可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于探测设备技术领域，涉及一种可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达。
【背景技术】
[0002]目前，现场检测土壤含水率的方法主要是电阻法、电容法等，都是根据土壤的电阻率/电容率随含水率的变化而变化，通过构建传感器两电极电阻/电容与土壤水的数学模型将传感器采集到的信号转换到含水率参数，并进行最终含水率指标显示，并可通过组建区域无线网络实现多点实时监控。
[0003]但是，上述的现场检测的前期是多传感器需要提前埋入目标区域，而且埋入后的传感器深度即不可更改，即只能检测相对固定深度的含水率；由于是埋入土壤中，不利于后期的土壤翻耕；此外，对于越大的目标区域所需的传感器越多，即同时增加了仪器成本与人工成本，降低了检测效率。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达，实现高效探测不同深度的土壤含水率。
[0005]本发明所采用的技术方案是，一种可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达，包括发射/接收天线，发射/接收天线与环形器连接，发射机、接收机分别与环形器连接，频率合成单元与发射机连接，信号处理单元与接收机连接，上位机与信号处理单元连接。
[0006]本发明的特征还在于，频率合成单元由依次连接的第一 FPGA控制模块、DDS内核和DAC转换模块组成。
[0007]发射机由相互连接的脉冲调制模块、功率放大模块组成。
[0008]接收机由相互连接的低噪放大模块、混频模块组成。
[0009]信号处理单元由依次连接的AD转换模块、算法处理模块、数据传输模块组成，算法处理模块包括相互连接的第二 FPGA控制模块、DSP芯片，第二 FPGA控制模块与AD转换模块连接，DSP芯片与数据传输模块连接。
[0010]本发明的有益效果是本发明能够完成对预设的码型进行雷达波发射、目标回波的高速采样、后续雷达算法处理以及上位机数据处理、显示等。对检测判定后所有超过门限的目标信号可上传到上位机。并结合试验总结的数学模型，由上位机进行不同土壤深度的含水率数据处理及显示。此外，由于采用无线局域网进行数据传输，可以在后期进行组网能力扩展，实现多点的同步测试。
【附图说明】
[0011]图1是本发明的结构简图。
[0012]图2是本发明的结构框图。
[0013]图3是频率合成单元结构图。
[0014]图4是发射机的结构图。
[0015]图5是接收机的结构图。
[0016]图6是信号处理单元的结构图。
[0017]图中，1.土壤，2.发射/接收天线，3.环形器，4.接收机，5.发射机，6.信号处理单元，7.频率合成单元，8.上位机，9.功率放大模块，10.脉冲调制模块，11.DAC转换模块，12.DDS内核，13.第一 FPGA控制模块，14.低噪放大模块，15.混频模块，16.AD转换模块，17.算法处理模块，18.数据传输模块，20.第二 FPGA控制模块，21.DSP芯片。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0019]本发明提供一种可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达。由于土壤中的水会改变土壤的电导率和介电常数，即土壤的含水率会对雷达波的传播速度和能量损耗都会产生很大影响，因此，可以应用GPR(Ground Penetrating Radar)技术探测土壤I中含水率的变化情况。结构如图1、图2所示，包括发射/接收天线2，发射/接收天线2与环形器3连接，发射机5、接收机4分别与环形器3连接，频率合成单元7与发射机5连接，信号处理单元6与接收机4连接，上位机8与信号处理单元6连接。
[0020]其中频率合成单元7是通过FPGA产生所需的发射码型和后期处理所需的本振信号。频率合成单元7产生整个系统所需的时序/同步信号。
[0021]发射机5是将发射的码型经过滤波、功放后供给发射天线。发射机5完成所需码型的波形发射。
[0022]接收机4是将回波信号经过低噪放、混频后供给信号处理单元5。接收机4完成雷达回波信号的初步解调处理。
[0023]环形器3用于切换发射天线与接收天线。
[0024]信号处理单元6是将信号进行AD转换、后期算法处理后通过无线局域网上传到上位机8。信号处理单元6完成AD信号采集、雷达算法处理。
[0025]上位机8是将上传后的数据进行屏幕显示，并可对整个系统进行参数配置等。完成目标数据处理、显示和系统控制。
[0026]此外，由于只是监控土壤含水率，只需要最大探测距离达到土壤作物根系深度即可。
[0027]还包括必须的电源系统、调试接口等。
[0028]频率合成单元7如附图3所示。主要由DDS内核12、第一 FPGA控制模块13和DAC转换模块11组成。DDS内核12负责产生所需的码型，第一 FPGA控制模块13负责控制DDS内核12以及对外通信，DAC转换模块11负责对码型进行数字模拟信号转换，并将产生的模拟信号发送到各分系统进行同步。
[0029]发射机5如附图4所示。由脉冲调制模块1、功率放大模块9组成。脉冲调制模块10负责对发射的波形进行载波调制，功率放大模块9对所需的波形进行功率放大，并可对功率放大倍数进行相应的控制。
[0030]接收机4如附图5所示。由低噪放大模块14、混频模块15组成。低噪放大模块14负责将目标回波信号进行信号放大射频滤波，混频模块15负责将放大后的信号与本振信号进行混频，使其降到后期可处理的中频信号。
[0031]信号处理单元6如附图6所示。由AD转换模块16、算法处理模块17、数据传输模块18组成。其中AD转换模块16负责对模拟信号进行信号采集，采集后的数字信号通过算法处理模块17中的第二 FPGA控制模块20和DSP芯片21进行雷达算法处理，例如DDC下变频以及脉冲压缩等，处理后的数据通过数据传输模块18的无线局域网上传到上位机8。
[0032]上位机8可以用一台通用笔记本电脑来实现。主要包括数据处理模块、数据显示模块以及系统控制界面等。通过实验总结出的数学模型也运行于上位机。
[0033]整个雷达工作于地面的正上方，雷达的发射机将调制好的雷达信号通过发射天线直接发射到目标土壤区域，反射回来的雷达回波通过接收天线传输到接收机完成低噪放大和下变频后输出中频信号给信号处理单元，信号处理单元通过AD采样、下变频算法处理后上传到上位机。上位机根据雷达波发射至反射波返回的时间差、反射界面距土壤表面的深度等参数，结合之前实验室总结的数学模型实现土壤含水率的测定。
[0034]本发明的技术关键点在于:
[0035]1.探地雷达的硬件架构，包括发射波形的选择与产生、发射机、接收机、信号处理单元、上位机等。
[0036]2.雷达回波信号特性与土壤含水率及探测深度等的数学模型。
[0037]3.可扩展的后期组网能力。
【主权项】
1.一种可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达，其特征在于，包括发射/接收天线(2)，发射/接收天线(2)与环形器(3)连接，发射机(5)、接收机(4)分别与环形器(3)连接，频率合成单元(7)与发射机(5)连接，信号处理单元(6)与接收机(4)连接，上位机(8)与信号处理单元(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达，其特征在于，频率合成单元(7)由依次连接的第一 FPGA控制模块(13)、DDS内核(12)和DAC转换模块(11)组成。
3.根据权利要求1所述的一种可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达，其特征在于，发射机(5)由相互连接的脉冲调制模块(10)、功率放大模块(9)组成。
4.根据权利要求1所述的一种可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达，其特征在于，接收机(4)由相互连接的低噪放大模块(14)、混频模块(15)组成。
5.根据权利要求1所述的一种可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达，其特征在于，信号处理单元(6)由依次连接的AD转换模块(16)、算法处理模块(17)、数据传输模块(18)组成，所述算法处理模块(17)包括相互连接的第二 FPGA控制模块(20)、DSP芯片(21)，第二 FPGA控制模块(20)与AD转换模块(16)连接，DSP芯片(21)与数据传输模块(18)连接。
【专利摘要】本发明公开了一种可现场检测土壤含水率的便携式探地雷达，包括发射/接收天线，发射/接收天线与环形器连接，发射机、接收机分别与环形器连接，频率合成单元与发射机连接，信号处理单元与接收机连接，上位机与信号处理单元连接。本发明的有益效果是本发明能够完成对预设的码型进行雷达波发射、目标回波的高速采样、后续雷达算法处理以及上位机数据处理、显示等。对检测判定后所有超过门限的目标信号可上传到上位机。并结合试验总结的数学模型，由上位机进行不同土壤深度的含水率数据处理及显示。此外，由于采用无线局域网进行数据传输，可以在后期进行组网能力扩展，实现多点的同步测试。
【IPC分类】G01V3-12
【公开号】CN104749644
【申请号】CN201510124155
【发明人】刘中培, 于福荣, 冯武
【申请人】华北水利水电大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月20日