一种非接触式的多层次土壤湿度测量方法和装置

1.本发明涉及土壤湿度测量领域，更确切地说，它涉及一种非接触式的多层次土壤湿度测量方法和装置。


背景技术：

2.土壤湿度亦称土壤含水率，是表征土壤干湿程度的物理量，是生态系统的重要影响因子。土壤湿度是地表蒸散、土壤蒸发和植被蒸腾的重要水分来源，作为地表水分循环和地气系统间能量循环等过程中的重要土壤参数，对地表感热和潜热通量的转换、渗透和径流之间的降雨分配、地表一大气系统间的耦合反馈机制等有着巨大的影响作用。因此，土壤湿度对天气预报和气候研究有着重要价值；准实时的土壤湿度动态监测对边坡稳定性预判、精准农业等均有着重要意义。已有的测量土壤湿度的技术可分为两类:1)基于接触的测量技术在土壤中插入如电容式传感器、rfid标签和金属棒等物体，面临主要挑战包括安装不方便、测量范围受限且成本高昂；2)非接触式测量技术大多利用反射信号来反演地表的参数信息，如全球导航卫星系统反射计(gnss-r)技术和对全球导航卫星系统反射信号干涉测量技术法(gnss-ir)等，主要通过提取干涉信号中多路径信号的信噪比观测值反演土壤湿度，其原理是反射信号信噪比的振荡幅度、相位都与土壤湿度有一定的相关性。其主要挑战是土壤含水量及土壤构成往往存在空间差异性，而短时问内单系统、单卫星在相近方位的复现性较差。此外，这类技术依赖于表面的射频信号的反射，只能测量表面附近的水分，且测量局限于固定的深度，无法满足根据作物和作物周期在不同的深度的湿度要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种非接触式的多层次土壤湿度测量方法和装置，其原理是无线射频信号的相位取决于其在传播介质中的波长，故本发明利用接收天线阵列中连续天线的相位变化以及接收信号的飞行时间来共同估计每层土壤的深度和信号波长，利用这两类估计值来反演出每层土壤的湿度。
4.第一方面，提供了一种非接触式的多层次土壤湿度测量方法，包括：
5.s1、布置无线射频信号的发射天线与接收天线；所述接收天线包括r根接收天线并排放置的天线阵列；发射天线与第一根接收天线的间隔为δtr，任意两根相邻接收天线之间的间隔为δr，所有天线距离土壤表面的高度为d0；
6.s2、在一定频率范围内等间隔扫描信号，估计信道频率响应，并利用逆傅里叶变换获得功率延迟分布时域信号，从中提取反射信号；
7.s3、检查相邻接收天线信号的相位差，设定阈值进行信号过滤，舍弃非土壤层的反射信号；
8.s4、利用迭代方法，对步骤s3过滤后的反射信号进行联合估计，以确定各层土壤的深度以及穿越每层土壤的反射信号波长；
9.s5、基于接收天线反射信号的频率和波长估计每层土壤的介电常数，利用topp经
验公式计算每层土壤的湿度。
10.作为优选，s2包括：
11.s201、发射天线以δf的固定间隔从fs到fe的频谱发出信号，通过测量接收天线反射信号的幅度衰减和相位变化来估计信道频率响应；
12.s202、计算信道频率响应的逆快速傅里叶变换，得到功率延迟分布时域信号，利用峰值检测法从功率延迟分布中提取发射信号并估计出其飞行时间。
13.作为优选，s201中，信道频率响应由复数表示，其中复数的大小表示该频率下由信道引起的衰减，复数的相位表示由信道引起的相移，设置频率为f的传输信号具有单位振幅和零相位，则信道频率响应h(f)等于接收信号，并由以下公式给出：
14.h(f)＝ae-j2πfφ
15.其中，h(f)表示在频率f下的信道频率响应，a和φ表示由信道引起的接收信号的振幅衰减和相位偏移。
16.作为优选，s202中，用h(t)来表示功率延迟分布，其中t代表飞行时间，h(t＝τ)量化了信号传输后τ秒到达接收天线的振幅和相位；在信号发射后τ1至τn秒到达接收天线包括n次反射，则功率延迟分布的振幅将在每个t＝τi处包含一个峰值，其中i∈{1，n}，第i次反射的振幅和相位由复数h(t＝τi)给出；对每一根接收天线，计算其功率延迟分布h(t)的功率为||h(t)||2，然后使用峰值检测算法，找到||h(t)||2中的所有峰值，峰值数量表示反射的数量n，峰值的位置表示反射信号的飞行时间。
17.作为优选，s3中，对于接收天线收集的反射信号，检查该反射信号的相位是否在相邻的天线之间有很大的变化，以及这种变化是否在连续的天线对之间增加；让δξi表示在两个连续的接收天线i和i+1收到的反射信号的相位差，对于来自土壤层的有效反射，以下条件必须成立：
[0018][0019]
其中r是接收天线阵列中的天线数量，γ表示预设的误差幅度；如果这个条件成立，则该反射信号为来自土壤层的有效反射；否则，将其作为一个干扰信号丢弃。
[0020]
作为优选，s4中，令φ
ij
表示从第j层土壤反射后返回的信号在两个连续接收天线i和i+1之间观察到的相位差，表示反射信号穿过第k层土壤对相位差φ
ij
的贡献，则有：
[0021][0022]
其中，r表示接收天线的数量，s表示土壤的层数；
[0023]
用l
ij
表示无线射频信号经过j层土壤，反射到接收天线i的总距离，其中1≤i≤r，1≤j≤s，则有：
[0024][0025]
其中表示该信号路径穿过第k层土壤的距离，1≤k≤j；
[0026]
相位差φ
ij
和距离之间的关系表述为：
[0027][0028]
其中λk表示经过第k层土壤的信号波长，和分别表示从第j层土壤反射后的信号经过第k层土壤的距离。
[0029]
作为优选，s4中，对任意k≤j，有θ为信号与垂直方向的夹角，dk表示第k层土壤的厚度，得：
[0030][0031]
其中表示发射信号到第i根接收天线距离的一半；进一步得相位差：
[0032][0033]
其中λk表示经过第k层土壤的信号波长，dk表示第k层土壤的厚度，表示从地面到第j层土壤的厚度，和分别表示反射信号到接收天线i和i+1的传播距离；
[0034]
令t
ij
表示j层土壤反射信号到第i根接收天线的飞行时间，表示反射信号通过第k层土壤层的时间：
[0035][0036]
由得：
[0037][0038]
代入上述公式得：
[0039][0040]
其中是未知量，采用迭代法估算，从j＝1到j＝r-1估算的值，并取均值；对于第j次迭代，得到第j层土壤的深度，第j层土壤的反射信号波长λj，有：
[0041][0042]
其中，
[0043]
作为优选，s5中，每层土壤的介电常数用下列公式计算：
[0044]
∈
p
＝(c/fλ)2[0045]
∈
p
表示土壤介电常数，f为信号频率，c为光速常量，λ表示信号波长；使用经验公式topp方程，计算土壤含水量：
[0046][0047]
其中ψ表示土壤湿度，是水的体积与水土总体积之比，∈
p
表示介电常数。
[0048]
第二方面，提供了一种非接触式的多层次土壤湿度测量装置，用于执行第一方面所述的非接触式的多层次土壤湿度测量方法，包括：一根无线射频信号发射天线和r根接收天线并排放置的天线阵列，其中发射天线与第一根接收天线的间隔为δtr，任意两根相邻的接收天线之间的间隔为δr，所有天线距离土壤表面的高度为d0。
[0049]
本发明的有益效果是：本发明利用反射无线射频信号估计每层土壤的深度和波长，进而反演出每层土壤的湿度具有较高的精度，且不需要与土壤接触，易于安装和部署，具有较大的应用推广价值。
附图说明
[0050]
图1为本发明提出的非接触式多层次土壤湿度测量装置示意图；
[0051]
图2为本发明实施例的非接触式多层次土壤湿度测量方法流程图；
[0052]
图3为本发明实施例中的反射信号提取流程图。
具体实施方式
[0053]
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0054]
实施例1：
[0055]
一种非接触式的多层次土壤湿度测量装置，如图1所示，包括：一根无线射频信号发射天线和r根接收天线并排放置的天线阵列，其中发射天线与第一根接收天线的间隔为δtr，任意两根相邻的接收天线之间的间隔为δr，所有天线距离土壤表面的高度为d0。
[0056]
实施例2：
[0057]
一种非接触式的多层次土壤湿度测量方法，包括：
[0058]
s1、布置无线射频信号的发射天线与接收天线；接收天线包括r根接收天线并排放置的天线阵列；发射天线与第一根接收天线的间隔为δtr，任意两根相邻接收天线之间的间隔为δr，所有天线距离土壤表面的高度为d0；
[0059]
s2、在一定频率范围内等间隔扫描信号，估计信道频率响应，并利用逆傅里叶变换
获得功率延迟分布时域信号，从中提取反射信号；
[0060]
s3、检查相邻接收天线信号的相位差，设定阈值进行信号过滤，舍弃非土壤层的反射信号；
[0061]
s4、利用迭代方法，对步骤s3过滤后的反射信号进行联合估计，以确定各层土壤的深度以及穿越每层土壤的反射信号波长；
[0062]
s5、基于接收天线反射信号的频率和波长估计每层土壤的介电常数，利用topp经验公式计算每层土壤的湿度。
[0063]
s2包括：
[0064]
s201、为了提取每一层土壤的反射信号，以增量δf，从fs到fe，即在序列《h(fs)，h(fs+δf)，h(fs+2δf)，...，h(fe)》，估计每个频率的信道频率响应，设置fs＝2ghz，fe＝3ghz，δf＝4mhz。发射天线以δf的固定间隔从fs到fe的频谱发出信号，通过测量接收天线反射信号的幅度衰减和相位变化来估计信道频率响应；
[0065]
s202、计算信道频率响应的逆快速傅里叶变换，得到功率延迟分布时域信号，利用峰值检测法从功率延迟分布中提取发射信号并估计出其飞行时间。
[0066]
s201中，信道频率响应由复数表示，其中复数的大小表示该频率下由信道引起的衰减，复数的相位表示由信道引起的相移，设置频率为f的传输信号具有单位振幅和零相位，则信道频率响应h(f)等于接收信号，并由以下公式给出：
[0067]
h(f)＝ae-j2πfφ
[0068]
其中，h(f)表示在频率f下的信道频率响应，a和φ表示由信道引起的接收信号的振幅衰减和相位偏移。
[0069]
s202中，用h(t)来表示功率延迟分布，其中t代表飞行时间，h(t＝τ)量化了信号传输后τ秒到达接收天线的振幅和相位；在信号发射后τ1至τn秒到达接收天线包括n次反射，则功率延迟分布的振幅将在每个t＝τi处包含一个峰值，其中i∈{1，n}，第i次反射的振幅和相位由复数h(t＝τi)给出；为提取传输信号到达接收天线阵列的反射及其飞行时间，对每一根接收天线，计算其功率延迟分布h(t)的功率为||h(t)||2，然后使用峰值检测算法，找到||h(t)||2中的所有峰值，峰值数量表示反射的数量n，峰值的位置表示反射信号的飞行时间。
[0070]
s3中，在连续接收天线上的反射信号取决于信号通过介质的介电常数。介电常数越高，在连续接收天线上反射信号的相位变化越大，而土壤相比于空气的介电常数要大得多。因此，本发明舍弃非土壤层的反射信号的方法是，对于接收天线收集的反射信号，检查该反射信号的相位是否在相邻的天线之间有很大的变化，以及这种变化是否在连续的天线对之间增加；让δξi表示在两个连续的接收天线i和i+1收到的反射信号的相位差，对于来自土壤层的有效反射，以下条件必须成立：
[0071][0072]
其中r是接收天线阵列中的天线数量，γ表示预设的误差幅度；如果这个条件成立，则该反射信号为来自土壤层的有效反射；否则，将其作为一个干扰信号丢弃。
[0073]
s4中，令φ
ij
表示从第j层土壤反射后返回的信号在两个连续接收天线i和i+1之间观察到的相位差，表示反射信号穿过第k层土壤对相位差φ
ij
的贡献，则有：
[0074][0075]
其中，r表示接收天线的数量，s表示土壤的层数；
[0076]
用l
ij
表示无线射频信号经过j层土壤，反射到接收天线i的总距离，其中1≤i≤r，1≤j≤s，则有：
[0077][0078]
其中表示该信号路径穿过第k层土壤的距离，1≤k≤j；
[0079]
相位差φ
ij
和距离之间的关系表述为：
[0080][0081]
其中λk表示经过第k层土壤的信号波长，和分别表示从第j层土壤反射后的信号经过第k层土壤的距离。
[0082]
s4中，对任意k≤j，有θ为信号与垂直方向的夹角，dk表示第k层土壤的厚度，得：
[0083][0084]
其中表示发射信号到第i根接收天线距离的一半；进一步得相位差：
[0085][0086]
其中λk表示经过第k层土壤的信号波长，dk表示第k层土壤的厚度，表示从地面到第j层土壤的厚度，和分别表示反射信号到接收天线i和i+1的传播距离；
[0087]
令t
ij
表示j层土壤反射信号到第i根接收天线的飞行时间，表示反射信号通过第k层土壤层的时间：
[0088][0089]
由得：
[0090][0091]
代入上述公式得：
[0092][0093]
其中是未知量，采用迭代法估算，从j＝1到j＝r-1估算的值，并取均值；对于第j次迭代，得到第j层土壤的深度，第j层土壤的反射信号波长λj，有：
[0094][0095]
其中，
[0096]
本方法采用迭代法，从j＝1开始计算λ1的值，在第j次迭代中，计算第j层土壤的深度dj、信号波长λj、所有λk的值，其中k＜j。
[0097]
s5中，利用反射信号频率和波长估计每层土壤的介电常数，采用经验公式topp方程将介电常数转化为土壤湿度值。本方法的土壤湿度值ψ定义为水的体积与土壤总体积加水的体积之比，以百分比形式表示。在无线射频信号有足够高的频率情况下，介电常数可用相对介电常数的实部表示，即∈
p
≈re[∈r]。本方法采用的无线射频信号频率在2到3ghz，满足了高频率的要求。因此，每层土壤的介电常数用下列公式计算：
[0098]
∈
p
＝(c/fλ)2[0099]
∈
p
表示土壤介电常数，f为信号频率，c为光速常量，λ表示信号波长；使用经验公式topp方程，计算土壤含水量：
[0100][0101]
其中ψ表示土壤湿度，是水的体积与水土总体积之比，∈
p
表示介电常数。
[0102]
实施例3：
[0103]
为验证有效性，本发明还进行了如下的验证测试，实验环境包括1根发射和5根接收天线并排放置且距离地面的距离为10cm，发射天线和最近的接收天线距离设置为12cm，任意两根相邻接收天线的距离设置为2cm。为了采集反射信号，发射天线设置从fs＝2ghz到fe＝3ghz，步长为δf＝4mhz发射无线射频信号。为了评估性能，采用土壤湿度传感器插入相应深度的土壤得到真实的土壤湿度数据，与本发明的测量数据进行对比评估性能。在15cm、25cm和35cm的三层土壤进行实验，每次实验重复进行三次计算评估性能，结果如下表所示：
[0104]
表1本发明的土壤湿度测量效果对比
[0105]
土壤深度15cm25cm35cm
本发明技术12.5％8.3％4.2％土壤湿度传感器13.6％9.1％4.8％测量误差1.1％0.8％0.6％
[0106]
从上表可以看出，本发明提出的非接触式的多层次土壤湿度测量方法取得了较好的效果，与专用土壤湿度传感器的测量错误小于1.1％。
[0107]
综上所述，本技术利用反射无线射频信号估计每层土壤的深度和波长，进而反演出每层土壤的湿度具有较高的精度，且不需要与土壤接触，易于安装和部署，具有较大的应用推广价值。