大探FDR土壤水分自动站和其标定解析

大探FDR土壤水分自动站和其标定解析大探FDR土壤水分自动站和其标定解析大探FDR土壤水分自动站和其标定解析FDR土壤水分自动站及其标定黄飞龙1,何明媚,刘艳中〔广东省大气探测技术中心，广州，510080〕大纲：针对国家气象局农业气象察看的需要，采用频域反射技术〔FDR〕设计开发了一套土壤水分探测系统。系统共包括传感器测量，数据采集，远程数据管理等几个局部。FDR测量原理建立在传输线理论友善振电路的基础上。数据采集局部充分考虑了信号的抗搅乱能力以及纠错措施。系统采用无线通信模式将测量数据传达到中心数据库。仪器和数据分别进行标定。田间标定使用仪器与烘干法对照察看数据，经过乘幂函数拟合计算不一样土壤种类的参数，修正仪器测量公式，使测量到的土壤介电常数的变化能够正确反响含水率的变化。再利用烘干法对含水率测量数据进行标定。原始测量数据依照多项式函数拟合校正此后进一步降低了测量的绝对误差。罗定地区土壤水分自动察看数据最大误差控制在±2%以内，远小于农业气象察看标准赞同的±5%。要点词：自动站，土壤水分，FDR，标定，函数拟合FDRSoilMoistureAutoStationandtheCalibrationMethodsHuangFeilong,HeYanli,LiuYanzhong(GuangdongAtmosphericSoundingTechnologyCenter,Guangzhou,510080,ChinaAbstract：Inordertosatisfytheneedsofagrometeorologicalobservation,soilmoisturedetectionsystemusingFrequencyDomainReflectometry(FDRwasdesigned.ItincludesFDRsensors,dataacquisitionandremotedatamanagement.FDRmeasurementisbasedontransmissiontheoryandresonancecircuit.Dataacquisitionparttakesfullaccountofsignal’s-ainteirferenceabilityanderrorcorrectionmethods.Datameasuredistransferedtocentraldatabaseinwirelesscommunicationmodefirst,andthenissentbacktolocalstationsthroughInternet.FieldcalibrationcomparedthedatafromFDRsensorandovendryingmethod,thusfactorswerecalculatedbyfuncitonfitting,whichweredeterminedbysoiltype.Sochangeofrelativepermittivitydetectedcouldreflectvariationofsoilmoisture.Thenovendryingmethodwasusedagaintocalibratethemeasuringdatabypolynomialfunctionfittingmethod,whichwouldreducetheabsoluteerroroffinalresult.Afterthethree-stagecalibration,themaximumerrorofdatameasuredfromLuodingAreaislessthan2%,which±isfarsmallerthan5%acco±rdingtoagrometeorologicalobservation.functionfitKeywords:autostation，soilmoisture，FDR，calibration;0序言土壤水分的储藏量以及它的变化规律，对农业生产，生态环境的监测调治甚至是天气的变迁都拥有重要的研究价值，是最基础的数据。从2021年全国气象局长会议以来，为了满足干旱气象效劳的需求，中国气象局在多个省份增加了基于FDR技术的土壤水分自动察看站点，睁开土壤墒情察看业务。1黄飞龙〔1980-〕广东郁南人，硕士，从事大气自动探测与控制研究，土壤水分的探测方法有多种，其中烘干称重法是最传统的，由于对设备的要求不高，操作简单，结果可靠，不仅被使用得最多，而且在国际上也被作为对照的标准方法。但是烘干法也有弊端：每次测量需要取土，烘干，称重，输入，计算等多个步骤，工作量大，时间长，特别是测量不一样深度的土壤水分含量的时候，工作量成倍增加。张力计法也是应用广泛的一种方法，它是一种低设备本钱的直接测量方法，弊端是反响时间太慢。射线法是利用各种射线进入土壤的衰减来计算土壤含水率，唯一的弊端是设备保护本钱高而且有辐射危险。传统方法还有电阻法，热扩散法等等[1]。探针式电容测量法[2]和TDR测量法那么是出现得比较晚的新方法，都能实现实时快速测量工作，但探针电容需要加强弱信号办理环节，而且简单损坏，而TDR测量拥有非线性弊端[3]。本设计所介绍的频域反射技术是近来几年才流行的一种土壤水分测量方法，与其他测量方法对照，拥有几个优点：频域反射技术分辨率高，线性度好；仪器主若是电路模块，保护简单；无污染，测量的时候不需要损坏土层，方便连续测量。1FDR技术测量土壤水分频域反射技术FDR〔FrequencyDomainReflectometry〕原为军用测试技术，经过发送特定频带的扫频测试信号，在导体阻抗不般配处会产生较强的和发射信号同样频率但不一样时段的反射信号，经过傅立叶变换方式解析这些信号，而且经过测量反射信号峰值的频率换算出到线路阻挡点的距离。目前FDR技术开始取代TDR时域反射技术，应用到商用通信测试领域。和传统的时域反射技术TDR〔TimeDomainReflectometry〕比较，FDR技术主要有2点优势。第一是经过对事件点插入耗费和频率的正确计算，FDR不仅好判断开路和碰线点，还能够够判断更多的线路阻挡种类如接触不良、桥接抽优等。其次，FDR在线路承载业务相般配的频带内进行测试，而TDR是一种DC直流测量方式。因此FDR更适合宽带线路测试。目前FDR技术在大型网络的故障监测，比方电力电缆线路网络中已经获得应用[4]，光频域的FDR在传感器领域的研究也越来越多[5]。本设计土壤水分探测系统采用了基于FDR技术的EnviroSMART智能探测器。该探测器采用总线技术，一支探测器上有智能采集电路，能够同时安装多个传感器单元，实现不一样深度的土壤水分数据同时测量。此型号土壤水分探测器属于成熟产品，在国内外好多领域被使用。传感器单元采用土壤水分介电常数法的原理，利用传感器在不一样含水率土壤中的频率SF〔scaledfrequency归一化频率〕变化来测量土壤体积含水率(θ。振荡器图1传感器单元等效电路图Fig.1EquivalentCircuitofSensorUnit传感器单元等效电路如图1，采用串通LC谐振电路。由于谐振发生的条件建立，谐振频率：2/1121QLCF+=π-------------------------------------------(1其中Q是谐振回路的质量因素，由于土壤是回路的一局部，Q碰到土壤的影响。有的研究采用并联LC谐振电路除掉土壤对Q值的影响[6]，EnviroSMART探测器采用了归一化频率除掉Q值的影响。经过电容与介电常数的关系：0/CC=-ε-------------------------------------------(2能够求得土壤的相对介电常数，其中C0是介质为空气时候的电容。好多文章研究证明土壤介电常数ε与土壤水分含量θ之间拥有线性关系[7][8][9]：ba+=ε---θ---------------------------------------(3其中a，b是两个常数，由土壤的种类决定[10][11]。归一化频率定义为：wasaFFFFSF--=----------------------〔4〕Fa为仪器放置于空气中所测得的频率；Fw为仪器放置在水中所测得的频率；Fs那么为仪器安装于土壤中所量测获得的频率。联立以上公式，在实验数据拟合的基础上，土壤水分含率与SF之间的关系可以用幂公式:nSFm?=-θ------------------------〔5〕表述，其中m和n为拟合参数。传感器标定频率和体积含水率之间的关系经过公式描述：CASFB+?=-θ------------------〔6〕其中A，B，C参数能够经过函数拟合获得，它们受土壤种类以及土壤结构的影响。2多层FDR采集系统结构一组多层次的土壤水分含量数据对农业生产和作物生长研究拥有较大的价值，因此基于FDR的土壤水分采集系统拥有多个安装在不一样深度的传感器。采集系统的结构如图2所示。用户n用户1用户2用户3图2采集系统结构Fig.2StructureofFDRDetectionSystemS1到S5代表5个传感器，传感器经过平均传输线与单片机相连，单片机轮询式控制各个传感器谐振电路而且获得检测数据。考虑到仪器安装现场情况比较复杂，对信号搅乱和雷电搅乱均有较高的要求，单片机模块经过抗搅乱能力很强的RS485总线与采集器通信。采集器对检测数据进一步进行办理。为了使测量仪器便于野外安装以及数据能够准时传达到效劳器，系统采用了无线通信方式，形成标准格式的数据包经过公众的搬动通信网络发送到中心数据库效劳器。无论是监测台站还是农业天气研究人员均经过互联网获得探测数据。图3详细介绍了单片机和采集器的功能以及数据测量过程。单片机在接收到测量的命令此后，进行电压差检测，尔后计算土壤介电常数以及水分含量。对所有的传感器都测量达成此后，形成一份汇总数据经过串口发送到采集器。单片机和采集器之间硬件使用带障蔽层的信号线进行RS485远程通信，软件上使用LRC纵向冗余校验对接收到的数据进行查错，一旦发现校验不对峙刻重复上一个命令，重新接收数据。图3数据采集流程Fig.3ProcessofDataAcquisiton经过LRC校验的数据被采集器正确读取并保存在内存中。每分钟进行屡次测量而且计算分钟的平均数据，依照气象行业的标准[12]，进行十分钟平均和小时正点平均计算，所有的这些数据都能够在采集器的液晶面板显示出来，方便安装现场调试也许察看人员现场读取数据。3仪器田间标定一般认为，传统的烘干法测得的土壤水分值是可信的，能够作为其他各种土壤含水率测量方法的校正标准。土壤水分自动监测站安装处土壤种类、土壤剖面的各组织层、土壤质地、密度、土壤颗粒和安装结合亲密度各不同样，使得不一样地区的土壤种类实际上是不同样的，同一个土壤水分传感器单元在不一样的地方使用，为了获得正确的土壤水分测量值，不能够只使用同一组土壤种类参数，田间标定也就是修正公式〔6〕中的A，B，C详细数值。在试验条件赞同的情况下能够先进行实验室标定。实验室标定是将探测器安装现场的土壤取回来，使用实验室设备控制土壤的平均度以及水分含量，经过传感器测量值与理论值之间的数据关系修正传感器计算公式。但是实验室标定损坏了损坏了土壤的原生态条件，因此实质使用的土壤水分探测器还是必定进行田间标定。田间标定方法介绍以下。先测定安装地点土壤的容重，尔后取对照数据样本。每隔5天在传感器安装地点取土采用人工烘干法测量各层的土壤体积含水率，同时记录当时的探测器各层传感器单元的自动测量结果，两个记录在一起作为一组样本。经过一段时间此后，最好时期超越了一个旱季以及雨季，使得测量数据平均分布在5%～50%之间。将同一个传感器单元的所获得的所有数据换算成归一化频率，在该组归一化频率与相对应的烘干法数据之间建立幂指数函数方程，获得该传感器单元所需要的土壤类型参数A，B，C。广东省罗定地区土壤水分站点10cm深度传感器比依旧本做田间标定以下：表1田间标定样本数据Table1Samplesoffieldcalibration序号人工测量自动测量归一化频序次号人工测量自动测量归一化频率13.003.2000.34626.0827.9480.7825.837.0780.46731.7835.9010.8639.409.2850.51836.4538.0760.88416.1515.4520.62941.1040.3280.90519.7821.9400.71图3田间标定拟合曲线Fig.3Curveoffieldcalibration由上图拟合曲线方程看，A=0.2269，B=0.3763，C=0.0。由决定系数R平方可见拟合收效特别好，绝大多数体积含水率的变化都可以在曲线上表达出来。样本数据范围最好涵盖10%～50%，跨度太小的情况下拟合方程获得的参数不正确，不能够作为标定的参数。4数据标定经过田间标定此后，再进行人工烘干法与自动测量的数据进行对照。探测器测量到的各层土壤含水率值与烘干法获得的土壤水分变化趋势根本一致，但依旧会有必然的差异。为了将差异减到最小，还要对自动测量数据进行数据标定。与田间标定方法同样，每隔5天进行人工烘干和自动测量的对照，获得足够数量的比依旧本数据。以人工察看值为标准建立线性拟合方程也许一元二次拟合方程，利用获得的标定系数，对每一层传感器单元测量值进行数据标定，使得经过标定后的数据更接近人工测定值。下面仍以罗定地区土壤自动察看站10cm深度的测量数据利用线性拟合为例说明数据标定方法。表2罗定土壤自动察看站10cm比依旧本数据〔2021年11月～2021年03月〕Table2Samplesat10cmdepthofLuodingsoilmoisturestation(2021.11~2021.3序号12345678910自动19.319.218.317.617.516.615.614.815.923.7人工23.725.123.621.721.522.620.120.520.327.序8号11121314151617181920自动21.920.319.124.122.720.720.320.019.519.人5工27.227.224.127.026.523.825.526.224.723.8序号21222324252627282930自动29.926.426.223.622.521.826.725.326.024.1人工26.028.827.627.025.524.923.829.030.325.标9定公式：Y=A0+A1X-------------------------------〔4〕其中：Y为标定值，X为仪器测量值，A0，A1为标定系数。依照表2数据拟合获得的线性方程如图4：10cm函数拟合曲线353025201510500510y=0.5518x+13.3〔烘干法〕%1520〔仪器测量〕%253035图4Fig.4罗定地区10cm土壤水分数据标定曲线Fittingcurveof10cmdepthsamplesofLuodingsoilmoisturestation其中A0=13.3，A1=0.5518依照标定系数生成新的测量数据列，计算仪器测量与人工测定体积含水率的绝对误差。能够获得数据标定前的绝对误差平均值为4.20%，标定后的绝对误差平均值为1.25%。数据标定使自动察看数据更加凑近人工察看数据。5小结采用土壤水分自动站进行农业土壤水分察看，不仅节约了大量的人力和时间，而且能够连续牢固获得数据。经过对土壤水分传感器的安装标定，田间标定以及测量数据标定，土壤水分自动站所获得的数据测量正确性大大提高，能够满足农业气象察看标准[12]中土壤水分含量测量误差小于±5%的要求。参照文件：[1]陈家宙,陈光明,何圆球.各具特色的今世土壤水分测量技术[J].湖北农业科学,2001,(3:25-28.[2]胡建东,赵旭日,李振峰,等.参数调制探针式电容土壤水分传感器技术研究[J].传感技术学报,2007,20(5:1057-1060.[3]卢启福,吴慕春,胡月明,等.基于TDR-3的土壤水分传感器标定模型研究[J].传感技术学报，2021,22(7:1066-1070.[4]罗俊华,周作春,李华春,等.电力电缆线路运行温度在线检测技术应用研究[J].高电压技术,2007,33(1:169-