陸 明，劉惠斌，王晨光，盧 玉

（天津特利普爾科技有限公司，天津 300384）

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新型TDR土壤水分測(cè)定儀SOILTOP-200的開發(fā)及應(yīng)用

陸 明，劉惠斌，王晨光，盧 玉

（天津特利普爾科技有限公司，天津 300384）

SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀區(qū)別于其它 TDR 技術(shù)同類產(chǎn)品，采用頻域頻率步進(jìn)體系及矢量接收技術(shù)，應(yīng)用離散傅立葉逆變換（IDFT）實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤體積含水率的 TDR 測(cè)量。通過對(duì)安徽潮土、江西紅壤、東北黑土等多種不同土壤的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，以及天津市靜?？h、河南省、吉林省等多地域不同土樣的田間測(cè)量與人工法數(shù)據(jù)的比對(duì)證實(shí)，SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀在未經(jīng)率定使用本機(jī)預(yù)埋缺省公式的前提下，能夠精確測(cè)量土壤含水率，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量誤差均低于 ±2%，野外測(cè)量誤差也基本達(dá)到 ±2% 以內(nèi)。因此，SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀可作為快速、可靠及有效測(cè)定田間土壤含水量的儀器。

SOILTOP-200；土壤水分測(cè)定儀；TDR；矢量掃頻；率定

0 引言

使用時(shí)域反射技術(shù)（TDR）檢測(cè)土壤水分，以其測(cè)量精度高，對(duì)于大多數(shù)土壤不需率定而普遍被認(rèn)可為目前測(cè)定土壤水分最有效的方法。但由于關(guān)鍵技術(shù)——對(duì)于電磁波傳輸時(shí)間的精確測(cè)量為國(guó)外少數(shù)幾個(gè)國(guó)家壟斷，造成此類儀器價(jià)格昂貴，難以大范圍推廣應(yīng)用。近年來國(guó)內(nèi)外開發(fā)研制了頻域法（FD）、駐波比法（SWR）[1-2]及基于相位檢測(cè)原理的 P-TDR[3]儀器，試圖尋找一種替代 TDR 技術(shù)的簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的模式，但由于均非真正測(cè)量電磁波的傳導(dǎo)時(shí)間，因此測(cè)量結(jié)果均不同程度地依賴于所測(cè)土壤的其它物化特性，仍需提前并定期進(jìn)行公式的率定。SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀不同于傳統(tǒng)的 TDR 儀器，在國(guó)際上首次將頻域頻率步進(jìn)體制和矢量接收技術(shù)應(yīng)用于土壤水分檢測(cè)領(lǐng)域[4]，完全實(shí)現(xiàn)對(duì)于土壤體積含水率的 TDR 測(cè)量。

1 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀的技術(shù)原理

利用 TDR 原理測(cè)量土壤體積含水率基于電磁學(xué)中介電常數(shù)的理論。具有能量的電磁脈沖信號(hào)沿著同軸線或平行線傳播，傳播速度依賴于與波導(dǎo)傳輸線相接觸和包圍著的介質(zhì)材料的表觀介電常數(shù)[5]（以下簡(jiǎn)稱為介電常數(shù)），公式為，式中：Ka 為介電常數(shù)；c 為光速。

每種物質(zhì)都有其固有的介電常數(shù)，組成土壤的成分主要有空氣、礦物質(zhì)、有機(jī)顆粒及土壤吸入的水分等。由于水的介電常數(shù)為 80，遠(yuǎn)大于空氣（介電常數(shù)為 1）與礦物質(zhì)、有機(jī)顆粒（介電常數(shù)為 2～4）的介電常數(shù)，當(dāng)帶有能量的微波脈沖沿著埋在土壤中的傳輸線傳播時(shí)，傳播速度主要由土壤中水分含量決定。1980年，加拿大科學(xué)家 TOPP G C 提出了土壤體積含水率 θ 的公式[6]：

這一經(jīng)驗(yàn)估算公式建立了土壤體積含水率 θ 與介電常數(shù)的聯(lián)系，也讓利用 TDR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)土壤中水分含量的測(cè)量成為可能。

國(guó)外傳統(tǒng)的 TDR 系統(tǒng)均采用時(shí)域無載頻脈沖體制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。工作時(shí)高頻脈沖信號(hào)發(fā)生器發(fā)出帶寬為 1 GHz 的階躍脈沖，通過同軸傳輸線傳輸?shù)教结?，探針插入介質(zhì)引起的阻抗不匹配使得一部分電磁波在探針根部沿同軸傳輸線反射回來，剩余的電磁波繼續(xù)沿探針傳輸?shù)教结樀牧硪欢?，由于探針的中斷造成電磁波的再次反射? 次反射之間的時(shí)間是電磁波沿探針傳輸時(shí)間的 2 倍，2 次反射的時(shí)間可由高頻示波器測(cè)量顯示。若用 L 表示探針長(zhǎng)度，Δt 表示電磁波在波導(dǎo)中的傳輸時(shí)間，則電磁波在介質(zhì)中的傳輸速度為= 2 L/Δt ，進(jìn)而得出所測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)

圖 1 傳統(tǒng) TDR 土壤水分測(cè)試系統(tǒng)

由此可見，TDR 技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)電磁波傳播時(shí)間的精確測(cè)量。

SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀在電磁波傳輸時(shí)間的測(cè)量上不同于傳統(tǒng)的 TDR 土壤水分測(cè)量?jī)x器所使用的時(shí)域無載頻脈沖體制，而是采用了頻域頻率步進(jìn)體制和矢量接收技術(shù)[7-8]。儀器分時(shí)依次步進(jìn)產(chǎn)生一系列點(diǎn)頻連續(xù)波信號(hào)，頻率最高可達(dá)到微波頻段，根據(jù)土壤特性[9]，本儀器最高頻率為 4 GHz。每個(gè)單頻信號(hào)通過耦合產(chǎn)生激勵(lì)入射信號(hào)的代表信號(hào)，直通信號(hào)沿著同軸電纜線傳輸?shù)侥┒说奶结槪龅讲煌橘|(zhì)（土壤）便產(chǎn)生信號(hào)反射，再通過定向耦合實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)和反射響應(yīng)信號(hào)分離，形成反射接收信號(hào)。入射代表和反射接收 2 種信號(hào)分別由各自的接收機(jī)接收并存儲(chǔ)，當(dāng) 1 次 1 024 或 2 048 點(diǎn)頻率掃描結(jié)束后，得到一系列入射和反射波，再通過離散傅里葉變換（IDFT）數(shù)學(xué)運(yùn)算得到探針的起點(diǎn)和終點(diǎn)脈沖響應(yīng)，自動(dòng)得到信號(hào)在探針中的傳輸時(shí)間，進(jìn)而得到土壤含水量即土壤墑情[10]。

2 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2.1 通用性強(qiáng)

SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀的測(cè)試結(jié)果，是對(duì)采集到的 1 024 或 2 048 組不同頻率的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的入射代表和反射接收等信號(hào)，經(jīng)過 IDFT 得到的綜合時(shí)域信號(hào)；而整個(gè) IDFT 過程實(shí)際上也是對(duì) 1 024 或 2 048 組信號(hào)的一個(gè)加權(quán)平均過程[11]，因此大大弱化了特定頻率對(duì)于特定土壤介電特性的干擾[9]，使得 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀具有較強(qiáng)的通用性，對(duì)于大多數(shù)不同土壤對(duì)象，可使用本儀器提供的預(yù)埋公式進(jìn)行測(cè)量，無需提前率定。

2.2 分辨率高

SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀發(fā)射和接收信號(hào)都是頻率域信號(hào)，能夠比較方便地應(yīng)用頻域處理技術(shù)對(duì)探測(cè)回波信號(hào)進(jìn)行處理和分析，避免了傳統(tǒng)TDR 儀器因提高分辨率而引起振鈴現(xiàn)象導(dǎo)致信號(hào)失真的矛盾，目前 SOITOP-200 土壤水分測(cè)定儀在時(shí)域上的分辨率達(dá)到了 12 ps，能夠滿足高精度測(cè)量土壤含水率的需求。

2.3 抗干擾性強(qiáng)

SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀采用窄帶帶通模式，且給用戶提供修改中頻帶寬功能。相對(duì)傳統(tǒng)TDR 儀器采用的寬帶低通模式，此模式可以靈活地、有選擇地去除多余的反射或傳輸響應(yīng)，有效地抑制接收信號(hào)中的噪聲，提高接收機(jī)的靈敏度。

2.4 適用性廣

根據(jù)不同的需求，SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀可以選取線性和對(duì)數(shù) 2 種幅度格式。一般情況下，采用線性幅度格式，測(cè)試結(jié)果直觀明了。對(duì)于鹽堿地、過度施用化肥及巖土工程中的化學(xué)加固土等高電導(dǎo)率土壤，由于 TDR 原理僅是依賴于介電常數(shù)的實(shí)部，故電導(dǎo)率的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響。但因土壤電導(dǎo)率的增加[12]，引起微波能量衰減的加快，使得傳統(tǒng) TDR 儀器及 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀在線性幅度格式下均難以分辨，而對(duì)數(shù)幅度格式則可以將較弱的信號(hào)放大，針對(duì)這類土壤有效提高了測(cè)試范圍。 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀對(duì)于 3‰ 氯化鈉溶液測(cè)試結(jié)果的線性幅度顯示如圖 2所示，測(cè)試結(jié)果：時(shí)間差為 T2- T1= 12.87 ns，介電常數(shù)為 93.14，體積含水率為 100%，可以看出圖 2 中 T2很難辨識(shí)；但在對(duì)數(shù)幅度格式下，仍能精確進(jìn)行測(cè)量，對(duì)數(shù)幅度顯示如圖 3 所示，測(cè)試結(jié)果：時(shí)間差為 T2- T1= 12.84 ns，介電常數(shù)為 92.71，體積含水率為 100%。

圖 2 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀對(duì) 3‰ Nacl 溶液的線性幅度格式顯示

圖 3 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀對(duì) 3‰ Nacl 溶液的對(duì)數(shù)幅度格式顯示

圖 4 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀測(cè)試黃土的頻域表示

圖 5 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀測(cè)試粘土的頻域表示

2.5 數(shù)字化信息豐富

SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀采用掃頻響應(yīng)測(cè)量模式，通過采集最高頻率范圍為 1 MHz～4 GHz，最多達(dá) 2 048 組的步進(jìn)頻率信號(hào)，由快速傅里葉變換（FFT）和數(shù)字信號(hào)處理算法轉(zhuǎn)換至?xí)r域，實(shí)現(xiàn)TDR 的測(cè)量功能。因此，SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀是一個(gè)使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和數(shù)學(xué)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的時(shí)域、頻域的多域處理系統(tǒng)，所采用的矢量接收技術(shù)，在準(zhǔn)確測(cè)量土壤含水率的同時(shí)，還能提供不同頻率電磁波作用下的相應(yīng)幅值和相位等頻域信息特征，為高端有需求客戶及本儀器功能的進(jìn)一步開發(fā)提供有效的工具。

圖 4 和 5 分別是 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀對(duì)黃土及粘土在 1 MHz～4 GHz 范圍內(nèi)的頻域測(cè)試結(jié)果表示，所表現(xiàn)的不同頻域特征，有待從事相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者進(jìn)一步探究揭示。

3 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀的實(shí)驗(yàn)室及田間驗(yàn)證

3.1 第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果

2015年 11月，水利部水文及巖土工程儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心接受委托，依照 GB/T 28418 —2012《土壤水分（墑情）監(jiān)測(cè)儀器基本技術(shù)條件》，對(duì) SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀進(jìn)行了產(chǎn)品檢測(cè)，對(duì)我國(guó)具有代表性的潮土、紅壤和黑土 3 種不同土壤，每種各進(jìn)行了 11 組不同含水率的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，比對(duì)結(jié)果如表 1～3 所示。

需要強(qiáng)調(diào)指出的是，比測(cè)是結(jié)合水利部水文局“不同類型土壤標(biāo)準(zhǔn)土樣制備及儀器檢測(cè)方法研究分析”項(xiàng)目進(jìn)行的。由于同時(shí)檢測(cè)的其它品牌儀器均需提前率定，因此實(shí)驗(yàn)的方法為每種土壤由檢測(cè)方先行提供 4 組根據(jù)人工法測(cè)定含水率的土壤樣品用以率定公式，然后再提供 4 組樣品作為隨機(jī)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與人工法測(cè)定結(jié)果比對(duì)，其中 3 組達(dá)到不高于 ± 2% 的誤差要求即為合格。而SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀采用的是本機(jī)預(yù)埋的公式，未經(jīng)任何提前率定，因此對(duì)于每種土壤的前7 組數(shù)據(jù)，也是由檢測(cè)方提供的樣品先由儀器檢測(cè)后再與人工法測(cè)定結(jié)果比對(duì)，因此，實(shí)際上SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀是在未經(jīng)率定的前提下，分別對(duì) 3 種完全不同類型土壤，各進(jìn)行的 11 組隨機(jī)的檢測(cè)。這 3 種土壤共計(jì) 33 組數(shù)據(jù)的比測(cè)結(jié)果絕對(duì)誤差均低于 ±2% 的國(guó)標(biāo)要求，整體均方根誤差為 1.07%。

3.2 墑情野外數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

2015年 11月 3—15日，依照 GB/T 28418 —2012《土壤水分（墑情）監(jiān)測(cè)儀器基本技術(shù)條件》，對(duì) SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀進(jìn)行了含水率比對(duì)檢測(cè)，檢測(cè)地點(diǎn)為天津市靜?？h西釣臺(tái)揚(yáng)水墑情站，現(xiàn)場(chǎng)土壤類型為沙土與黃土的混合土壤；結(jié)果如表 4 所示（期間有 2 場(chǎng)大雨，數(shù)據(jù)有變化趨勢(shì)影響）。

2016年 5月開始，在河南省進(jìn)行 SOILTOP-200土壤水分測(cè)定儀實(shí)地應(yīng)用和推廣工作，達(dá)到預(yù)期效果，結(jié)果如表 5 所示。

2016年 6—11月，吉林省墑情監(jiān)測(cè)中心結(jié)合吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程的建設(shè)，應(yīng)用SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀在吉林全省范圍內(nèi)開展了為期半年 10 次 83 組田間現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)儀器的精確度、穩(wěn)定性、適用范圍及可靠性等多方面進(jìn)行了檢驗(yàn)，部分比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 6 所示，絕對(duì)誤差最高為 -3.28%，超過 ±2% 的僅 3 組，整體均方根誤差為 1.04%。由于吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程的精度要求是相對(duì)誤差不超過 ±15%，對(duì)全部 83 組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，合格率達(dá)到 93.9%，相對(duì)誤差在 10% 以下的數(shù)據(jù)占 80.01%，49.75% 的測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)誤差甚至低于 5%。

在河南、吉林 2 個(gè)農(nóng)業(yè)大省為期半年多的實(shí)地應(yīng)用比對(duì)監(jiān)測(cè)，初步證實(shí) SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀在不需率定的情況下，具有較高的精確度和良好的穩(wěn)定性。

表 1 安徽潮土實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)與烘干法比對(duì)結(jié)果 %

表 2 江西紅壤實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)與烘干法比對(duì)結(jié)果 %

表 3 東北黑土實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)與烘干法比對(duì)結(jié)果 %

4 結(jié)語

隨著 FFT 算法的建立與近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了頻域數(shù)據(jù)與時(shí)域數(shù)據(jù)之間的快速轉(zhuǎn)換，這也是 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀能夠?qū)崿F(xiàn)TDR 功能的根本所在。第三方檢測(cè)與實(shí)地應(yīng)用的結(jié)果，證明 SOILTOP-200 土壤水分測(cè)定儀能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種土壤含水率的精確測(cè)量。除此之外，還可提供所測(cè)土壤大量豐富的頻域、時(shí)域電磁學(xué)特征信息，作為首臺(tái)應(yīng)用了頻域頻率步進(jìn)體系和矢量接收技術(shù)的專業(yè)土壤檢測(cè)儀器，其進(jìn)一步理論的研究及應(yīng)用的開發(fā)具有廣闊的前景。

表 4 2015年 11月靜海墑情站測(cè)量數(shù)據(jù)與人工法比對(duì)結(jié)果

表 5 河南省部分重點(diǎn)墑情站測(cè)量數(shù)據(jù)與人工法比對(duì)結(jié)果

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Developmentandapplication ofa new TDR soil moisturemeter—SOILTOP-200

LU Ming, LIU Huibin, WANG Chenguang, LU Yu
(Tianjin Telepro Scienceand Technology Co., Ltd, Tianjin 300384, China)

The soil moisture meter named SOILTOP-200 differs fromany other TDR technology products. Itadopts the stepping system of frequency domainand frequencyand the vector receiving technique, IDFT isapplied toimplement the TDR measurement of soil moisture contentabout SOILTOP-200. Tested by laboratory measurement of different soils, including fluvo-aquic soil in Anhui, red roil in Jiangxiand black soil in Northeast China,and in-field measurement in different regions, including Jinghai County, Henanand Jilin provinceand compared by laboratory method, under the premise of the whole measurement process is without calibrationand using the embedded default formula of the machine, SOILTOP-200 canaccurately measure the soil moisture content. All laboratorial experimental errorsareall within ±2%,andallactual experimental errors in fieldarealmost within ±2%. Therefore SOILTOP-200 can be usedasa fast reliableand effective instrument for determination of soil water content.

SOILTOP-200; soil moisture content meter; TDR; vector sweep; calibration

表 6 吉林省部分墑情監(jiān)測(cè)站測(cè)量數(shù)據(jù)與人工法測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

S152

A

1674-9405(2017)02-0031-07

10.19364/j.1674-9405.2017.02.007

2016-09-22

陸明（1962-），男，江蘇蘇州人，高級(jí)工程師，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文等分析儀器的開發(fā)工作。