[发明专利]一种基于微波地面雷达的作物水分原位监测装置及方法

说明书

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。

技术领域

本发明属于微波应用技术领域，具体涉及一种基于微波地面雷达的作物水分原位监测装置及方法。

背景技术

含水率是重要的作物生长信息，植株长时间处于水分亏缺状态会减缓光合速率和蒸腾速率，导致生长缓慢、株高降低、产量下降。传统的统一灌溉方式，不能针对具体作物植株水分的不同情况进行精准控制，水资源利用率低下。因此，实现作物在生长过程中水分状态的快速有效监测，对干旱预防、灌溉管理及产量预测有重要意义。

目前，作物植株含水率的实时测量方法主要包含热平衡法、小液流法、热电偶法、彭曼蒙特斯法、光谱法、介电常数法等。一般而言，基于形态的作物水分状态监测速度快但误差较大，对作物关键时期短期水分变化反应不够及时；基于生理指标的测量方法精度高，但大多是破坏性取样随机测量，无法得到作物连续生长结果，难以在大田自动化装置中推广应用。

微波检测技术利用含水物质的高频介电性能与干物质的差别，实现物质水分的测量。由于微波的穿透性强，所以测量结果代表了区域水分的整体分布情况。基于上述特点，微波空间波技术在农作物测量上广泛应用于远程遥感和地面监测，远程遥感技术应用于区域测量，较难实现对局部具体作物生长状态的监测；地面雷达遥感通过在田间架设发射和接收装置，测量反射或透射微波的能量衰减及相位变化等参数，反演得到植被及土壤信息。

虽然植被遥感技术应用广泛，但是有关特定区域作物植株水分状态原位测量的有效方法很少，其原因在于目前普遍采用的雷达作物测量模型目标反演时干扰因素很多，微波反射受到作物形态疏密程度、土壤含水率、地表层的起伏程度等因素影响，在这些因素的共同作用下，准确提取作物植株内部含水率变化的有效信息是困难的。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，为提高作物植株水分原位测量的有效精度，减少外界因素干扰，本发明的目的在于提供一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置及方法，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，根据空间行驻波的能量及相位变化，反演作物层水分分布。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于微波地面雷达的作物水分原位测量装置，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。