可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于探測設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，現(xiàn)場檢測土壤含水率的方法主要是電阻法、電容法等，都是根據(jù)土壤的電阻率/電容率隨含水率的變化而變化，通過構(gòu)建傳感器兩電極電阻/電容與土壤水的數(shù)學(xué)模型將傳感器采集到的信號轉(zhuǎn)換到含水率參數(shù)，并進(jìn)行最終含水率指標(biāo)顯示，并可通過組建區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多點實時監(jiān)控。
[0003]但是，上述的現(xiàn)場檢測的前期是多傳感器需要提前埋入目標(biāo)區(qū)域，而且埋入后的傳感器深度即不可更改，即只能檢測相對固定深度的含水率；由于是埋入土壤中，不利于后期的土壤翻耕；此外，對于越大的目標(biāo)區(qū)域所需的傳感器越多，即同時增加了儀器成本與人工成本，降低了檢測效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)，實現(xiàn)高效探測不同深度的土壤含水率。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)，包括發(fā)射/接收天線，發(fā)射/接收天線與環(huán)形器連接，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)分別與環(huán)形器連接，頻率合成單元與發(fā)射機(jī)連接，信號處理單元與接收機(jī)連接，上位機(jī)與信號處理單元連接。
[0006]本發(fā)明的特征還在于，頻率合成單元由依次連接的第一 FPGA控制模塊、DDS內(nèi)核和DAC轉(zhuǎn)換模塊組成。
[0007]發(fā)射機(jī)由相互連接的脈沖調(diào)制模塊、功率放大模塊組成。
[0008]接收機(jī)由相互連接的低噪放大模塊、混頻模塊組成。
[0009]信號處理單元由依次連接的AD轉(zhuǎn)換模塊、算法處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，算法處理模塊包括相互連接的第二 FPGA控制模塊、DSP芯片，第二 FPGA控制模塊與AD轉(zhuǎn)換模塊連接，DSP芯片與數(shù)據(jù)傳輸模塊連接。
[0010]本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明能夠完成對預(yù)設(shè)的碼型進(jìn)行雷達(dá)波發(fā)射、目標(biāo)回波的高速采樣、后續(xù)雷達(dá)算法處理以及上位機(jī)數(shù)據(jù)處理、顯示等。對檢測判定后所有超過門限的目標(biāo)信號可上傳到上位機(jī)。并結(jié)合試驗總結(jié)的數(shù)學(xué)模型，由上位機(jī)進(jìn)行不同土壤深度的含水率數(shù)據(jù)處理及顯示。此外，由于采用無線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以在后期進(jìn)行組網(wǎng)能力擴(kuò)展，實現(xiàn)多點的同步測試。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡圖。
[0012]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
[0013]圖3是頻率合成單元結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖4是發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖5是接收機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖6是信號處理單元的結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖中，1.土壤，2.發(fā)射/接收天線，3.環(huán)形器，4.接收機(jī)，5.發(fā)射機(jī)，6.信號處理單元，7.頻率合成單元，8.上位機(jī)，9.功率放大模塊，10.脈沖調(diào)制模塊，11.DAC轉(zhuǎn)換模塊，12.DDS內(nèi)核，13.第一 FPGA控制模塊，14.低噪放大模塊，15.混頻模塊，16.AD轉(zhuǎn)換模塊，17.算法處理模塊，18.數(shù)據(jù)傳輸模塊，20.第二 FPGA控制模塊，21.DSP芯片。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0019]本發(fā)明提供一種可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)。由于土壤中的水會改變土壤的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，即土壤的含水率會對雷達(dá)波的傳播速度和能量損耗都會產(chǎn)生很大影響，因此，可以應(yīng)用GPR(Ground Penetrating Radar)技術(shù)探測土壤I中含水率的變化情況。結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，包括發(fā)射/接收天線2，發(fā)射/接收天線2與環(huán)形器3連接，發(fā)射機(jī)5、接收機(jī)4分別與環(huán)形器3連接，頻率合成單元7與發(fā)射機(jī)5連接，信號處理單元6與接收機(jī)4連接，上位機(jī)8與信號處理單元6連接。
[0020]其中頻率合成單元7是通過FPGA產(chǎn)生所需的發(fā)射碼型和后期處理所需的本振信號。頻率合成單元7產(chǎn)生整個系統(tǒng)所需的時序/同步信號。
[0021]發(fā)射機(jī)5是將發(fā)射的碼型經(jīng)過濾波、功放后供給發(fā)射天線。發(fā)射機(jī)5完成所需碼型的波形發(fā)射。
[0022]接收機(jī)4是將回波信號經(jīng)過低噪放、混頻后供給信號處理單元5。接收機(jī)4完成雷達(dá)回波信號的初步解調(diào)處理。
[0023]環(huán)形器3用于切換發(fā)射天線與接收天線。
[0024]信號處理單元6是將信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、后期算法處理后通過無線局域網(wǎng)上傳到上位機(jī)8。信號處理單元6完成AD信號采集、雷達(dá)算法處理。
[0025]上位機(jī)8是將上傳后的數(shù)據(jù)進(jìn)行屏幕顯示，并可對整個系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置等。完成目標(biāo)數(shù)據(jù)處理、顯示和系統(tǒng)控制。
[0026]此外，由于只是監(jiān)控土壤含水率，只需要最大探測距離達(dá)到土壤作物根系深度即可。
[0027]還包括必須的電源系統(tǒng)、調(diào)試接口等。
[0028]頻率合成單元7如附圖3所示。主要由DDS內(nèi)核12、第一 FPGA控制模塊13和DAC轉(zhuǎn)換模塊11組成。DDS內(nèi)核12負(fù)責(zé)產(chǎn)生所需的碼型，第一 FPGA控制模塊13負(fù)責(zé)控制DDS內(nèi)核12以及對外通信，DAC轉(zhuǎn)換模塊11負(fù)責(zé)對碼型進(jìn)行數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換，并將產(chǎn)生的模擬信號發(fā)送到各分系統(tǒng)進(jìn)行同步。
[0029]發(fā)射機(jī)5如附圖4所示。由脈沖調(diào)制模塊1、功率放大模塊9組成。脈沖調(diào)制模塊10負(fù)責(zé)對發(fā)射的波形進(jìn)行載波調(diào)制，功率放大模塊9對所需的波形進(jìn)行功率放大，并可對功率放大倍數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。
[0030]接收機(jī)4如附圖5所示。由低噪放大模塊14、混頻模塊15組成。低噪放大模塊14負(fù)責(zé)將目標(biāo)回波信號進(jìn)行信號放大射頻濾波，混頻模塊15負(fù)責(zé)將放大后的信號與本振信號進(jìn)行混頻，使其降到后期可處理的中頻信號。
[0031]信號處理單元6如附圖6所示。由AD轉(zhuǎn)換模塊16、算法處理模塊17、數(shù)據(jù)傳輸模塊18組成。其中AD轉(zhuǎn)換模塊16負(fù)責(zé)對模擬信號進(jìn)行信號采集，采集后的數(shù)字信號通過算法處理模塊17中的第二 FPGA控制模塊20和DSP芯片21進(jìn)行雷達(dá)算法處理，例如DDC下變頻以及脈沖壓縮等，處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊18的無線局域網(wǎng)上傳到上位機(jī)8。
[0032]上位機(jī)8可以用一臺通用筆記本電腦來實現(xiàn)。主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及系統(tǒng)控制界面等。通過實驗總結(jié)出的數(shù)學(xué)模型也運(yùn)行于上位機(jī)。
[0033]整個雷達(dá)工作于地面的正上方，雷達(dá)的發(fā)射機(jī)將調(diào)制好的雷達(dá)信號通過發(fā)射天線直接發(fā)射到目標(biāo)土壤區(qū)域，反射回來的雷達(dá)回波通過接收天線傳輸?shù)浇邮諜C(jī)完成低噪放大和下變頻后輸出中頻信號給信號處理單元，信號處理單元通過AD采樣、下變頻算法處理后上傳到上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)雷達(dá)波發(fā)射至反射波返回的時間差、反射界面距土壤表面的深度等參數(shù)，結(jié)合之前實驗室總結(jié)的數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)土壤含水率的測定。
[0034]本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵點在于:
[0035]1.探地雷達(dá)的硬件架構(gòu)，包括發(fā)射波形的選擇與產(chǎn)生、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號處理單元、上位機(jī)等。
[0036]2.雷達(dá)回波信號特性與土壤含水率及探測深度等的數(shù)學(xué)模型。
[0037]3.可擴(kuò)展的后期組網(wǎng)能力。
【主權(quán)項】
1.一種可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)，其特征在于，包括發(fā)射/接收天線(2)，發(fā)射/接收天線(2)與環(huán)形器(3)連接，發(fā)射機(jī)(5)、接收機(jī)(4)分別與環(huán)形器(3)連接，頻率合成單元(7)與發(fā)射機(jī)(5)連接，信號處理單元(6)與接收機(jī)(4)連接，上位機(jī)(8)與信號處理單元(6)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)，其特征在于，頻率合成單元(7)由依次連接的第一 FPGA控制模塊(13)、DDS內(nèi)核(12)和DAC轉(zhuǎn)換模塊(11)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)，其特征在于，發(fā)射機(jī)(5)由相互連接的脈沖調(diào)制模塊(10)、功率放大模塊(9)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)，其特征在于，接收機(jī)(4)由相互連接的低噪放大模塊(14)、混頻模塊(15)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)，其特征在于，信號處理單元(6)由依次連接的AD轉(zhuǎn)換模塊(16)、算法處理模塊(17)、數(shù)據(jù)傳輸模塊(18)組成，所述算法處理模塊(17)包括相互連接的第二 FPGA控制模塊(20)、DSP芯片(21)，第二 FPGA控制模塊(20)與AD轉(zhuǎn)換模塊(16)連接，DSP芯片(21)與數(shù)據(jù)傳輸模塊(18)連接。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可現(xiàn)場檢測土壤含水率的便攜式探地雷達(dá)，包括發(fā)射/接收天線，發(fā)射/接收天線與環(huán)形器連接，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)分別與環(huán)形器連接，頻率合成單元與發(fā)射機(jī)連接，信號處理單元與接收機(jī)連接，上位機(jī)與信號處理單元連接。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明能夠完成對預(yù)設(shè)的碼型進(jìn)行雷達(dá)波發(fā)射、目標(biāo)回波的高速采樣、后續(xù)雷達(dá)算法處理以及上位機(jī)數(shù)據(jù)處理、顯示等。對檢測判定后所有超過門限的目標(biāo)信號可上傳到上位機(jī)。并結(jié)合試驗總結(jié)的數(shù)學(xué)模型，由上位機(jī)進(jìn)行不同土壤深度的含水率數(shù)據(jù)處理及顯示。此外，由于采用無線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以在后期進(jìn)行組網(wǎng)能力擴(kuò)展，實現(xiàn)多點的同步測試。
【IPC分類】G01V3-12
【公開號】CN104749644
【申請?zhí)枴緾N201510124155
【發(fā)明人】劉中培, 于福榮, 馮武
【申請人】華北水利水電大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月20日