是1、将该装置天线架设于开阔田间的高处，采用三 角支架、房顶或塔上等有支撑的地方，能够接收到GPS卫星信号和反射信号；2、土壤湿度的 信息由直达GPS信号和反射信号经过计算机处理相关功率得到；3、由于天线和接收机采用 非定制的模拟前端，所以存在接收组件中射频前端一和射频前端二增益不一致的情况，需 要在使用前对其进行校准。校准可采用湖水反射方式，不需要专用仪器，实施方便，校准结 果准确。基于上述设计思路，本实用新型的基本构成如图1所示，包括右旋极化天线3，左 旋极化天线4，接收组件，USB接口 7和PC机。采用L型支架5将天线架设于离地几米至几 十米的地上即可。架设时右旋极化天线3朝上，接收来自天顶的GPS信号，左旋极化天线4 朝下，接收来自地面的反射信号。两路信号经由同轴电缆6送至接收组件。接收组件中的射频前端完成两路信号由L1频段1575. 42MHz转换为中频4. 092MHz的数字信号，送至USB 接口 7。USB接口将采样数据送至PC机，在PC机中完成土壤湿度的反演。在PC机中完成的软件处理，主要包括GPS直达信号的解调和码相关处理，以及GPS 反射信号的解调和码相关处理，该相关处理采用的载波和码相位来自于GPS直达信号解调 的结果，然后根据直达信号相关处理与反射信号的相关处理功率结果进行土壤湿度的估 计。图2为本实用新型的天线及双射频前端。本振采用温补晶振TCX0产生频率为 16. 368MHz的信号，供给射频前端一和射频前端二，其中射频前端一处理直达信号，射频前 端二处理反射信号。两个射频前端处理后的信号包括符号位和数据位，送给USB接口 7。两 个射频前端的采样时钟由一个温补晶振提供，频率大小是16. 368MHz。每个射频前端有三个 输出，分别为两个数据位SIGN、MAG和采样时钟输出CLK_0UT，这六个信号和USB芯片相连。 其中两个前端的SING和MAG位分别与USB芯片的数据端相连，而USB芯片CY68013A只有 一个时钟输入端IFCL，因此只需选用一个采样时钟输出信号作为CY68013A的同步信号。将 CLK_0UT1和CLK_0UT2通过一个跳线连在一起，根据需要选择合适的时钟输出信号。图3为本实用新型的接收组件电路图。核心芯片采用SE4110L，自天线接收的GPS 信号由SMA接头进入，再通过由电容和电感组成的匹配网络L3C4C5后进入LNA输入端。LNA 的输出经B9000声表面滤波器进行第二次滤波后进入混频器的输入端，再通过内部的混 频、滤波和A/D转换产生2比特的数字中频输出。一位是符号位SING，一位是幅度位MAG， 其转换过程受到AGC的控制。AGC能提供40dB范围的增益控制，确保ADC的输入保持在最 佳电平。AGC的时间常量是由外部连接的lOnF的电容C7决定，它使建立时间保持在10ms 以内。图4是本实用新型的USB传输电路连接图。采用的核心芯片CY68013A，双射频前 端中的数据位SIGN、MAG被送至CY68013A的数据PB端口，分别在PB的低位和高位。双射 频前端有两个采样时钟输出CLK_0UT1和CLK_0UT2，通过跳线选择一个作为CY68013A的同 步时钟，接至IFCLK。CY68013A通过GPIF接口和射频前端连接，GPIF有输出控制线CTL和输入准备 RDY，通过CTL和RDY线能够定义时序关系，控制CY68013A和外设的读写。图中CTL线有 SEL0、SEL1，RDY线有SYNC1、SYNC2，用于数据信号的同步。图5是本实用新型的软件功能模块图。当采样数据送入PC机之后，PC机利用软 件进行土壤湿度反演。其基本过程为，首先对直达信号进行捕获和跟踪，当跟踪完成后即获 得每颗已跟踪星的本地载波和码相位。选择高仰角的卫星，利用本地载波和码相位分别对 直达信号和反射信号进行处理，获得的即为该星的反射信号与直达信号相关功率。然后通 过反射信号与直达信号的相关功率比值来求得土壤介电常数，进一步反演出土壤湿度。 在图6所示实施例中，天线架设于L型支架之上，右旋极化天线和左旋极化天线将 信号经由同轴电缆送至接收组件并经由USB接口传输至PC机，运行软件获得土壤湿度。
权利要求一种无接触土壤湿度测量仪，包括天线和同轴电缆，接收组件，USB接口和PC机，其特征在于天线部分包括垂直朝上的GPS L1频段右旋极化天线和指向地面待测区域的L1频段左旋极化天线，左旋极化天线和右旋极化天线都安装在L型支架上，天线上采集的两部分信号通过射频传输同轴电缆送至接收组件，接收组件由射频前端一和射频前端二并列组成，射频前端一由L1频段滤波器、增益放大器、混频器和AD采样器组成，各组成部分依次连接，AD采样器采样后的信号通过USB接口传输到PC机，射频前端二与射频前端一组成相同。
专利摘要本实用新型提供了一种无接触土壤湿度测量仪，包括天线和同轴电缆，接收组件，USB接口和PC机，天线部分包括垂直朝上的GPS L1频段右旋极化天线和指向地面待测区域的L1频段左旋极化天线，左旋极化天线和右旋极化天线都安装在L型支架上，天线上采集的两部分信号通过射频传输同轴电缆送至接收组件，接收组件由射频前端一和射频前端二并列组成，射频前端一由L1频段滤波器、增益放大器、混频器和AD采样器组成，各组成部分依次连接，AD采样器采样后的信号通过USB接口传输到PC机，射频前端二与射频前端一组成相同，PC机中完成软件处理，进行土壤湿度的估计。该实用新型实现了对土壤湿度的无接触测量，不破坏土壤原状且成本低。
文档编号G01N22/04GK201724913SQ201020302408
公开日2011年1月26日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者严颂华, 张训械, 李玉林 申请人:严颂华;张训械;李玉林