[发明专利]一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统

权利要求书

1.一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，包括电磁波信号发射器、电磁波信号接收天线阵列、上位机；所述电磁波信号接收天线阵列与上位机连接；系统的工作步骤为

S1、电磁波信号发射器发射电磁波信号；

S2、电磁波信号接收天线阵列接收信号并发送到上位机中；

S3、上位机对数据进行处理后得到土壤水分信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，所述上位机支持MIMO技术。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，所述电磁波信号接收天线阵列设置在待测土壤中。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，还包括密封盒；所述电磁波信号接收天线阵列安装在密封盒内。

5.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，所述电磁波信号接收天线阵列包括若干个电磁波信号接收天线，所述电磁波接收天线沿直线等距离排列成接收天线阵列。

6.根据权利要求5所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，所述若干个电磁波接收天线通过相同长度的电缆与上位机连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，所述电磁波信号发射器发射的电磁波的频率范围为2400MHz～2483.5MHz。

8.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，步骤S3具体为：

S31、上位机获取电磁波信号接收天线阵列中各个天线的信道状态信息；

S32、基于MUSIC算法获取多径信道中的最短路径，并计算相邻天线的相对TOF；

S33、建立空气-土壤信号传播模型；

S34、根据相对TOF和空气-土壤信号传播模型计算土壤表观介电常数；

S35、将表观介电常数转换为土壤湿度。

9.根据权利要求8所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，步骤S32具体为：相邻天线上的最短路径的相对TOF为ΔT＝t_l,m-t_l,n；

其中t_l,m为第m根天线路径l的绝对到达时间，t_l,n为第n根天线路径l的绝对到达时间，其中路径l为各天线上信号传播最短的路径。

10.根据权利要求8所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，步骤S34具体为：在空气-土壤界面中，电磁波信号从空气进入土壤的入射角为θ₁，折射角为θ₂；电磁波信号从土壤进入接收天线的入射角为θ₃；天线阵列的倾斜角为θ₄；

电磁波信号在两个相邻接收天线上的到达时间差Δt＝Δl₁-nΔl₂+nΔl₃；

由上式可得

电磁波信号在土壤中的传播速度为折射系数

由ΔT＝Δl/c，计算∈_a的值；

在空气-土壤界面中，电磁波信号从空气进入土壤的入射角为θ₁，折射角为θ₂；电磁波信号从土壤进入接收天线的入射角为θ₃；天线阵列与水平面的夹角为θ₄；电磁波在空气中的传播速度为c，土壤的表观介电常数为∈_a，Δl₁、Δl₂、Δl₃分别为相邻接收天线接收的电磁波信号进入土壤时的路径差、土壤折射后的路径差、进入接收天线的路径差。