一种基于天线传感器的土体含水率非接触式检测系统及方法

本发明属于土体性质测量，尤其涉及一种基于天线传感器的土体含水率非接触式检测系统及方法。

背景技术：

1、含水率对土的力学特性具有重要影响。土含水率的变化直接影响岩土地下工程结构(如房屋和桥梁的桩基、边坡、隧道)的安全性。

2、现有技术中，土含水率的测定通常采用烘干法、张力计法、射线法、声波法、热容法、光谱法以及介电法。其中，介电法以土的介电特性为基础，产生了多种测量土体含水率的方法，主要有微波吸收法、频域分解法、高频电容法、时域反射法以及驻波比法等。在这些方法中，时域反射法(tdr)、频域分解法(fdr)、高频电容法、驻波比法虽然相对成熟，但都属于接触式检测。接触式检测方法的探针或者探测器需要插入被测土体中。探针与土体的接触状态对测试结果具有较大影响，且接触测量的深度有限，难以大范围应用。

3、探地雷达由于其大范围连续探测、快速、无损、低成本等优点，近年来快速应用于无损检测。探地雷达的硬件系统主要包括主机、发射天线、接收天线以及显示单元和控制单元，通过主机产生一定范围内(1mhz～2ghz)的高频电磁波，由发射天线向介质层发射，在地下传播的过程中遇到具有不同电性的目标体或者界面时会发生反射、折射和透射等，并由接收天线对回波进行接收。

4、发明cn117008125a公布了一种基于非接触探地雷达的松散堆积体含水率预测方法，利用人工神经网络方法建立了松散堆积体含水率和电磁信号之间的预测模型，然后利用探地雷达的电磁信号进行含水率的预测。该方法需要建立神经网络预测模型的训练数据集，成本高、耗时长，模型的精度有待进一步验证。

5、发明cn101915771a公布了基于探地雷达波测定砂质土体含水量的方法。通过探地雷达采集土体剖面的雷达波信息，以电磁波速的变化测定土体介电常数，从而计算含水量。该方法测得的介电常数是土体剖面的平均值，测试结果和精度易受含水率不均匀性的影响，对测试步骤有严格规定(共中点法和固定间距法)。

6、发明cn113740354a公布了一种煤矸石复垦场土体含水率检测方法，通过在雷达测线的不同深度预埋铝锭，测定铝锭反射时的电磁波速，建立电磁波速和含水率的关系模型，从而实现用探地雷达测试土体含水率。该发明虽然用铝锭增强了反射信号，但本质上仍是采用电磁波速来预测土体含水率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述背景技术中存在的问题，提供一种基于天线传感器的土体含水率非接触式检测系统及方法，该方法具有非接触式检测含水率的优点，在传统基于探地雷达的含水率检测方法基础上，降低了信号处理难度。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于天线传感器的土体含水率非接触式检测系统，包括：天线传感器和探地雷达；所述天线传感器和探地雷达通过无线电磁波连接；其中，

3、所述天线传感器是一种无源器件，其感知主体是具有固定谐振频率的接收天线，能够将空间电磁波信号转换为传输线上的交变电流；

4、所述探地雷达，由发射天线发射预定频谱的电磁波信号，经过电磁波衰减和扩散至预先埋入至被测地层中的天线传感器处，天线传感器吸收预定频段的电磁波，反射其余频段的电磁波，并由探地雷达的接收天线接收，探地雷达分析反射波的频谱变化，得到天线传感器周围地层的介电常数，进而计算地层含水率。

5、在本发明一实施例中，所述天线传感器形式有偶极子天线、贴片天线。

6、在本发明一实施例中，所述探地雷达，还包括与发射天线、接收天线连接的计算机控制台，计算机控制台包括主机及与主机连接的显示单元和控制单元。

7、本发明还提供了一种基于天线传感器的土体含水率非接触式检测方法，采用如上述所述系统，包括如下步骤：

8、步骤s1、根据探测的土体含水率范围和土体深度h，选择天线传感器的谐振频率fa0和探地雷达中心频率fd0；

9、步骤s2、采用探地雷达检测空气中天线传感器的频谱响应，得到频谱信号极小值fa；即，在地面采用探地雷达探测暴露在空气中的天线传感器，测得由天线传感器反射的回波频谱，对回波频谱进行分析，得到频谱信号的极小值fa；

10、步骤s3、采用探地雷达检测埋入地层中的天线传感器频谱响应，得到频谱信号极小值fd；即，将天线式传感器埋入待测地层深度h处，再次用探地雷达发射特定频谱的电磁波信号，接收由地层中天线式传感器反射的回波信号，分析得到频谱信号的极小值fd；

11、步骤s4、根据公式εr＝(fa/fd)2计算被测地层处的介电常数；即，根据空气中和地层中天线传感器频谱信号的极小值fa和fd，采用公式εr＝(fa/fd)2计算被测地层h处的介电常数εr；

12、步骤s5、采用topp公式计算被测地层的含水率；即根据土体的介电常数εr，采用topp公式计算被测地层的土体含水率

13、在本发明一实施例中，步骤s1中，具有谐振频率fa0的天线传感器能接收电磁波信号频率在fa0附近的电磁波，反射信号频率远离fa0的电磁波，由此空气中天线传感器对探地雷达电磁波频谱信号的响应函数ta(f)表达为，

14、

15、式中，sa0是天线传感器在频率谐振点fa0的吸收系数，1-sa0为天线传感器在频率谐振点fa0的反射系数，ia0是与天线传感器结构相关的带宽参数。

16、在本发明一实施例中，步骤s2中，探地雷达发射高斯脉冲信号，其频谱函数为s(f)，探地雷达发射天线和接收天线的频率响应函数分别为at(f)和ar(f)，则接收信号频谱ra(f)为，

17、ra(f)＝s(f)gat(f)gar(f)gta(f) (2)

18、求接收信号的频谱函数ra(f)的极小值点，并记为fa。

19、在本发明一实施例中，步骤s2中，探地雷达发射高斯脉冲信号的频谱函数s(f)为，

20、

21、p是由脉冲信号时间宽度决定的参数，探地雷达的收发天线可视为对电磁波信号的滤波作用，且由于收发天线是对称的，则频率响应函数at(f)ar(f)表达为，

22、

23、其中，fd0是探地雷达中心频率，sd是频率谐振点的反射系数，id是由探地雷达收发天线带宽决定的参数；则接收信号频谱ra(f)为，

24、

25、当sa0≈1时，ra(f)的极小值点fa满足，

26、fa≈fa0(6)。

27、在本发明一实施例中，将天线传感器埋入被测土层的深度h处后，探地雷达同样采用高斯脉冲信号探测天线传感器，具体如下：

28、相比空气中，天线传感器对探地雷达电磁波频谱信号的响应函数td(f)表达为，

29、

30、式中，sd0是地层中天线传感器在频率谐振点fd0的吸收系数，1-sd0为地层中天线传感器在频率谐振点fd0的反射系数，id0是与地层中天线传感器的带宽参数；探地雷达的电磁波信号经历土层的衰减和扩散，相应的频率响应函数p(f)为，

31、p(f)＝fbexp(af+c) (8)

32、其中，参数a，b，c与土层电磁特性参数和传播距离d相关，则探地雷达接收信号频谱rd(f)为，

33、rd(f)＝s(f)gat(f)gar(f)gt(d)gp(f) (9)

34、将公式(7)和(8)代入公式(9)，得

35、

36、当sd0≈1时，参数a<150时，接收频谱信号rd(f)的极小值点fd满足，

37、fd≈fd0(10)。

38、相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出的一种基于天线传感器的土体含水率非接触式检测系统及方法，通过埋入天线式传感器，结合探地雷达能远程非接触地实现埋设天线传感器周围土体介电常数的检测，进而根据介电常数换算被测土层深度处的含水率。本发明通过埋入传感器的设置，显著降低了探地雷达反射信号处理难度，提升了含水率探测的精度。本发明采用的天线式传感器价格低廉，易于大规模推广应用。