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原文传递一种基于微波地面雷达的作物水分原位监测装置及方法

专利名称：	一种基于微波地面雷达的作物水分原位监测装置及方法
摘要：	本发明公开了一种基于微波地面雷达的作物水分原位监测装置及方法，属于微波应用技术领域，本发明采用腔体混频技术设计微波发射接收一体化雷达传感器，通过与地表平行的雷达辐射方式弱化地表层干扰，微波与作物相互作用后产生反射信号，发射波与反射波在空间叠加形成空间驻波，能量呈现周期分布，相关研究表明，驻波比及相位变化与作物的含水率及生长形态相关，因此利用上述装置微波探头对微波空间驻波进行连续测量，建立反演公式可实现作物含水率实时测量。本发明的测量装置能够对作物植株含水率进行快速、原位无损测量，使测量结果不受作物长势、种植密度、地表含水及起伏等因素影响，尤其适用于现代农业田间精准管理场景。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	吉林;22
申请人：	吉林农业大学
发明人：	李陈孝;徐艳蕾;宋乾;顾洪军;于小庭;尹杰
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-18T00:00:00+0800
申请号：	CN201910337005.6
公开号：	CN109900724A
代理机构：	长春吉大专利代理有限责任公司
代理人：	刘世纯
分类号：	G01N22/04(2006.01);G;G01;G01N;G01N22
申请人地址：	130118 吉林省长春市新城大街2888号
主权项：	1.一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置，其特征在于，包括传感器支架(1)、供电单元(2)、温度监测单元(3)、伺服电机单元(4)、丝杠导轨单元(5)、滑动平台(6)、微波探头(7)、信号控制单元(8)、被测作物(9)；其中，所述的传感器支架(1)垂直固定于大地之上，供电单元(2)固定安装于传感器支架(1)上，经内部变压输出为系统各单元提供所需的直流电压信号；温度监测单元(3)、信号控制单元(8)均固定安装于传感器支架(1)上，温度监测单元(3)的温度信号线与信号控制单元(8)相连；伺服电机单元(4)与丝杠导轨单元(5)横置安装于传感器支架(1)上，并与地面保持水平，伺服电机单元(4)的电机信号线与信号控制单元(8)相连，当有控制信号输入时，由伺服电机单元(4)的电动机将电能转换为动能，牵引丝杠导轨单元(5)的滚珠丝杠转动；滑动平台(6)安装于丝杠导轨单元(5)之上，随着滚珠丝杠的转动，滑动平台(6)可以沿着直线导轨水平自由移动；微波探头(7)固定安装于滑动平台(6)的上方，面向被测作物(9)方向辐射微波信号，测量时不与作物直接接触，由微波探头(7)输出的测量信号输出至信号控制单元(8)；信号控制单元(8)对伺服电机单元(4)进行控制，并采集微波探头(7)及温度监测单元(3)的测量输出信号，进行相应的运算处理转换为含水率数值，通过无线模块将数据回传至控制中心。 2.如权利要求1所述的一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置，其特征在于，所述的微波探头(7)由微波腔体振荡器、混频器和喇叭天线组成，微波信号由微波腔体振荡器产生通过喇叭天线面向作物进行辐射测量，同时喇叭天线接收反射回波信号经混频器进行检波输出直流电压信号，微波腔体振荡器的频率为3～26GHz，功率范围为5～30mw，直流激励电压为5～24V；喇叭天线采用角锥或圆锥形，有效增益不小于15dB。 3.如权利要求1所述的一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置，其特征在于，所述的丝杠导轨单元(5)，由位于中间的滚珠丝杠、位于两侧的直线导轨组成。 4.如权利要求1所述的一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置，其特征在于，所述的滑动平台(6)在丝杠导轨单元(5)上的有效滑动距离应大于1个微波工作波长，保证微波探头(7)能够获得一个完整周期的测量信号。 5.如权利要求1所述的一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置，其特征在于，所述的微波探头(7)喇叭天线安装垂直高度为被测量作物高度Hc的1/2，位于作物中间区域进行测量，微波探头(7)水平滑动至靠近作物一端时，喇叭天线端口与作物的水平距离为作物高度Hc的1/2。 6.如权利要求1所述的一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置，其特征在于，所述的供电单元(2)由太阳能电池板、蓄电池及电压控制模块组成，能够自动控制切换太阳能供电及电池供电，实现系统昼夜连续工作。 7.如权利要求1所述的一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置，其特征在于，所述的信号控制单元(8)包括A/D转换器、单片机运算控制单元、电机驱动模块及无线传输模块；其中，A/D转换器实现将传感器测量的模拟信号转换为数字信号，单片机运算控制单元实现数字信号采集、内部运算处理、电机驱动模块的控制及无线传输模块的控制功能。 8.如权利要求1所述的一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置，其特征在于，所述的被测作物(9)为玉米、高粱或豆类人工种植的大田作物，种植密度均匀、长势统一。 9.如权利要求1所述的一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下： S1、测量装置初始化；通过伺服电机单元(4)转动使滑动平台(6)移动至丝杠导轨的一端，此时微波探头(7)接近被测作物(9)准备测量；其中，微波探头(7)的垂直高度为被测量作物高度Hc的1/2，位于作物中间区域进行测量，微波探头(7)与作物的水平距离为作物高度Hc的1/2； S2、微波空间波信号连续测量由信号控制单元(8)控制伺服电机单元(4)转动，使微波探头(7)逐渐远离作物移动，与此同时信号控制单元(8)对微波探头(7)的移动距离Z及输出电压信号V进行连续采集，微波探头信号输出呈周期性变化，由信号控制单元(8)进行比较记录电压最大值Vmax、最小值Vmin及最小值所对应的微波探头移动距离Zm，计算电压驻波比Sc＝Vmax/Vmin； S3、环境温度同步采集微波探头(7)测量的同时，信号控制单元(8)控制温度监测单元(3)采集环境温度T； S4、作物植株含水率运算由信号控制单元(8)内部单片机控制单元根据如下公式对作物植株含水率Mc进行运算：其中：ρc为被测作物(9)的种植密度，表示单位面积内所种植作物的株数，HC为被测作物的平均株高，DC为单株被测作物的有效空间生长区域的直径，Sc为微波探头电压驻波比，Zm为最小值所对应的微波探头移动距离，T为环境温度；K、a0、b0为拟合系数，当被测作物(9)具体确定后，拟合系数为常量，可以通过预先测量已知含水率作物的微波探头信号输出反推得到。
所属类别：	发明专利