RU2804381C1 - Device for remote measurement of humidity of flat-layer dielectric with losses - Google Patents
Device for remote measurement of humidity of flat-layer dielectric with losses Download PDFInfo
- Publication number
- RU2804381C1 RU2804381C1 RU2023104573A RU2023104573A RU2804381C1 RU 2804381 C1 RU2804381 C1 RU 2804381C1 RU 2023104573 A RU2023104573 A RU 2023104573A RU 2023104573 A RU2023104573 A RU 2023104573A RU 2804381 C1 RU2804381 C1 RU 2804381C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- radio
- antenna
- digital computer
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 27
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 abstract description 28
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000009313 farming Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 13
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
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.The invention relates to the field of remote measurement of humidity of areas of the earth's surface, which are a flat-layer dielectric of natural origin with losses (soils, agricultural soils, snow cover, ice, herbaceous vegetation, etc.), for which laboratory studies do not simultaneously provide the required efficiency and accuracy.
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.The invention can be used to determine the moisture content of soil horizons located below the air-surface boundary, for example, when justifying rational agrotechnical measures when farming using precision farming technology.
Уровень техникиState of the art
Характеристика аналогов технического решенияCharacteristics of analogues of the technical solution
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.Currently, there are known devices for measuring the humidity of dielectrics with losses (soils) [1]-[3], which make it possible to study samples of a limited volume of material only in stationary laboratory conditions, and devices for remote measurement of humidity, which allow measurements to be carried out quickly and over extended areas surface humidity of areas of the earth's surface with low accuracy of moisture assessment in the root zone of plants.
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.A microwave device for measuring soil moisture is known [1], containing a housing, a power unit of a microwave emitter, and a microwave emitter connected to a working chamber. On the side of the working chamber opposite, relative to the microwave emitter, there is a microwave radiation detector connected to the working chamber, which measures the level of microwave radiation passed through the test sample, a data processing unit through which its humidity is determined. The microwave radiation detector and the working chamber form a sealed resonator waveguide. The working chamber, built into the waveguide, has an access window through which a dielectric capacitance with a soil sample is installed, the moisture content of which must be measured.
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.Common to the proposed and known devices is the use of the dependence of the amplitude of the received signal on the dielectric constant of the medium under study, associated with its humidity, as well as the versatility of their use for the study of dielectrics of natural origin.
Недостатком СВЧ-устройства является ограниченность его оперативного применения на протяженных участках земной поверхности.The disadvantage of a microwave device is the limitation of its operational use over extended areas of the earth's surface.
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.The difference between the proposed device and the known one is the presence of an electromagnetic wave emitter with horizontal and vertical polarization and a receiver of signals reflected rather than transmitted through the material under study, which provides the possibility of contactless remote determination of the humidity of the material under study (soil), including in the field.
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.A wireless device for monitoring soil moisture [2] is known, designed for remote control of the humidity of local land plots for various purposes for environmental, agrotechnical and other purposes. The device contains a housing with a humidity sensor installed in it, connected through a measuring-transmitting part, consisting of a series-connected microcontroller and a radio module, to an antenna, and a power source connected to the microcontroller and radio module, and is additionally equipped with a receiving antenna, receivers of control signals, reference signals , feedback signals and soil moisture information from an external device, solid state drive, reference signal generator and switch. When monitoring soil moisture in real conditions, several wireless devices of the same type are placed on the field, simultaneously performing the functions of receiving and transmitting information, at a certain distance from the base station.
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.What is common to the device under development and the known device is the presence in the circuits of a digital computer that performs final processing of information about soil moisture from the sensor, antenna system and radio module, allowing for prompt transmission of measured soil moisture values (percentage moisture content) and receiving control commands.
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.The disadvantage of the device is the use of a contact humidity sensor and the stationary location of the measurement device. Only the method (via radio channel) of transmitting information about soil moisture to the base station is remote, which significantly limits the coverage of the territory and the efficiency of measurements.
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.The difference between the proposed device and the known one is the use in the transmitter circuit of a probing radio signal and the receiver of vertically and horizontally polarized interference signals reflected from the soil, providing the possibility of remote assessment of the moisture content of horizons of extended layered dielectrics (soils) in arbitrary territories.
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.The closest to the declared one (prototype) is the Radiometer Moisture Meter [3], used for measuring and recording the moisture content of soils, radio brightness temperatures of the underlying radio thermal radiation of the underlying surface at two polarizations when viewing at an angle to the vertical, as well as when viewing at a nadir, normal to the surface , in which, to reduce the absolute error in measuring the moisture content of soils, the brightness temperatures of the area under study are simultaneously measured with a common receiver in two polarizations - horizontal and vertical at an angle of 30 to 60 degrees to the surface plane, and when sighted at nadir, that is, at an angle of 90 degrees to the surface plane. The device uses a special antenna array, the first two outputs of which generate signals received in vertical and horizontal polarizations. Antenna radiation patterns are formed so that the axis of the main lobe is directed along the normal to the antenna opening plane. Also, at one of the antenna outputs, a signal is generated that is received in the mode of beam deviation from the normal direction at a certain angle, for example, 30 degrees. The moisture meter radiometer is placed above the studied area of the earth's surface on a mobile carrier, in particular, on board an unmanned aerial vehicle (UAV), for example, a quadcopter.
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).Common to the proposed and known devices is the use of radio signals with vertical and horizontal polarization, signal reception in the mode of beam deviation from the normal direction, and placement of equipment on a mobile carrier (UAV).
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.The disadvantage of the Moisture Meter Radiometer is the low accuracy of determining humidity in the case of dielectrics with losses, since the analytical expressions implemented by the computer practically do not take into account the complex nature of the dielectric constant of real soils, since microwave signals of the underlying radiothermal radiation of the underlying surface are in the range of units to hundreds of gigahertz and according to the expression for complex dielectric constant, the fraction of the imaginary part for real soils it becomes vanishingly small. Here σ is the specific conductivity of the medium under study, f is the operating frequency.
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).The difference between the proposed device is as follows: to operate the device, a bistatic radar system with a signal in the megahertz range is used, while the location of the UAV with the receiver and the UAV with the transmitter ensures irradiation of the earth's surface at the Brewster angle (Fig. 1). Control of the required placement of the UAV is carried out using on-board spatial coordinate meters (for example, using receivers of a satellite radio navigation system).
Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention
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.The purpose of the invention (technical result) is to increase the efficiency and accuracy of measuring the percentage humidity of areas of the earth's surface in field conditions with mixed (diffuse and specular) reflection of the probing radio signal.
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.The goal (the specified technical result) is achieved by placing two UAVs with transmitting and receiving equipment over the studied area of the earth's surface, irradiating the earth's surface from the position of the transmitter with radio waves of the same frequency with vertical and horizontal polarization (for example, using two antennas), moving both UAVs so that the angle of incidence of the radar beam changes from 45 to 89 degrees (for example, by simultaneously increasing the flight altitude of UAVs located at a constant distance from each other or by horizontally moving the UAV with receiving equipment relative to the UAV with the transmitter when they are at the same flight altitude ), an interference signal of horizontal and vertical polarization is received at the receiving position, which is the sum of the radio signal directly passing from the radio transmitting module to the radio receiving module, reflected from the air-surface interface of the radio signal and passing below the air-surface interface of the radio signal, amplified using two radio frequency amplifiers, separately interference signals with vertical polarization and separately with horizontal polarization, the amplified signals are supplied to two different inputs of the phase discriminator and the phase difference of the oscillations of the interference waves is recorded, a constant voltage proportional to the phase difference is converted into a digital signal using an analog-to-digital converter and transmit the phase difference code to a digital computer, when the phase difference reaches a given value, determine the pseudo-Brewster angle, calculate the real and imaginary part of the complex dielectric constant of the controlled area, calculate the desired humidity value from the complex dielectric constant, control the relative position of the UAV using digital computers and spatial coordinate meters .
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).In this case (Fig. 2), the first output of the transmitter (2) of the UAV1 is connected to the antenna (4) with horizontal polarization of the probing radio signal, and the second output of the transmitter (2) is connected to the antenna (5) with the vertical polarization of the probing signal. The first output of the digital computer (3) is connected to the input of the transmitter (2), through this input the synchronization of the sounding radio signals with the spatial position of the UAV1 is carried out. The first input of the digital computer (3) is connected to the output of the spatial coordinate meter (1), from where information about the spatial position of the UAV1 is received. The second input and second output of the digital computer (3) are connected to the second output and first input of the radio module (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).The antenna (12) of the UAV2 is connected to the input of the first radio frequency amplifier (10). Through this input, the amplifier (10) receives an interference signal with horizontal polarization. The amplified signal is supplied to the meter of the effective value of the amplitude of the interference signal (14) and to the first input of the phase discriminator (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).The antenna (13) of the UAV2 is connected to the input of the radio frequency amplifier (11). Through this input, the amplifier (11) receives an interference signal with vertical polarization. The amplified signal is supplied to the meter of the effective value of the amplitude of the interference signal (15) and to the second input of the phase discriminator (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).The output of the phase discriminator (8) is connected to the first input of the multichannel analog-to-digital converter (ADC) (9), through this output a constant voltage proportional to the phase difference of the interference waves is transmitted to the ADC (9) for conversion into a digital code. The outputs of the effective amplitude meters (14) and (15), respectively, interference waves with vertical and horizontal polarization, are connected to the second and third inputs of the multichannel ADC (9). The ADC output (9) is connected to the first input of the digital computer (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.The sequential selection of the ADC channel (9) is controlled by the digital computer (7) along the line connecting the first output of the digital computer (7) and the fourth input of the ADC (9). The second input of the computer (7) is connected to the output of the spatial coordinate meter (6), from where information about the spatial position of the UAV2 is received.
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).The third input and second output of the digital computer (7) are connected to the second output and first input of the radio module (17). In turn, the first output and second input of the radio module (17) are connected to the second input and second output of the antenna (19), the first output and first input of which are connected to the first input and first output of the ground control station (GCS) (18). The second output and second input of the NSU (18) are connected to the first input and first output of the antenna (20), the second output and second input of which are connected to the second input and first output of the radio module (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.NSU (18) makes it possible to carry out the initial placement of UAV1 and UAV2 in space, control their movement in the process of measuring moisture and quickly obtain measured values of the percentage moisture content in the soil.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
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.In fig. Figure 1 shows a diagram of the placement of the UAV during operation of the device. In fig. 2. A block diagram of a device for remotely measuring the humidity of flat-layer dielectrics with losses is presented. In fig. 3. shows the joint graphs of the dependences of interference waves with vertical and horizontal polarization of the probing signal. In fig. Figure 4 shows the dependence of the percentage of moisture on the imaginary part of the complex dielectric constant of a medium with different ratios of clay, silt and sand.
Работа устройстваDevice operation
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.Two UAVs with transmitting and receiving equipment are positioned above the surface under study, irradiate the earth’s surface from the transmitter’s position with radio waves of the same frequency with vertical and horizontal polarization (for example, using two antennas), and move both UAVs so that the angle of incidence of the radar beam varies from 45 to 89 degrees (for example, due to the simultaneous increase in the flight altitude of UAVs located at a constant distance from each other or when the UAV with receiving equipment moves horizontally relative to the UAV with the transmitter when they are at the same flight altitude), an interference signal is received at the receiving position on the horizontal and vertical polarization, which is the sum of the radio signal directly passing from the radio transmitting module to the radio receiving module, reflected from the air-surface interface of the radio signal and passing below the air-surface interface of the radio signal, the interference signals with vertical polarization and separately are amplified using two radio frequency amplifiers. with horizontal polarization, amplified signals are supplied to two different inputs of the phase discriminator and the phase difference of oscillations of interference waves is recorded, a constant voltage proportional to the phase difference is converted into a digital signal using an analog-to-digital converter and the phase difference code is transmitted to a digital computer, when the difference is reached phases of a given value, the pseudo-Brewster angle is determined, the real and imaginary parts of the complex dielectric constant of the controlled area are calculated, and the desired moisture value is calculated from the existing dependences of the percentage soil moisture on the complex dielectric constant.
Коэффициент отражения вертикально поляризованной электромагнитной волны определяется выражениемThe reflection coefficient of a vertically polarized electromagnetic wave is given by
а для горизонтально поляризованной волны выражениемand for a horizontally polarized wave by the expression
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.In expressions (1) and (2) - characteristic resistance of the first medium (air); - in the general case, the complex characteristic impedance of the second medium (the area of the earth's surface under study); - angle of incidence of a plane electromagnetic wave at the interface between two media; - angle of refraction.
Характеристическое сопротивление второй среды определяется выражением:The characteristic resistance of the second medium is determined by the expression:
где ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; εr2 - относительная диэлектрическая проницаемость второй среды; - относительная магнитная проницаемость второй среды; μ0 - магнитная проницаемость вакуума; σ2 - удельная проводимость второй среды; f - частота радиосигнала.where ε 0 is the dielectric constant of vacuum; ε r2 - relative dielectric constant of the second medium; - relative magnetic permeability of the second medium; μ 0 - magnetic permeability of vacuum; σ 2 - specific conductivity of the second medium; f is the frequency of the radio signal.
Характеристическое сопротивление первой среды - воздуха на уровне четвертого знака после запятой равно характеристическому сопротивлению вакуума и в общем случае имеет вид:The characteristic resistance of the first medium - air at the level of the fourth decimal place is equal to the characteristic resistance of vacuum and in the general case has the form:
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:Taking the factor out of brackets in expression (2) , and taking into account that the first and second environments are non-magnetic ( , after reducing the identical factors in the numerator and denominators of the fraction, we obtain:
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. ПолучимLet us denote the complex dielectric constant by . Let us express in formula (5) the angle of refraction through the angle of incidence and the ratio of the refractive indices of the first and second media in accordance with Snell’s second law , where - refractive indices of the first and second medium. We get
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:Let us substitute into expression (5) the value of the sine of the angle of refraction from expression (6), taking into account the equality . Finally, for the reflection coefficients for vertical and horizontal polarization of radio signals, we obtain the following expressions:
где - комплексная диэлектрическая проницаемость диэлектрика с потерями;Where - complex dielectric constant of the dielectric with losses;
- циклическая частота зондирующего сигнала, ƒ - частота радиосигнала в Гц. - cyclic frequency of the probing signal, ƒ - frequency of the radio signal in Hz.
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.With vertical polarization of the probing radio signal, the effect of total refraction is observed (for dielectrics without losses), in which the reflection coefficient is zero, or the effect of pseudo total refraction (for dielectrics with losses), when the reflection coefficient is minimal. The angle at which the effect of complete refraction (pseudo-full refraction) is observed is the Brewster angle. Its value can be determined by the minimum amplitude of the reflected signal or by the phase shift between oscillations of horizontally and vertically polarized interference waves. With a known angle of incidence equal to the Brewster angle, in the system formed by equations (7) and (8) there will be only one unknown complex dielectric constant , consisting of real and imaginary parts.
Значения коэффициентов отражения при вертикальной и горизонтальной поляризации интерференционных волн с точностью до постоянного и одинакового множителя будут равны действующим амплитудам интерференционного сигнала.The values of the reflection coefficients for vertical and horizontal polarization of interference waves, accurate to a constant and identical factor, will be equal to the effective amplitudes of the interference signal.
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.After normalizing expressions (7) and (8) by dividing by any of the reflection coefficients, the system of two equations will contain only two unknown quantities: the real and imaginary parts of the complex permittivity of the dielectric under study.
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:Taking into account the methodology reflecting the relationship of the imaginary part of the complex dielectric constant with the percentage soil moisture, set out in international recommendations ITU-R P.527 - 4(06/2017) [4] through the expression:
где - мнимая часть диэлектрической проницаемости связанной воды (постоянная величина для выбранного соотношения песка () и глины () исследуемого участка);Where - imaginary part of the dielectric constant of bound water (constant value for the selected sand ratio ( ) and clay ( ) study area);
; ;
- постоянный коэффициент. - constant coefficient.
Таким образом, процентное содержание влаги будет определяться выражением (фиг. 4)Thus, the percentage of moisture will be determined by the expression (Fig. 4)
Пример реализации выражения (10) для различных типов почв показан на фиг. 4.An example of the implementation of expression (10) for various types of soils is shown in Fig. 4.
Источники информацииInformation sources
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".1. Patent No. 2641715 C1, Russian Federation, IPC G01N 22/04. Microwave device for measuring soil moisture: No. 2017106514, application. 02/27/2017, publ. 01/22/2018 / S.V. Mashkov, S.I. Vasiliev, D.N. Kotov; applicant: Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Samara State Agricultural Academy".
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.2. Utility model patent No. 189080 U1, Russian Federation, IPC G01N 25/56. Wireless device for monitoring soil moisture: No. 2019103316,: application. 02/06/2019, publ. 05/13/2019 / S.A. Andreev, A.I. Matveev, Yu.A. Sudnik, D.V. Anashin. - 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».3. Patent No. 2695764 C1, Russian Federation MPK G01N 22/04 (2018.08) Radiometer moisture meter: No. 2018105113, application 02/12/2018, publ. 07.25.2019 / V.A. Plushev, I.A. Sidorov; applicant Joint Stock Company Radio Engineering Concern Vega.
4. Рекомендация МСЭ-R P.527 - 4(06/2017). Электрические характеристики земной поверхности. Серия P. Распространение радиоволн.4. Recommendation ITU-R P.527 - 4(06/2017). Electrical characteristics of the earth's surface. Series P. Radio wave propagation.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2804381C1 true RU2804381C1 (en) | 2023-09-28 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2821440C1 (en) * | 2024-05-08 | 2024-06-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Device for remote measurement of dielectric permeability of flat-layered dielectrics of natural origin with sum-difference processing of interference signals |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2330268C2 (en) * | 2006-08-22 | 2008-07-27 | Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) | Uhf-method of controlling humidity of solid materials |
| US7525321B2 (en) * | 2003-11-20 | 2009-04-28 | Commissariat A L'energie Atomique | Sensor and assembly for hydrometric measurements |
| RU2695764C1 (en) * | 2018-02-12 | 2019-07-25 | Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Radiometer moisture meter |
| RU2790085C1 (en) * | 2022-10-27 | 2023-02-14 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7525321B2 (en) * | 2003-11-20 | 2009-04-28 | Commissariat A L'energie Atomique | Sensor and assembly for hydrometric measurements |
| RU2330268C2 (en) * | 2006-08-22 | 2008-07-27 | Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) | Uhf-method of controlling humidity of solid materials |
| RU2695764C1 (en) * | 2018-02-12 | 2019-07-25 | Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Radiometer moisture meter |
| RU2790085C1 (en) * | 2022-10-27 | 2023-02-14 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Статья: "Решение некорректной задачи о распространении плоской электромагнитной волны в плоскослоистом диэлектрике без поглощения вблизи нуля диэлектрической проницаемости", Ж. Лесной вестник, 2002. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2821440C1 (en) * | 2024-05-08 | 2024-06-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Device for remote measurement of dielectric permeability of flat-layered dielectrics of natural origin with sum-difference processing of interference signals |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jonard et al. | Mapping field-scale soil moisture with L-band radiometer and ground-penetrating radar over bare soil | |
| US20170343485A1 (en) | Retrieval of p-band soil reflectivity from signals of opportunity | |
| Pozderac et al. | $ X $-Band Beacon-Receiver Array Evaporation Duct Height Estimation | |
| CN110795895A (en) | A method for predicting soil moisture using surface reflection signal and random forest regression algorithm | |
| Cheng et al. | Estimation of surface soil moisture by a multi‐elevation UAV‐based ground penetrating radar | |
| Wu et al. | Analysis of low-frequency drone-borne GPR for root-zone soil electrical conductivity characterization | |
| CN104931797A (en) | Method for measuring dielectric constant of lossy medium based on wave-transparent mechanism | |
| Gudkov et al. | A portable microwave radiometer for proximal measurement of soil permittivity | |
| Yasuda et al. | Horizontal atmospheric delay measurement using wireless two-way interferometry (Wi-Wi) | |
| Bernard et al. | The microwave radiometer aboard ERS-1.1. Characteristics and performances | |
| Pasian et al. | Experimental validation of a dual-receiver radar architecture for snowpack monitoring | |
| Ulaby et al. | A millimeterwave network analyzer based scatterometer | |
| RU2804381C1 (en) | Device for remote measurement of humidity of flat-layer dielectric with losses | |
| Chung et al. | A microwave anechoic chamber for radar-cross section measurement | |
| Eriksrød et al. | Bistatic SAR radar for long-term snow pack monitoring | |
| Voronovich et al. | Soil moisture retrieval using reflection coefficients: Numerical experiments | |
| Badescu | The transfer function of a boreholed dipole antenna | |
| RU2790085C1 (en) | Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin | |
| RU2821440C1 (en) | Device for remote measurement of dielectric permeability of flat-layered dielectrics of natural origin with sum-difference processing of interference signals | |
| Linets et al. | The Features of Interference Signal Processing when Measuring the Complex Dielectric Permittivity of Planar-Layered Media of Natural Origin | |
| Pramudita et al. | Radar development for soil water content estimation in agriculture | |
| Kadota | Development of an Inexpensive Surface Soil Moisture Sensor Using Multipath Interference in Global Satellite Navigation System | |
| Kumar | Design of ground-penetrating radar at 866 MHz | |
| Linets et al. | Remote Assessment of Soil Electrical Conductivity Using a P-Band Amplitude-Phase Interferometer Deployed on Two UAVs | |
| Benallegue et al. | Evaluation of calibration methods for a helicopter-borne microwave scatterometer |