УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПЛОСКОСЛОИСТЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ С ПОТЕРЯМИ Российский патент 2023 года по МПК G01N27/02 G01N22/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области дистанционного измерения влажности участков земной поверхности, представляющих собой плоскослоистый диэлектрик естественного происхождения с потерями (грунты, почвы сельскохозяйственного назначения, снежный покров, лёд, травянистая растительность и т.д.), для которых лабораторные исследования не обеспечивают одновременно требуемой оперативности и точности.

Изобретение может быть использовано для определения влажности почвенных горизонтов, расположенных ниже границы «воздух-поверхность», например, при обосновании рациональных агротехническим мероприятий при ведении сельского хозяйства по технологии точного земледелия.

Уровень техники

Характеристика аналогов технического решения

В настоящее время известны устройства измерения влажности диэлектриков с потерями (почв) [1]-[3], которые позволяют исследовать пробы материала ограниченного объема только в стационарных лабораторных условиях, и устройства для дистанционного измерения влажности, которые позволяют оперативно и на протяженных участках проводить измерения поверхностной влажности участков земной поверхности с низкой точностью оценки влажности в корневой зоне растений.

Известно СВЧ-устройство для измерения влажности почвы [1], содержащее корпус, силовой блок СВЧ-излучателя, СВЧ-излучатель, соединенный с рабочей камерой. На противоположной, относительно СВЧ-излучателя, стороне рабочей камеры расположен соединенный с рабочей камерой детектор СВЧ-излучения, который измеряет уровень СВЧ-излучения, прошедшего сквозь исследуемую пробу, блок обработки данных, посредством которого определяют ее влажность. Детектор СВЧ-излучения и рабочая камера образуют герметичный резонаторный волновод. Рабочая камера, встроенная в волновод, имеет окно доступа, через которое в нее устанавливается диэлектрическая емкость с пробой почвы, влажность которой необходимо измерить.

Общим для предлагаемого и известного устройств является использование зависимости амплитуды принятого сигнала от диэлектрической проницаемости исследуемой среды, связанной с её влажностью, а также универсальность их применения для исследования диэлектриков естественного происхождения.

Недостатком СВЧ-устройства является ограниченность его оперативного применения на протяженных участках земной поверхности.

Отличием предлагаемого устройства от известного является наличие излучателя электромагнитной волны с горизонтальной и вертикальной поляризацией и приёмника отраженных, а не прошедших через исследуемый материал сигналов, что обеспечивает возможность бесконтактного дистанционного определения влажности исследуемого материала (почвы), в том числе в полевых условиях.

Известно беспроводное устройство для контроля влажности почвы [2], предназначенное для дистанционного контроля влажности локальных земельных участков различного назначения в экологических, агротехнических и других целях. Устройство содержит корпус с установленным в нем датчиком влажности, подключенным через измерительно-передающую часть, состоящую из последовательно соединенных микроконтроллера и радиомодуля, к антенне, и источником питания, подключенным к микроконтроллеру и радиомодулю, и дополнительно снабжено приемной антенной, приемниками управляющих сигналов, эталонных сигналов, ответных сигналов и информации о влажности почвы от внешнего устройства, твердотельным накопителем, генератором эталонных сигналов и коммутатором. При контроле влажности почвы в реальных условиях на поле размещается несколько однотипных беспроводных устройств, одновременно выполняющих функции приема и передачи информации, на определенном расстоянии от базовой станции.

Общим для разрабатываемого устройства и известного устройства является присутствие в схемах цифрового вычислителя, выполняющего окончательную обработку информации о влажности почвы от датчика, антенной системы и радиомодуля, позволяющих оперативно передавать измеренные значения влажности (процентного содержания влаги) почвы и получать управляющие команды.

Недостатком устройства является применение контактного датчика влажности, стационарность расположения устройства измерения. Дистанционным является только способ (по радиоканалу) передачи информации о влажности почвы на базовую станцию, что существенно ограничивает охват территории и оперативность измерений.

Отличием предлагаемого устройства от известного является использование в схеме передатчика зондирующего радиосигнала и приемника отраженного от почвы вертикально и горизонтально поляризованных интерференционных сигналов, обеспечивающих возможность дистанционной оценки влажности горизонтов протяженных слоистых диэлектриков (почв) на произвольных территориях.

Наиболее близким к заявленному (прототипом) является Радиометр влагомер [3], используемый для измерения и регистрации влагосодержания почвогрунтов, радиояркостных температур собственного радиотеплового излучения подстилающей поверхности на двух поляризациях при визировании под углом к вертикали, а также при визировании в надир, по нормали к поверхности, в котором для уменьшения абсолютной погрешности измерения влагосодержания почвогрунтов, одновременно измеряют общим приемником яркостные температуры исследуемого участка местности по двум поляризациям - горизонтальной и вертикальной под углом от 30 до 60 градусов к плоскости поверхности, и при визировании в надир, то есть под углом 90 градусов к плоскости поверхности. В устройстве используется специальная антенная решетка, на первых двух выходах которой формируются сигналы, принятые по вертикальной и горизонтальной поляризациям. Диаграммы направленности антенны формируются так, чтобы ось главного лепестка была бы направлена вдоль нормали к плоскости раскрыва антенны. Также на одном из выходов антенны формируется сигнал, принятый в режиме отклонения луча от направления нормали на некоторый угол, например, на 30 градусов. Радиометр влагомер размещается над исследуемым участком поверхности земли на подвижном носителе, в частности, на борту беспилотного летательного аппарата (БПЛА), например, квадрокоптера.

Общим для предлагаемого и известного устройств является использование радиосигналов с вертикальной и горизонтальной поляризацией, прием сигнала в режиме отклонения луча от направления нормали, размещение оборудования на подвижном носителе (БПЛА).

Недостатком Радиометра влагомера является низкая точность определения влажности в случае диэлектриков с потерями, так как аналитические выражения, реализуемые вычислителем, практически не учитывают комплексный характер диэлектрической проницаемости реальных почвогрунтов, поскольку СВЧ сигналы собственного радиотеплового излучения подстилающей поверхности находятся в диапазоне единиц-сотен гигагерц и согласно выражению для комплексной диэлектрической проницаемости доля мнимой части для реальных почв становится исчезающе малой. Здесь σ - удельная проводимость исследуемой среды, f - рабочая частота.

Отличие предлагаемого устройства заключается в следующем: для работы устройства используется бистатическая радиолокационная система с сигналом мегагерцового диапазона, при этом расположение БПЛА с приемником и БПЛА с передатчиком обеспечивает облучение земной поверхности под углом Брюстера (фиг. 1). Контроль необходимого размещения БПЛА осуществляется с помощью бортовых измерителей пространственных координат (например, с помощью приемников спутниковой радионавигационной системы).

Раскрытие изобретения

Целью изобретения (техническим результатом) является повышение оперативности и точности измерения процентной влажности участков земной поверхности в полевых условиях при смешанном (диффузном и зеркальном) отражении зондирующего радиосигнала.

Цель (указанный технический результат) достигается тем, что над исследуемым участком земной поверхности располагают два БПЛА с передающим и приемным оборудованием, облучают с позиции передатчика земную поверхность радиоволнами одной частоты с вертикальной и горизонтальной поляризацией (например, с использованием двух антенн), перемещают оба БПЛА таким образом, чтобы угол падения радиолокационного луча изменялся от 45 до 89 градусов (например, за счет одновременного увеличения высоты полета находящихся на постоянном удалении друг от друга БПЛА или при горизонтальном перемещении БПЛА с приемным оборудованием относительно БПЛА с передатчиком при их нахождении на одной высоте полета), принимают на приемной позиции интерференционный сигнал горизонтальной и вертикальной поляризации, представляющий собой сумму прямо проходящего от радиопередающего модуля к радиоприемному модулю радиосигнала, отраженного от границы «воздух-поверхность» радиосигнала и проходящего ниже границы раздела «воздух-поверхность» радиосигнала, усиливают с помощью двух усилителей радиочастоты отдельно интерференционные сигналы с вертикальной поляризацией и отдельно с горизонтальной поляризацией, усиленные сигналы подают на два разных входа фазового дискриминатора и регистрируют разность фаз осцилляций интерференционных волн, постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз, преобразуют в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя и передают код разности фаз в цифровой вычислитель, при достижении разности фаз заданного значения определяют псевдоугол Брюстера, рассчитывают действительную и мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости контролируемого участка, вычисляют искомое значение влажности по комплексной диэлектрической проницаемости, контролируют взаимное положение БПЛА с помощью цифровых вычислителей и измерителей пространственных координат.

При этом (фиг. 2), первый выход передатчика (2) БПЛА1 соединен с антенной (4) с горизонтальной поляризацией зондирующего радиосигнала, а второй выход передатчика (2) соединен с антенной (5) с вертикальной поляризацией зондирующего сигнала. Первый выход цифрового вычислителя (3) соединен с входом передатчика (2), через данный вход осуществляется синхронизация зондирующих радиосигналов с пространственным положением БПЛА1. Первый вход цифрового вычислителя (3) соединен с выходом измерителя пространственных координат (1), откуда поступает информация о пространственном положении БПЛА1. Второй вход и второй выход цифрового вычислителя (3) соединен с вторым выходом и первым входом радиомодуля (16).

Антенна (12) БПЛА2 соединена с входом первого усилителя радиочастоты (10). По данному входу на усилитель (10) поступает интерференционный сигнал с горизонтальной поляризацией. Усиленный сигнал поступает на измеритель действующего значения амплитуды интерференционного сигнала (14) и на первый вход фазового дискриминатора (8).

Антенна (13) БПЛА2 соединена с входом усилителя радиочастоты (11). По данному входу на усилитель (11) поступает интерференционный сигнал с вертикальной поляризацией. Усиленный сигнал поступает на измеритель действующего значения амплитуды интерференционного сигнала (15) и на второй вход фазового дискриминатора (8).

Выход фазового дискриминатора (8) соединен с первым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (9), по этому выходу постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз интерференционных волн, передается в АЦП (9) для преобразования в цифровой код. Выходы измерителей действующей амплитуды (14) и (15), соответственно, интерференционных волн с вертикальной и горизонтальной поляризацией, соединены с вторым и третьим входами многоканального АЦП (9). Выход АЦП (9) соединен с первым входом цифрового вычислителя (7).

Управление поочередным выбором канала АЦП (9) производится цифровым вычислителем (7) по линии, соединяющей первый выход цифрового вычислителя (7) и четвертый вход АЦП (9). Второй вход вычислителя (7) соединен с выходом измерителя пространственных координат (6), откуда поступает информация о пространственном положении БПЛА2.

Третий вход и второй выход цифрового вычислителя (7) соединены с вторым выходом и первым входом радиомодуля (17). В свою очередь первый выход и второй вход радиомодуля (17) соединены с вторым входом и вторым выходом антенны (19), первый выход и первый вход которой соединены с первым входом и первым выходом наземной станции управления (НСУ) (18). Второй выход и второй вход НСУ (18) соединены с первым входом и первым выходом антенны (20), второй выход и второй вход которой соединены с вторым входом и первым выходом радиомодуля (16).

НСУ (18) позволяет осуществить начальное размещение БПЛА1 и БПЛА2 в пространстве, контролировать их перемещение в процессе измерения влажности и оперативно получать измеренные значения процентного содержания влаги в почве.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена схема размещения БПЛА при работе устройства. На фиг. 2. представлена структурная схема устройства для дистанционного измерения влажности плоскослоистых диэлектриков с потерями. На фиг. 3. показаны совместные графики зависимостей интерференционных волн с вертикальной и горизонтальной поляризацией зондирующего сигнала. На фиг. 4 показаны зависимости процентного содержания влаги от мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости среды с разным соотношением глины ила и песка.

Работа устройства

Два БПЛА с передающим и приемным оборудованием располагают над исследуемой поверхностью, облучают с позиции передатчика земную поверхность радиоволнами одной частоты с вертикальной и горизонтальной поляризацией (например, с использованием двух антенн), перемещают оба БПЛА таким образом, чтобы угол падения радиолокационного луча изменялся от 45 до 89 градусов (например, за счет одновременного увеличения высоты полета находящихся на постоянном удалении друг от друга БПЛА или при горизонтальном перемещении БПЛА с приемным оборудованием относительно БПЛА с передатчиком при их нахождении на одной высоте полета), принимают на приемной позиции интерференционный сигнал на горизонтальной и вертикальной поляризации, представляющий собой сумму прямо проходящего от радиопередающего модуля к радиоприемному модулю радиосигнала, отраженного от границы «воздух - поверхность» радиосигнала и проходящего ниже границы раздела «воздух - поверхность» радиосигнала, усиливают с помощью двух усилителей радиочастоты отдельно интерференционные сигналы с вертикальной поляризацией и отдельно с горизонтальной поляризацией, усиленные сигналы подают на два разных входа фазового дискриминатора и регистрируют разность фаз осцилляций интерференционных волн, постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз, преобразуют в цифровой сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя и передают код разности фаз в цифровой вычислитель, при достижении разности фаз заданного значения определяют псевдоугол Брюстера, рассчитывают действительную и мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости контролируемого участка, по имеющимся зависимостям процентной влажности почвы от комплексной диэлектрической проницаемости вычисляют искомое значение влажности.

Коэффициент отражения вертикально поляризованной электромагнитной волны определяется выражением

а для горизонтально поляризованной волны выражением

В выражениях (1) и (2) - характеристическое сопротивление первой среды (воздуха); - в общем случае комплексное характеристическое сопротивление второй среды (исследуемого участка земной поверхности); - угол падения плоской электромагнитной волны на границу раздела двух сред; - угол преломления.

Характеристическое сопротивление второй среды определяется выражением:

где ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума; ε_r2 - относительная диэлектрическая проницаемость второй среды; - относительная магнитная проницаемость второй среды; μ₀ - магнитная проницаемость вакуума; σ₂ - удельная проводимость второй среды; f - частота радиосигнала.

Характеристическое сопротивление первой среды - воздуха на уровне четвертого знака после запятой равно характеристическому сопротивлению вакуума и в общем случае имеет вид:

Вынеся за скобки в выражении (2) множитель , и учтя, что первая и вторая среда являются немагнитными (, после сокращения одинаковых сомножителей в числителе и знаменатели дроби получим:

Обозначим комплексную диэлектрическую проницаемость через . Выразим в формуле (5) угол преломления через угол падения и отношение показателей преломления первой и второй сред в соответствии со вторым законом Снеллиуса , где - показатели преломления первой и второй среды. Получим

Подставим в выражение (5) значение синуса угла преломления из выражения (6) с учетом равенства . Окончательно для коэффициентов отражения при вертикальной и горизонтальной поляризации радиосигналов получим выражения:

где - комплексная диэлектрическая проницаемость диэлектрика с потерями;

- циклическая частота зондирующего сигнала, ƒ - частота радиосигнала в Гц.

При вертикальной поляризации зондирующего радиосигнала наблюдается эффект полного преломления (для диэлектриков без потерь), при котором коэффициент отражения равен нулю, или эффект псевдо полного преломления (для диэлектриков с потерями), когда коэффициент отражения минимален. Угол, при котором наблюдается эффект полного преломления (псевдо полного преломления), является углом Брюстера. Его значение может быть определено по минимуму амплитуды отраженного сигнала или по фазовому сдвигу между осцилляциями горизонтально и вертикально поляризованных интерференционных волн. При известном угле падения, равном углу Брюстера, в системе, образованной уравнениями (7) и (8) будет только одна неизвестная комплексная диэлектрическая проницаемость , состоящая из действительной и мнимой частей.

Значения коэффициентов отражения при вертикальной и горизонтальной поляризации интерференционных волн с точностью до постоянного и одинакового множителя будут равны действующим амплитудам интерференционного сигнала.

После нормировки выражений (7) и (8) делением на любой из коэффициентов отражения, система из двух уравнений будет содержать только две неизвестные величины: действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого диэлектрика.

С учетом методики, отражающей связь мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости с процентной влажностью почвы, изложенной в международных рекомендациях МСЭ-R P.527 - 4(06/2017) [4] через выражение:

где - мнимая часть диэлектрической проницаемости связанной воды (постоянная величина для выбранного соотношения песка () и глины () исследуемого участка);

;

- постоянный коэффициент.

Таким образом, процентное содержание влаги будет определяться выражением (фиг. 4)

Пример реализации выражения (10) для различных типов почв показан на фиг. 4.

Источники информации

1. Патент № 2641715 C1, Российская Федерация, МПК G01N 22/04. СВЧ-устройство для измерения влажности почвы: № 2017106514, заявл. 27.02.2017, опубл. 22.01.2018 / С.В. Машков, С.И. Васильев, Д.Н. Котов; заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарская государственная сельскохозяйственная академия".

2. Патент на полезную модель № 189080 U1, Российская Федерация, МПК G01N 25/56. Беспроводное устройство для контроля влажности почвы: № 2019103316,: заявл. 06.02.2019, опубл. 13.05.2019 / С.А. Андреев, А.И. Матвеев, Ю.А. Судник, Д.В. Анашин. - EDN ULQREK.

3. Патент № 2695764 С1, Российская Федерация МПК G01N 22/04 (2018.08) Радиометр влагомер: №2018105113, заявл.12.02.2018, опубл. 25.07.2019 / В.А. Плющев, И.А. Сидоров; заявитель Акционерное общество «Концерн радиостроения «Вега».

4. Рекомендация МСЭ-R P.527 - 4(06/2017). Электрические характеристики земной поверхности. Серия P. Распространение радиоволн.

Изобретение относится к области дистанционного измерения влажности участков земной поверхности, представляющих собой плоскослоистый диэлектрик естественного происхождения с потерями (грунты, почвы сельскохозяйственного назначения, снежный покров, лёд, травянистая растительность и т.д.), для которых лабораторные исследования не обеспечивают одновременно требуемой оперативности и точности. Изобретение может быть использовано для определения влажности почвенных горизонтов, расположенных ниже границы «воздух-поверхность», например, при обосновании рациональных агротехнических мероприятий при ведении сельского хозяйства по технологии точного земледелия. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение оперативности и точности измерения процентной влажности участков земной поверхности в полевых условиях при смешанном (диффузном и зеркальном) отражении зондирующего радиосигнала. 4 ил.

Устройство для дистанционного измерения влажности плоскослоистых диэлектриков с потерями, состоящее из передатчика, цифрового вычислителя, измерителя пространственных координат и двух антенн, размещенных на первом БПЛА, приемного оборудования, включающего две антенны, два усилителя радиочастоты, фазовый дискриминатор, два измерителя действующей амплитуды интерференционного сигнала, цифровой вычислитель, измеритель пространственных координат, размещенные на втором БПЛА и наземной станции управления, при этом первый выход передатчика БПЛА1 соединяют с антенной с горизонтальной поляризацией зондирующего радиосигнала, а второй выход передатчика соединяют с антенной с вертикальной поляризацией зондирующего сигнала, первый выход цифрового вычислителя соединяют с входом передатчика, через данный вход осуществляется синхронизация зондирующих радиосигналов с пространственным положением БПЛА1, а первый вход цифрового вычислителя соединяют с выходом измерителя пространственных координат, откуда поступает информация о пространственном положении БПЛА1, соединяют второй вход и второй выход цифрового вычислителя со вторым выходом и первым входом радиомодуля, соединяют выход антенны, БПЛА2 со входом первого усилителя радиочастоты, по которому на усилитель поступает интерференционный сигнал с горизонтальной поляризацией, который после усиления поступает на измеритель действующего значения амплитуды интерференционного сигнала и на первый вход фазового дискриминатора, соединяют антенну БПЛА2 со входом усилителя радиочастоты, по которому на усилитель поступает интерференционный сигнал с вертикальной поляризацией, который после усиления поступает на измеритель действующего значения амплитуды интерференционного сигнала и второй вход фазового дискриминатора, выход фазового дискриминатора соединяют с первым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), по этому выходу постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз интерференционных волн, передается в АЦП для преобразования в цифровой код, соединяют выходы измерителей действующей амплитуды и интерференционных волн с вертикальной и горизонтальной поляризацией со вторым и третьим входами многоканального АЦП, соединяют выход АЦП с первым входом цифрового вычислителя, управляют поочередным выбором канала АЦП цифровым вычислителем по линии, соединяющей первый выход цифрового вычислителя и четвертый вход АЦП, соединяют второй вход вычислителя с выходом измерителя пространственных координат, откуда поступает информация о пространственном положении БПЛА2, третий вход и второй выход цифрового вычислителя соединены с вторым выходом и первым входом радиомодуля, соединяют первый выход и второй вход радиомодуля с вторым входом и вторым выходом антенны, первый выход и первый вход которой соединены с первым входом и первым выходом НСУ, второй выход и второй вход НСУ соединены с первым входом и первым выходом антенны, второй выход и второй вход которой соединены с вторым входом и первым выходом радиомодуля.