本發(fā)明專利技術(shù)提供一種基于超寬帶雷達(dá)的測量土壤含水量的方法，屬于土壤含水量測量領(lǐng)域。為了解決傳統(tǒng)土壤含水量的測量方法，實時性不好，一次性測量的土壤面積較小等問題，本發(fā)明專利技術(shù)提供的基于超寬帶雷達(dá)的測量土壤含水量的方法，主要采用的步驟有：采用一種超寬帶雷達(dá)采集雷達(dá)數(shù)據(jù)，以估計土壤的超寬帶多徑信道；分析多徑信道的參數(shù)（幅度、時延擴展），分析他們的統(tǒng)計特性；建立含水量與多徑信道的統(tǒng)計特性之間的關(guān)系；根據(jù)對應(yīng)關(guān)系，測量目標(biāo)土壤的含水量。本發(fā)明專利技術(shù)提供的方法，可以準(zhǔn)確、無破壞地對土壤的含水量進(jìn)行實時監(jiān)控。此方法適用于農(nóng)田，特別是實現(xiàn)組網(wǎng)之后，可以大范圍地進(jìn)行實時性土壤監(jiān)測。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種土壤含水量參數(shù)的測量方法，具體涉及一種基于超寬帶雷達(dá)的土 壤含水量測量方法。
技術(shù)介紹
土壤是實施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。隨著中國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們向土壤排放的 污染物越來越多，土壤污染日益嚴(yán)重。土壤信息具有數(shù)據(jù)量大、分布多維、空間分布差異 大、時變性強等特點。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，人們獲取土壤信息的方式有限，主要是通過人工測量，獲 取過程需要消耗大量的人力和時間，無法滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對信息及時獲取以及數(shù)據(jù)多維的 需求，并會對環(huán)境造成一定影響，因此迫切需要科學(xué)有效的土壤信息獲取技術(shù)，建立信息化 智能化管理控制系統(tǒng)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程中，含水量是農(nóng)作物生長的重要的土壤環(huán)境參數(shù)之一，它直接 影響農(nóng)作物的生長。目前已有的大部分土壤監(jiān)測設(shè)備只是對土壤的含水量參數(shù)進(jìn)行檢測， 而且實時性不好，且一次性的測量的土壤面積較小，無法滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對信息及時獲取的 需求。 新型的UWB數(shù)字雷達(dá)傳感器具有分辨率高、穿透力強、功耗低等特性，在特定范圍 內(nèi)，對比傳統(tǒng)雷達(dá)，能有效提高目標(biāo)探測和識別的精準(zhǔn)性；此外它兼具普通無線傳感器的通 信功能，體積小、易編程、可以構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，有效地融合每個雷達(dá)傳感器采集到的不同時空信 息，實現(xiàn)高清監(jiān)測靈活組網(wǎng)的功能。 由于UWB信號在土壤中的強穿透性和高分辨率，我們可以通過對接收到的回波信 號進(jìn)行處理，如時頻變換，從而獲取到反應(yīng)土壤對雷達(dá)波的吸收和散射的特性，目前研究結(jié) 果比較多的是土壤的介電常數(shù)。介電常數(shù)與土壤的含水量是息息相關(guān)的，從而使實時獲取 土壤信息成為可能。現(xiàn)有的雷達(dá)波測量土壤含水量的研究，主要是利用雷達(dá)的窄帶或?qū)拵?信號，對土壤的介電常數(shù)進(jìn)行研究，利用中國幾種典型的土壤介電常數(shù)與含水量的關(guān)系，從 而實現(xiàn)對土壤含水量進(jìn)行測量。現(xiàn)有土壤含水量檢測技術(shù)中，對雷達(dá)的超寬帶信號運用很 少，不通過介電常數(shù)，直接通過超寬帶雷達(dá)回波信號與土壤含水量的關(guān)系，對土壤含水量進(jìn) 行檢測的方法，目前還未見報道。 名為基于低頻探地雷達(dá)地波法的測定砂質(zhì)土壤含水量的方法（申請?zhí)枮?2010102724673)的專利中，公開了一種基于低頻探地雷達(dá)地波法的測定砂質(zhì)土壤含水量的 方法，具體測定步驟為：通過共中點法采集探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，以確定空氣波和地波走時；以固 定間距法采集土壤剖面的雷達(dá)波信息；土壤介電常數(shù)的計算：將參數(shù)代入公式得土壤的介 電常數(shù)ε ;土壤含水量的計算：將計算得到的土壤介電常數(shù)ε代入Θ =-5. 3Χ1(Γ2+2. 92 X 1(Γ2 ε -5. 5Χ 1(Γ4 ε 2+4. 3Χ 1(Γ6 ε 3,得土壤含水量。該方法是通過研究砂質(zhì)土壤的介電常 數(shù)與含水量的關(guān)系，主要用于砂質(zhì)土壤的含水率測定，并未探討土壤的含水量與超寬帶雷 達(dá)回波信號的對應(yīng)關(guān)系。 因此，需要運用UWB信號提取最根本的土壤反射內(nèi)核模型，獲取土壤含水量特性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對目前測量土壤濕度(含水量）參數(shù)的的方法，本專利技術(shù)提供一種建立土壤濕度與 超寬帶雷達(dá)信號參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，依據(jù)對應(yīng)關(guān)系得到目標(biāo)土壤濕度的測量方法，本專利技術(shù)在 實現(xiàn)組網(wǎng)之后可以進(jìn)行大范圍的實時性土壤監(jiān)測，以推動我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。 本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案是： ，其特征在于，包括以下步驟： a. 在土壤測量區(qū)設(shè)立采樣點，分別采集每個采樣點的濕度參數(shù)值； b. 利用超寬帶雷達(dá)傳感器采集每個采樣點的土壤回波的時域數(shù)據(jù)，每個采樣點重復(fù) 采集300次； c. 對采集的土壤回波的時域數(shù)據(jù)采用無線多徑信道沖擊估計的時域方法提取土壤信 道沖擊響應(yīng)；采用最大似然法，對多徑信道的參數(shù)進(jìn)行估計計算，確定最佳的分布模型，并 記錄最佳分布模型參數(shù)值； d. 根據(jù)步驟a得到的濕度參數(shù)值與步驟c得到的最佳分布模型參數(shù)值，建立土壤濕度 和最佳分布模型參數(shù)的映射關(guān)系； e. 對土壤測量區(qū)用超寬帶雷達(dá)傳感器采集土壤回波的時域數(shù)據(jù)(重復(fù)300次采集每個 采樣點的土壤回波信號的時域數(shù)據(jù))，根據(jù)步驟c得到的最佳的分布模型，得到分布參數(shù)，根 據(jù)步驟d得到的映射關(guān)系，即可反演出土壤的含水量。 作為優(yōu)選，步驟a中所述的設(shè)立采樣點的個數(shù)為不少于10個。 進(jìn)一步地，步驟c中所述的土壤信道沖擊響應(yīng)包括土壤信道的幅度和時延信息； 所述的采用無線多徑信道沖擊估計的時域方法提取信道沖擊響應(yīng)，包括以下步驟： al.在理想情況下，記錄超寬帶接收信號的時域數(shù)據(jù)，作為下一次發(fā)射信號模板；所述 的理想情況為：在暗室中，兩個超寬帶雷達(dá)相距l(xiāng)m，各距離地面高度lm，從一個雷達(dá)的發(fā)射 天線發(fā)射超寬帶信號，另一個雷達(dá)的接收天線接收超寬帶信號； a2.計算發(fā)射信號模板的自相關(guān)，記為RSS(k);計算發(fā)射信號模板與步驟b得到的土 壤回波的時域數(shù)據(jù)的互相關(guān)，記為RSY(k); a3.查找RSY (k)中的最大峰值MAXy、最大峰值MAXy出現(xiàn)的位置TK和RSS (k)中的最 大值MAXs，定義ak為信道沖擊響應(yīng)在位置TK時的增益，則ak= MAXy/MAXs ; a4.在時間 TK，通過 RSY (k) =RSY (k) -ak* RSS (k)，對 RSY (k)進(jìn)行更新； a5.重復(fù)a3到a4的步驟，直到RSY (k)中剩下的最強相關(guān)峰值降低到門限時則終止。 作為優(yōu)選，步驟a5中所述的門限為最后找到的最強相關(guān)峰與第一個最強相關(guān)峰 的比值對數(shù)小于-20dB。 進(jìn)一步地，步驟c中所述的確定最佳的分布模型，包括以下步驟： bl.將土壤信道沖擊響應(yīng)采用最大似然法，估計出各個統(tǒng)計分布模型的對應(yīng)參數(shù)值和 參數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差； b2.根據(jù)估計得到的各個統(tǒng)計分布模型的參數(shù)值，計算各個統(tǒng)計分布的均方根誤差； b3.根據(jù)步驟bl得到的參數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)差和步驟b2得到的各個統(tǒng)計分布的均方根誤差， 確定最佳的分布模型。 本專利技術(shù)的有益效果如下： 本專利技術(shù)提供的基于超寬帶雷達(dá)的測量土壤含水量的方法中，建立的是一種土壤濕度與 超寬帶雷達(dá)信號參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，并依靠此對應(yīng)關(guān)系，可以準(zhǔn)確、無破壞地對土壤的含水量 進(jìn)行實時監(jiān)控。此方法適用于農(nóng)田，特別是實現(xiàn)組網(wǎng)之后，可以大范圍地進(jìn)行土壤實時監(jiān) 測，以推動我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。 【附圖說明】 圖1發(fā)射信號模版 圖2發(fā)射信號模板的自相關(guān)圖 圖3接收信號 圖4發(fā)射信號模板與土壤回波信號的互相關(guān)圖 圖5提取的信道沖擊響應(yīng)結(jié)果 圖6無線信道沖擊響應(yīng)幅度分布統(tǒng)計分析結(jié)果。 【具體實施方式】 本專利技術(shù)結(jié)合以下【具體實施方式】作具體說明，但不用來限制本專利技術(shù)的保護(hù)范圍。 實施例1 本專利技術(shù)提供的是，主要采用以下方法： 1) 劃定土壤試驗區(qū)，在試驗區(qū)中均勻的設(shè)定不少于10個采樣點，利用現(xiàn)有的測量土壤 單個參數(shù)的精準(zhǔn)測量儀器，分別采集土壤的濕度參數(shù)； 2) 利用UWB雷達(dá)傳感器對試驗區(qū)采集各個采樣點處的土壤回波的時域信號； 3) 對采樣點采集的回波信號采用無線多徑信道沖擊估計的時域方法提取多徑信道，利 用參數(shù)估計算法對多徑信道的幅度、時延等參數(shù)分布模型進(jìn)行估計，得到數(shù)理統(tǒng)計模型的 參數(shù)，選取最佳參數(shù)估計結(jié)果，確定最佳的分布模型，記錄最佳分布模型參數(shù)； 4) 根據(jù)最佳擬合分布模型的參數(shù)值分別和已測量到的土壤單個參數(shù)值建立映射模型， 形成區(qū)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種基于超寬帶雷達(dá)的土壤含水量測量方法，其特征在于，包括以下步驟：a．在土壤測量區(qū)設(shè)立采樣點，分別采集每個采樣點的濕度參數(shù)值；b．利用超寬帶雷達(dá)傳感器采集每個采樣點的土壤回波的時域數(shù)據(jù),每個采樣點重復(fù)采集300次；c．對采集的土壤回波的時域數(shù)據(jù)采用無線多徑信道沖擊估計的時域方法提取土壤信道沖擊響應(yīng)；采用最大似然法，對多徑信道的參數(shù)進(jìn)行估計計算，確定最佳的分布模型，并記錄最佳分布模型參數(shù)值；d．根據(jù)步驟a得到的濕度參數(shù)值與步驟c得到的最佳分布模型參數(shù)值，建立土壤濕度和最佳分布模型參數(shù)的映射關(guān)系；?e．對土壤測量區(qū)用超寬帶雷達(dá)傳感器采集土壤回波的時域數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟c得到的最佳的分布模型，得到分布參數(shù)，根據(jù)步驟d得到的映射關(guān)系，即可反演出土壤的含水量。
【技術(shù)特征摘要】
1. 一種基于超寬帶雷達(dá)的土壤含水量測量方法，其特征在于，包括以下步驟： a. 在土壤測量區(qū)設(shè)立采樣點，分別采集每個采樣點的濕度參數(shù)值； b. 利用超寬帶雷達(dá)傳感器采集每個采樣點的土壤回波的時域數(shù)據(jù)，每個采樣點重復(fù) 采集300次； c. 對采集的土壤回波的時域數(shù)據(jù)采用無線多徑信道沖擊估計的時域方法提取土壤信 道沖擊響應(yīng)；采用最大似然法，對多徑信道的參數(shù)進(jìn)行估計計算，確定最佳的分布模型，并 記錄最佳分布模型參數(shù)值； d. 根據(jù)步驟a得到的濕度參數(shù)值與步驟c得到的最佳分布模型參數(shù)值，建立土壤濕度 和最佳分布模型參數(shù)的映射關(guān)系； e. 對土壤測量區(qū)用超寬帶雷達(dá)傳感器采集土壤回波的時域數(shù)據(jù)，根據(jù)步驟c得到的最 佳的分布模型，得到分布參數(shù)，根據(jù)步驟d得到的映射關(guān)系，即可反演出土壤的含水量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超寬帶雷達(dá)的土壤含水量測量方法，其特征在于，步驟a 中所述的設(shè)立采樣點的個數(shù)為不少于10個。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超寬帶雷達(dá)的土壤含水量測量方法，其特征在于，步驟c 中所述的土壤信道沖擊響應(yīng)包括土壤信道的幅度和時延信息；所述的采用無線多徑信道沖 擊估計的時域方法提取信道沖擊響應(yīng)，包括以下步驟： al.在理想情況下，記錄超寬帶接收信號的時域數(shù)據(jù)，作為下一次發(fā)射信號模板；所述 的理想情況為：在暗室中，兩個超寬帶雷達(dá)相距l(xiāng)m，各距離地...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梁菁，劉淼，胡耀月，朱方啟，霍揚揚，毛誠晨，劉懷遠(yuǎn)，
申請(專利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。