Дистанционный влагомер
REMOTE MOISTURE METER

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к СВЧ-радиометрическим приемникам для техники дистанционного зондирования земной поверхности и экологии.
Изобретение может быть использовано для измерения и регистрации влагосодержания почвогрунтов, радиояркостных температур собственного радиотеплового излучения подстилающей поверхности на двух поляризациях при визировании под углом к вертикали и может применяться в промышленности и сельском хозяйстве.
Известен модуляционный радиометр, в котором применяется модуляция и непрерывная внутренняя калибровка по двум опорным источникам с различными температурами и антенной, способной принимать электромагнитные волны на одной поляризации (см. RU №2510513, кл. G01R 29/08, 27.03.2014).
Известен дистанционный влагомер (см. RU №2695764, кл. G01N 22/04, 25.07.2019), содержащий первый элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электромагнитной волны, первый элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электромагнитной волны, второй элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электромагнитной волны, второй элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электромагнитной волны, третий элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электромагнитной волны, третий элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электромагнитной волны, четвертый элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электромагнитной волны, четвертый элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электроьагнитной волны, первый управляемый фазовращатель, второй управляемый фазовращатель, первый СВЧ-сумматор, второй СВЧ-сумматор, трехвходовый СВЧ-переключатель, СВЧ-циркулятор, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции, спецвычислитель, регистратор, прибор управления модуляцией, «холодную» эталонную согласованную нагрузку, термодатчик «холодной» эталонной согласованной нагрузки, «горячую» эталонную согласованную нагрузку, термодатчик «горячей» эталонной согласованной нагрузки, нагревательный элемент «горячей» эталонной согласованной нагрузки.
Известный радиометр влагомер, благодаря конструкции антенной решетки, способен одновременно измерять радиояркостные температуры подстилающей поверхности, принимая электромагнитные волны вертикальной и горизонтальной поляризаций по наклонному лучу и по вертикальному направлению в надирный канал. Три измеренные величины радиояркостных температур пересчитываются в температуру поверхности почвы и действительную и мнимую часть диэлектрической проницаемости почвы. По действительной части диэлектрической проницаемости почвы определяется влагосодержание почвы.
Однако, недостатком описанного радиометра влагомера является то, что радиояркостные температуры по каналам вертикальной и горизонтальной поляризаций измеряются в одном месте поверхности почвы, а именно там, куда направлена ось соответствующей диаграммы направленности антенны, а температура по надирному каналу измеряется в другом месте поверхности почвы, а именно, вертикально под радиометром. При наличии температурного градиента между этими местами поверхности почвы расчет влажности почвы будет давать существенную ошибку. Кроме того, сложная конструкция антенной решетки с обилием СВЧ элементов приводит к увеличению габаритов и массы устройства.
Для увеличения точности измерения влажности почвы необходимо знать радиояркостную температуру при визировании по вертикали в том месте, куда направлена ось диаграммы направленности наклонных каналов по вертикальной и горизонтальной поляризациям электромагнитной волны. А для уменьшения габаритов и массы необходимо упростить антенную систему.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение является повышение точности измерения влагосодержания почвы и уменьшение массы и габаритных размеров дистанционного влагомера.
Технический результат достигается тем, что дистанционный влагомер, содержит трехвходовый СВЧ-переключатель, подключенный своим выходом к первому входу СВЧ-циркулятора с направлением циркуляции волны от первого входа к выходу, подключенный своим выходом к последовательно соединенным усилителем высокой частоты, квадратичным детектором, усилителем низкой частоты, синхронным фильтром, синхронным детектором, блоком вычисления множительно-делительной операции, вычислителем и регистратором, «горячую» и «холодную» эталонные согласованные нагрузки, выходы которых соединены со входами СВЧ-переключателя, и конструктивно связанные с ними термодатчики «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок, выходы которых соединены со входами блока вычисления множительно-делительной операции, и нагревательный элемент, конструктивно связанный с «горячей» эталонной согласованной нагрузкой и нагревающий ее до температуры выше температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки, прибор управления модуляцией, управляющие входы которого соединен со входами СВЧ-переключателя, синхронного фильтра, синхронного детектора и вычислителя, антенну для приема вертикально поляризованной электромагнитной волны и антенну для приема горизонтально поляризованной электроьагнитной волны, выходы которых подключены ко входам трех-входового СВЧ-переключателя и двухстепенной датчик углового положения антенн, выход которого подключен ко входу вычислителя, причем антенны и датчик углового положения антенн конструктивно выполненны в виде единого антенного блока.
На фиг. 1 приведена конструктивная схема дистанционного влагомера.
На фиг. 2 изображена принципиальная схема дистанционного влагомера.
На фиг. 3 приведен график зависимости температур, от угла визирования
На фиг. 4 приведен график зависимости весового коэффициента от угла визирования.
Дистанционный влагомер содержит антенный блок, состоящий из антенны для приема вертикально поляризованной электромагнитной волны 17, антенны для приема горизонтально поляризованной электромагнитной волны 18, датчик углового положения антенн 19. Датчик углового положения антенн и антенны конструктивно выполнены в виде единого антенного блока. Единый антенный блока конструктивно соединен с приемником (см. фиг. 1), в котором расположены нижеприведенные элементы дистанционного влагомера, приведенные на фиг. 2.
Дистанционный влагомер может размещаться на различных авиационных или наземных носителях, в частности на квадрокоптере (см. фиг. 1).
Дистанционный влагомер содержит, трехвходовый СВЧ-переключатель 1, СВЧ-циркулятор 2, усилитель высокой частоты 3, квадратичный детектор 4, усилитель низкой частоты 5, синхронный фильтр 6, синхронный детектор 7, блок вычисления множительно-делительной операции 8, вычислитель 9, регистратор 10, прибор управления модуляцией 11, «холодную» эталонную согласованную нагрузку 13, термодатчик «холодной» эталонной согласованной нагрузки 15, «горячую» эталонную согласованную нагрузку 12, термодатчик «горячей» эталонной согласованной нагрузки 14, нагревательный элемент «горячей» эталонной согласованной нагрузки 16.
Дистанционный влагомер работает следующим образом. Дистанционный влагомер осуществляет прием сигнала периодически, с частотой модуляции, например, один килогерц. За время одного периода модуляции половину периода модуляции принимается и накапливается сигнал от одной из антенн, для чего СВЧ-переключатель по управляющему сигналу от прибора управления модуляцией периодически во время первого периода модуляции переключает сигнал с выхода антенны для приема вертикально поляризованной электромагнитной волны, на вход СВЧ-циркулятора и далее с выхода СВЧ-циркулятора на вход усилителя высокой частоты. Аналогично, на время равное одной четверти периода модуляции СВЧ-переключатель переключает на вход СВЧ-циркулятора сигнал от «горячей» эталонной согласованной нагрузки и на время равное одной четверти периода модуляции СВЧ-переключатель переводится в высокоимпедансное состояние, при этом на вход усилителя высокой частоты передается сигнал от «холодной» эталонной согласованной нагрузки. За время одного периода модуляции на выходе синхронного детектора формируются два сигнала: Ua-Ux и Uг-Ux, первый пропорционален разности антенной температуры и шумовой температуры источника «холодного» шума и второй пропорционален разности температуры «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок. Аналогично радиометру влагомеру в блоке множительно-делительной операции производится вычисление антенной температуры по формуле (1):
г
х
где Т и Т - температуры измеренные термодатчиками «холодной» и «горячей» эталонных согласованных нагрузок.
А
V
При подключенном ко входу модулятора в первом цикле модуляции сигнала с выхода антенны для приема вертикально поляризованной электромагнитной волны величина Т будет равна величине радиояркостной температуры T, принятой по «вертикальной» поляризации наклонного луча (см. фиг. 1).
А
H
В следующем (втором) периоде модуляции СВЧ-модулятор, по управляющему сигналу с выхода прибора управления модуляцией, подключает с выхода антенны для приема горизонтально поляризованной электромагнитной волны сигнал на вход СВЧ-циркулятора. При подключенном ко входу модулятора во втором цикле модуляции сигнала с выхода антенны для приема горизонтально поляризованной электромагнитной волны величина Т будет равна величине радиояркостной температуры T, принятой по «горизонтальной» поляризации наклонного луча (см. фиг. 1).
V
H
V
H
Таким образом за два последовательных периода модуляции с выхода блока вычисления множительно-делительной операции в вычислитель поступят два значения температур T и T. Процесс продолжается периодически в течение времени периода накопления сигналов τ, например равного одной секунде. Все это время полученные величины T и Tсуммируются вычислителем и после последнего цикла накопления вычисляются их средние значения за весь период накопления.
V
H
N
N
V
H
N
В известном радиометре влагомере влажность вычисляется по измеренным значениям яркостных температур T, T и T, где T - яркостная температура при визировании по вертикали в надир. Яркостные температуры T, T и T могут быть описаны формулами (2).
V
H
N
0
s
где r, r и r - коэффициенты отражения на «вертикальной», «горизонтальной» поляризациях и при визировании в надир, Т - термодинамическая температура почвы, T - радиояркостная температура неба 2.72К.
V
H
N
Коэффициенты отражения r, r и r описываются известными формулами Френеля (3).
где ε - комплексная диэлектрическая проницаемость равная ε'+iε'', θ - угол наблюдения к нормали, например равный 30°.
N
V
H
N
V
H
0
N
V
H
N
V
H
В предлагаемом дистанционном влагомере величина T не измеряется, а вычисляется вычислителем по измеренным величинам T и T. Такое вычисление возможно потому, что согласно расчетам по формулам (2) и (3) значение T близко к среднему арифметическому величин T и T. Результаты расчета для углов визирования от 0° до 45°, температуры Т=293°К и ε=5, представлены на графике (см. фиг. 3). Расчет показывает, что в данном диапазоне углов визирования величина T отличается от среднего арифметического T и T не более чем на 2% во всем диапазоне возможных значений диэлектрической проницаемости почвы и температуры поверхности почвы. Для более точного вычисления T необходимо вычислять как средневзвешенное величин T и T по формуле (4).
Где а(θ) - весовой коэффициент, который может быть вычислен по формулам (1-2). График зависимости весового коэффициента от угла визирования представлен на фиг. 4.
V
H
Поскольку коэффициенты отражения r и r, а также весовой коэффициент а(θ) зависят от угла визирования, его необходимо учитывать. Поэтому в дистанционный влагомер добавлен двухосевой датчик углового положения антенн, например реализованный на микросхеме ADXL203 твердотельного двухосевого акселерометра. Датчик устанавливается на антенном блоке, так чтобы его продольная ось совпадала с направлением движения носителя, а поперечная ось была бы в горизонтальной плоскости, при горизонтальном положении антенны.
Сигналы пропорциональные компонентам гравитационного вектора на осях датчика передаются в вычислитель для вычисления угла визирования. Вычисленные значение весового коэффициента а(θ) хранятся в памяти вычислителя в виде массива чисел, где порядковый номер числа массива соответствует значению угла θ, а значение числа массива равно значению весового коэффициента а(θ). Значение угла θ вычисляется вычислителем по формуле (5), в которой t и р - значения углов тангажа и вращения, которые измеряются датчиком углового положения антенны и передаются в вычислитель.
При этом углы тангажа и вращения при полете носителя с реальными траекторными нестабильностями будут влиять на показания датчика и учитываться при вычислении реального текущего значения угла визирования.
Автоматический учет траекторных нестабильностей также повышает точность измерения влажности почвы по сравнению с известным радиометром влагомером.
В остальном дистанционный влагомер работает по известной схеме. Все элементы влагомера выполнены на стандартных деталях.
Использование изобретения позволит повысить точность измерения влагосодержания почвогрунтов.