(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１周波数ｆ１で第１疑似ランダム信号を発生する第１信号発生手段と、この第１周波数ｆ１と僅かに異なる第２周波数ｆ２で前記第１疑似ランダム信号と同一パターンの第２疑似ランダム信号を発生する第２信号発生手段と、前記第１疑似ランダム信号と前記第２疑似ランダム信号とを乗算する第１乗算器と、前記第１信号発生手段と土壌に埋設されている電極の一端を結びこの電極の他端と接続している測定電路に接続しこの測定電路からの前記第１疑似ランダム信号と前記第２信号発生手段からの第２疑似ランダム信号とを乗算する第２乗算器と、前記第１乗算器からの乗算信号の高周波成分を除去してこれを基準信号として出力する第１ローパスフィルタと、前記第２乗算器からの乗算信号の高周波成分を除去してこれを測定信号として出力するする第２ローパスフィルタと、この基準信号の最大相関値の発生する時間と測定信号の最大相関値の発生する時間との時間差ｘを求め、予め求められているこの時間差ｘと前記電極の埋設されている土壌の水分量との関係から土壌の水分量を求める演算部とを備えたことを特徴とする土壌の水分計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土壌に埋設された電極を通過する信号が電極周囲の水分量に応じて変化することを利用して土壌の水分量を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
土壌の水分量は営農対策上で非常に重要な要因である。土壌の水分計測方法として従来から中性子法や重量法が用いられている。しかしこれらの方法は、安全性の問題や測定に時間がかかることから使用される場所が限定されていた。近年これらの測定法に代わる方法としてＴＤＲ（Time Domain Reflectometry)が広く利用さている。
【０００３】
ＴＤＲはステップまたはインパルス波形を出力し、その反射波の大きさと反射時間を測定するものであり、もともとは地下に埋設されたケーブルや海底ケーブル、山奥の高圧線等ケーブルが断線したりショートした時、基準位置から障害発生位置までの距離の測定に用いられていた。
【０００４】
以下にその方法を簡単に説明する。
反射波（電磁波）の伝播速度ｖは波動方程式より、
ｖ＝ｃ／√（εμ）      …（１）
となる。ここでｃ：光速（３×１０8 ｍ/sec) ，ε：誘電率，μ：透磁率
【０００５】
ＴＤＲ方式の土壌水分計は、土壌の水分量が誘電率と相関関係があることを利用し、２本の電極棒を土壌に垂直または水平に埋め込み、電極棒先端で反射した電磁波が戻ってくるまでの遅延時間より土壌の水分量を算出している。電磁波が発射されてからその反射波が戻ってくるまでの遅延時間ｔは、
ｔ＝Ｌ√（εμ）／ｃ    …（２）
となる。ここでＬ：計測器より電極棒先端までのケーブルと電極棒の往復長（ｍ），ε：ケーブルの誘電率，μ：ケーブルの透磁率であり、数十psecから数百psecと非常に高速なステップパルス信号として戻ってくる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＴＤＲ方式は重量法等に比べ容易に扱え、また短時間で測定を行なうことができる。しかし、高精度な測定を行なうためには電極長を長くする必要がある。例えば、土壌表面付近の水分を計測する場合電極棒を短くすると、反射波が戻ってくる時間も短くなり高精度な測定ができないという問題が起きる。また、本来ＴＤＲはケーブルのような同一インピーダンス上における障害点を計測するのに有効であり、土壌の水分計のようにインピーダンスが一定でない測定物に関しては、Ｓ／Ｎ比の劣化を招き問題となっている。
【０００７】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたもので、従来のＴＤＲ方式のＳ／Ｎ比の劣化を防止し高精度で測定できる土壌の水分計測装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１の発明では、第１周波数ｆ１で第１疑似ランダム信号Ｍ１を発生する第１信号発生手段と、この第１周波数ｆ１と僅かに異なる第２周波数ｆ２で前記第１疑似ランダム信号と同一パターンの第２疑似ランダム信号Ｍ２を発生する第２信号発生手段と、前記第１疑似ランダム信号Ｍ１と前記第２疑似ランダム信号Ｍ２とを乗算する第１乗算器と、前記第１信号発生手段と土壌に埋設されている電極の一端を結びこの電極の他端と接続している測定電路に接続しこの測定電路からの前記第１疑似ランダム信号Ｍ１と前記第２信号発生手段からの第２疑似ランダム信号Ｍ２とを乗算する第２乗算器と、前記第１乗算器からの乗算信号の高周波成分を除去してこれを基準信号として出力する第１ローパスフィルタと、前記第２乗算器からの乗算信号の高周波成分を除去してこれを測定信号として出力するする第２ローパスフィルタと、この基準信号の最大相関値の発生する時間と測定信号の最大相関値の発生する時間との時間差ｘを求め、予め求められているこの時間差ｘと前記電極の埋設されている土壌の水分量との関係から土壌の水分量を求める演算部とを備える。
【０００９】
基準信号と測定信号は、第１周波数ｆ１の第１疑似ランダム信号Ｍ１と、この第１周波数ｆ１と僅かに異なる異なる第２周波数ｆ２で第１疑似ランダム信号Ｍ１と同一パターンの第２疑似ランダム信号Ｍ２を乗算した信号であり、両ランダム信号Ｍ１，Ｍ２の各周期の位相が一致したとき最大値となりこれを最大相関値という。測定信号の最大相関値発生時間は第１疑似ランダム信号Ｍ１が測定電路を経由してくるため、基準信号の最大相関値発生時間よりもｘ時間遅れる。この遅れ時間ｘは電極周囲の土壌の水分量に応じて変化するので、電極の埋設されている土壌の水分量と遅れ時間ｘとの関係を予め求めておくことにより、遅れ時間ｘを計測すれば、電極の埋設されている土壌の水分量を測定することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は実施形態の土壌の水分測定装置の構成を示す図である。第１発振部１は周波数ｆ１のクロック信号を発生し、第１信号発生器３で周波数ｆ１の疑似ランダム信号Ｍ１を発生する。第２発振部２は周波数ｆ１と僅かに異なる周波数ｆ２のクロック信号を発生し、第２信号発生器４で周波数ｆ２でＭ１と同じパターンの疑似ランダム信号Ｍ２を発生する。第１信号発生器３より出力された  疑似ランダム信号Ｍ１は２つに分かれ、１つは第１乗算器５へ、他の１つは測定電路１１を経由して第２乗算器６に入る。測定電路１１とは、第１信号発生器３から電極１０の一方端に接続し他方の端から第２乗算器６にいたる計測ケーブルと電極１０から構成される。なお、電極１０は計測対象の土壌に垂直または水平に埋設されている。
【００１１】
第２信号発生器４より出力された  疑似ランダム信号Ｍ２は２つに分かれ、１つは第１乗算器５へ、他の１つは第２乗算器６に入る。第１乗算器５の出力は第１ローパスフィルタ７で高周波成分を除去され演算部９に基準信号として出力される。また第２乗算器６の出力は第２ローパスフィルタ８で高周波成分を除去され測定信号として演算部９に出力される。演算部９では、基準信号と測定信号の最大相関値を求め、この両信号の最大相関値の発生する時間差ｘを求めて、予め求めておいた電極の埋設されている土壌の水分量と時間差ｘとの関係から、土壌の水分量を算出する。
【００１２】
図２は第１信号発生器３および第２信号発生器４で疑似ランダム信号Ｍ１，Ｍ２を発生するＭ系列信号発生器である。Ｍ系列信号発生器は疑似ランダム信号発生手段として通常用いられる。クロック信号ｆ１またはｆ２に同期したフリップフロップ７段構成によるシフトレジスタ１２を設け、５段目と７段目のフリップフロップの出力信号を排他的論理和回路１３を介して１段目のフリップフロップに入力し、クロック信号を各段のフリップフロップに供給し、７段目のフリップフロップから出力信号を得るようにして、クロック信号に同期したＭ系列符号を発生することができる。
【００１３】
図３に３段のシフトレジスタにより構成されたＭ系列信号発生器の出力を示す。このようにして発生したＭ系列符号は、符号「１」と「０」、または「＋」と「−」の組み合わせによる周期性循環符号であり、図３では「１」と「０」の信号を発生している。このＭ系列信号を循環して発生させる場合の周期は、図２の場合７ビットなので、２7 −１＝１２７個の信号が発生すると１周期が完了する。そして次の１２８番目の信号から前の周期と同一信号を発生し、この周期を繰り返し循環する。一般にこのＭ系列信号は部分的にランダムな信号であるが、自己相関関数を利用する信号として用いられている。
【００１４】
以下に土壌に埋設された電極棒１０を伝播した電磁波の伝播時間の計測方法について説明する。
周波数ｆ１とｆ２は僅かに異なる周波数であり、ｆ１＞ｆ２である。第１信号発生器３からは周波数ｆ１の疑似ランダム信号Ｍ１が発生し、第２信号発生器４からは周波数ｆ２の疑似ランダム信号Ｍ２が発生する。疑似ランダム信号Ｍ１とＭ２は周波数が僅かに異なるが、同一パターンの信号であり、それぞれの周期をＴ１とＴ２とすると、これらは次の式で表される。
Ｔ１＝Ｐ／ｆ１        …（３）
Ｔ２＝Ｐ／ｆ２        …（４）
ここで、Ｐは疑似ランダム信号Ｍ１，Ｍ２の１周期分のビット数で、図２のＭ系列信号発生器の場合、Ｐ＝１２７である。
【００１５】
図４に示すようにＴ１，Ｔ２の各周期の差Δｔは次式で表される。
0003900395.tif 000002
【００１６】
次に、疑似ランダム信号Ｍ１，Ｍ２がとりうる最大相関値について説明する。Ｍ系列の疑似ランダム信号の特徴の１つに周期的自己相関性がある。図５は２つの疑似ランダム信号Ｍ１，Ｍ２の位相が一致した場合の最大相関値間の時間τを示す。図４と図５を参照して、τは次の式で表される。
τ＝（Ｔ１／Δｔ）×Ｔ２        …（６）
右辺のかっこ内はＴ１内に含まれるΔｔの数を示し、この数だけＴ２を並べると、図５に示すようにＴ１とＴ２の位相が揃うことを表す。故にこの数にＴ２を掛ければ、τが求まる。Δｆ＝ｆ１−ｆ２とし、（３），（４），（５）式を（６）式に代入すると、次のようになる。
τ＝Ｐ／Δｆ                    …（７）
【００１７】
Ｍ系列の疑似ランダム信号Ｍ１とＭ２を乗算器５，６で乗算して、ローパスフィルタ７，８により高周波成分を除去すると、図５の下部に示す信号Ｍ１×Ｍ２が得られる。れよりτが測定できる。
【００１８】
次に測定電路１１を通り電極１０を伝播した疑似ランダム信号Ｍ１の伝播時間ｔについて説明する。電磁波の測定電路１１の伝播時間ｔは次式で表される。
ｔ＝Ｌ・√（εμ）／ｃ＋Ｌ1 ・√（ε1 μ1 ）／ｃ  …（８）
ここで、Ｌ：測定電路１１の内計測ケーブルの長さ，ε：計測ケーブルの誘電率，μ：計測ケーブルの透磁率，ｃ：光速，Ｌ1 ：測定電路１１の電極の長さ，ε1 ：電極１０近傍の誘電率，μ1 ：電極１０近傍の透磁率である。
【００１９】
いま、第１信号発生器３から出力された疑似ランダム信号Ｍ１と第２信号発生器３４ら出力された疑似ランダム信号Ｍ２とが第１乗算器５に直接入力され、第１ローパスフィルタ７で高周波成分を除去された信号を基準信号とし、第１信号発生器３から出力され計測電路１１を通り、電極１０を通った疑似ランダム信号Ｍ１と第２信号発生器３４ら出力された疑似ランダム信号Ｍ２とが第２乗算器６に入力され、第２ローパスフィルタ８で高周波成分を除去された信号を測定信号とする。
【００２０】
図６はこの基準信号と測定信号の最大相関値間の時間差ｘ(sec) を示す。この時間差ｘ(sec) は疑似ランダム信号Ｍ１の通過する測定電路１１の長さおよび誘電率，透磁率により決まる。この時間差ｘ(sec) 間に発生する疑似ランダム信号Ｍ２を形成するパルス数は、時間差ｘ(sec) 間に発生する疑似ランダム信号Ｍ１を形成するパルス数より、（８）式で示したｔ時間に発生する疑似ランダム信号Ｍ１を形成するパルス数だけ少ないので、次式が成り立つ。
ｘ・ｆ２＝ｘ・ｆ１−ｔ・ｆ１  …（９）
【００２１】
従って（８），（９）式より次式が得られる。
ｘ＝〔Ｌ・√（εμ）／ｃ＋Ｌ1 ・√（ε1 μ1 ）／ｃ〕・ｆ１／Δｆ…（10）
ここでΔｆ＝ｆ１−ｆ２である。
（10）式より、電磁波の伝播という高速現象の測定信号が、時間軸上ではｆ１／Δｆ倍に拡大され、低速化されることがわかる。
【００２２】
（10）式の各項の中で土壌の水分によって変化する項はε1 である。ε1 が土壌の水分によって変化すると、測定信号の伝播時間が変化する。よって基準信号と測定信号の最大相関値間の時間差ｘ(sec) と土壌の水分量との関係を予め求めておき、この時間差ｘ(sec) を測定することにより、土壌の水分量を求めることができる。しかも、（10）式のｆ１／Δｆで示されるように電磁波の伝播という高速現象の測定信号が、時間軸上で拡大され、低速化されているので、精度よく測定することができる。
【００２３】
次に実施例について説明する。
図１の第１発振部１からｆ１＝４３０．０００５ＭＨｚ、第２発振部２からｆ２＝４３０．００００ＭＨｚのクロックを出力する。差の周波数はΔｆ＝５００Ｈｚであり、ｆ１／Δｆ＝０．８６×１０6 となり、時間差ｘを精度よく計測できる。また第１及び第２信号発生器３，４はシフトレジスタ７段の構成による１２７ビット長の疑似ランダム信号を発生する。電極１０は長さ１００ｍｍ，外径８ｍｍのステンレス棒を使用した。
【００２４】
図７は上記条件で圃場で採取した土壌を十分乾燥させた後、水分を加えた時の水分量と測定値（時間差ｘ，単位はμsec ）を示す。時間差ｘを計測し、図７のグラフから圃場の土壌の水分を高精度で計測することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明は、２つの僅かに異なる疑似ランダム信号を用いることにより、電磁波の伝播という高速な信号を時間軸上で拡大・低速化するので、従来のように高速な電磁波の反射信号から土壌の水分量を計測するのに比べ、はるかに精度よく、かつ高速に土壌の水分量を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す図である。
【図２】疑似ランダム信号発生器の構成を示す図である。
【図３】疑似ランダム信号Ｍ１とＭ２を模式的に示した図である。
【図４】疑似ランダム信号Ｍ１とＭ２の周期の差を説明する図である。
【図５】疑似ランダム信号Ｍ１とＭ２の最大相関値間の時間τを示す図である。
【図６】基準信号と測定信号の時間差ｘを示した図である。
【図７】時間差ｘと土壌の水分量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  第１発振部
２  第２発振部
３  第１信号発生器
４  第２信号発生器
５  第１乗算器
６  第２乗算器
７  第１ローパスフィルタ
８  第２ローパスフィルタ
９  演算部
１０  電極
１１  測定電路
【図１】
0003900395.tif 000003
【図２】
0003900395.tif 000004
【図３】
0003900395.tif 000005
【図４】
0003900395.tif 000006
【図５】
0003900395.tif 000007
【図６】
0003900395.tif 000008
【図７】
0003900395.tif 000009