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，采用頻域頻率步進體系及矢量接收技術(shù)，應(yīng)用離散傅立葉逆變換（IDFT）實現(xiàn)對土壤體積含水率的 TDR 測量。通過對安徽潮土、江西紅壤、東北黑土等多種不同土壤的實驗室測量，以及天津市靜海縣、河南省、吉林省等多地域不同土樣的田間測量與人工法數(shù)據(jù)的比對證實，SOILTOP-200 土壤水分測定儀在未經(jīng)率定使用本機預(yù)埋缺省公式的前提下，能夠精確測量土壤含水率，實驗室測量誤差均低于 ±2%，野外測量誤差也基本達到 ±2% 以內(nèi)。因此，SOILTOP-200 土壤水分測定儀可作為快速、可靠及有效測定田間土壤含水量的儀器。

SOILTOP-200；土壤水分測定儀；TDR；矢量掃頻；率定

0 引言

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

1 SOILTOP-200 土壤水分測定儀的技術(shù)原理

利用 TDR 原理測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)、有機顆粒及土壤吸入的水分等。由于水的介電常數(shù)為 80，遠大于空氣（介電常數(shù)為 1）與礦物質(zhì)、有機顆粒（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，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)實現(xiàn)土壤中水分含量的測量成為可能。

國外傳統(tǒng)的 TDR 系統(tǒng)均采用時域無載頻脈沖體制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。工作時高頻脈沖信號發(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)教结樀牧硪欢耍捎谔结樀闹袛嘣斐呻姶挪ǖ脑俅畏瓷洹? 次反射之間的時間是電磁波沿探針傳輸時間的 2 倍，2 次反射的時間可由高頻示波器測量顯示。若用 L 表示探針長度，Δt 表示電磁波在波導(dǎo)中的傳輸時間，則電磁波在介質(zhì)中的傳輸速度為= 2 L/Δt ，進而得出所測介質(zhì)的介電常數(shù)

圖 1 傳統(tǒng) TDR 土壤水分測試系統(tǒng)

由此可見，TDR 技術(shù)的關(guān)鍵在于對電磁波傳播時間的精確測量。

SOILTOP-200 土壤水分測定儀在電磁波傳輸時間的測量上不同于傳統(tǒng)的 TDR 土壤水分測量儀器所使用的時域無載頻脈沖體制，而是采用了頻域頻率步進體制和矢量接收技術(shù)[7-8]。儀器分時依次步進產(chǎn)生一系列點頻連續(xù)波信號，頻率最高可達到微波頻段，根據(jù)土壤特性[9]，本儀器最高頻率為 4 GHz。每個單頻信號通過耦合產(chǎn)生激勵入射信號的代表信號，直通信號沿著同軸電纜線傳輸?shù)侥┒说奶结?，遇到不同介質(zhì)（土壤）便產(chǎn)生信號反射，再通過定向耦合實現(xiàn)測試信號和反射響應(yīng)信號分離，形成反射接收信號。入射代表和反射接收 2 種信號分別由各自的接收機接收并存儲，當(dāng) 1 次 1 024 或 2 048 點頻率掃描結(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)運算得到探針的起點和終點脈沖響應(yīng)，自動得到信號在探針中的傳輸時間，進而得到土壤含水量即土壤墑情[10]。

2 SOILTOP-200 土壤水分測定儀的技術(shù)特點及優(yōu)勢

2.1 通用性強

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

2.2 分辨率高

SOILTOP-200 土壤水分測定儀發(fā)射和接收信號都是頻率域信號，能夠比較方便地應(yīng)用頻域處理技術(shù)對探測回波信號進行處理和分析，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)致信號失真的矛盾，目前 SOITOP-200 土壤水分測定儀在時域上的分辨率達到了 12 ps，能夠滿足高精度測量土壤含水率的需求。

2.3 抗干擾性強

SOILTOP-200 土壤水分測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中的噪聲，提高接收機的靈敏度。

2.4 適用性廣

根據(jù)不同的需求，SOILTOP-200 土壤水分測定儀可以選取線性和對數(shù) 2 種幅度格式。一般情況下，采用線性幅度格式，測試結(jié)果直觀明了。對于鹽堿地、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)的實部，故電導(dǎo)率的變化對測量結(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 土壤水分測定儀在線性幅度格式下均難以分辨，而對數(shù)幅度格式則可以將較弱的信號放大，針對這類土壤有效提高了測試范圍。 SOILTOP-200 土壤水分測定儀對于 3‰ 氯化鈉溶液測試結(jié)果的線性幅度顯示如圖 2所示，測試結(jié)果：時間差為 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；但在對數(shù)幅度格式下，仍能精確進行測量，對數(shù)幅度顯示如圖 3 所示，測試結(jié)果：時間差為 T2- T1= 12.84 ns，介電常數(shù)為 92.71，體積含水率為 100%。

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

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

圖 4 SOILTOP-200 土壤水分測定儀測試黃土的頻域表示

圖 5 SOILTOP-200 土壤水分測定儀測試粘土的頻域表示

2.5 數(shù)字化信息豐富

SOILTOP-200 土壤水分測定儀采用掃頻響應(yīng)測量模式，通過采集最高頻率范圍為 1 MHz～4 GHz，最多達 2 048 組的步進頻率信號，由快速傅里葉變換（FFT）和數(shù)字信號處理算法轉(zhuǎn)換至?xí)r域，實現(xiàn)TDR 的測量功能。因此，SOILTOP-200 土壤水分測定儀是一個使用數(shù)字數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)算法進行數(shù)據(jù)分析的時域、頻域的多域處理系統(tǒng)，所采用的矢量接收技術(shù)，在準確測量土壤含水率的同時，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 土壤水分測定儀對黃土及粘土在 1 MHz～4 GHz 范圍內(nèi)的頻域測試結(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)者進一步探究揭示。

3 SOILTOP-200 土壤水分測定儀的實驗室及田間驗證

3.1 第三方權(quán)威機構(gòu)的實驗室檢測結(jié)果

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

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

3.2 墑情野外數(shù)據(jù)的監(jiān)測驗證

2015年 11月 3—15日，依照 GB/T 28418 —2012《土壤水分（墑情）監(jiān)測儀器基本技術(shù)條件》，對 SOILTOP-200 土壤水分測定儀進行了含水率比對檢測，檢測地點為天津市靜海縣西釣臺揚水墑情站，現(xiàn)場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 場大雨，數(shù)據(jù)有變化趨勢影響）。

2016年 5月開始，在河南省進行 SOILTOP-200土壤水分測定儀實地應(yīng)用和推廣工作，達到預(yù)期效果，結(jié)果如表 5 所示。

2016年 6—11月，吉林省墑情監(jiān)測中心結(jié)合吉林省中西部旱情應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)工程的建設(shè)，應(yīng)用SOILTOP-200 土壤水分測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)場快速監(jiān)測的比對實驗，對儀器的精確度、穩(wěn)定性、適用范圍及可靠性等多方面進行了檢驗，部分比對實驗結(jié)果如表 6 所示，絕對誤差最高為 -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)測系統(tǒng)工程的精度要求是相對誤差不超過 ±15%，對全部 83 組數(shù)據(jù)統(tǒng)計，合格率達到 93.9%，相對誤差在 10% 以下的數(shù)據(jù)占 80.01%，49.75% 的測量數(shù)據(jù)相對誤差甚至低于 5%。

在河南、吉林 2 個農(nóng)業(yè)大省為期半年多的實地應(yīng)用比對監(jiān)測，初步證實 SOILTOP-200 土壤水分測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 安徽潮土實驗室實測與烘干法比對結(jié)果 %

表 2 江西紅壤實驗室實測與烘干法比對結(jié)果 %

表 3 東北黑土實驗室實測與烘干法比對結(jié)果 %

4 結(jié)語

隨著 FFT 算法的建立與近年來計算機技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了頻域數(shù)據(jù)與時域數(shù)據(jù)之間的快速轉(zhuǎn)換，這也是 SOILTOP-200 土壤水分測定儀能夠?qū)崿F(xiàn)TDR 功能的根本所在。第三方檢測與實地應(yīng)用的結(jié)果，證明 SOILTOP-200 土壤水分測定儀能夠較好地實現(xiàn)對各種土壤含水率的精確測量。除此之外，還可提供所測土壤大量豐富的頻域、時域電磁學(xué)特征信息，作為首臺應(yīng)用了頻域頻率步進體系和矢量接收技術(shù)的專業(yè)土壤檢測儀器，其進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月靜海墑情站測量數(shù)據(jù)與人工法比對結(jié)果

表 5 河南省部分重點墑情站測量數(shù)據(jù)與人工法比對結(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)測站測量數(shù)據(jù)與人工法測量數(shù)據(jù)比對結(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，高級工程師，從事環(huán)境監(jiān)測、水文等分析儀器的開發(fā)工作。