基于時域反射法的冬筍地下位置探測器設(shè)計

林為政，王俊楠，倪忠進，呂 艷，倪益華

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，杭州 311300； 2. 浙江省竹資源與高效利用協(xié)同創(chuàng)新中心，杭州 311300；3. 國家林業(yè)局林業(yè)感知技術(shù)與智能裝備重點實驗室，杭州 311300）

0 引 言

中國是竹林面積最大，竹資源最豐富的國家,據(jù)第八次全國森林資源清查，中國竹林面積達600萬hm2[1-2]。筍作為竹的幼芽既有食用價值[3]，又有藥用價值。冬筍的合理采挖，既有助于竹林生態(tài)的平衡，又能提高農(nóng)民的經(jīng)濟收入。然而，冬筍通常生長在地表下方0至20 cm，不依靠特定設(shè)備探尋冬筍是很困難的事，目前農(nóng)村中主要靠經(jīng)驗豐富的老農(nóng)挖掘，市場上沒有專門探測冬筍的儀器。目前，能憑經(jīng)驗挖到冬筍的農(nóng)民越來越少，市場對冬筍探測器的需求日益增加。

據(jù)現(xiàn)有無損探測技術(shù)，可用于冬筍的探測方法有：電阻率法[4]、氣味法[5]、紅外熱成像法[6]、微波成像法[7]等。王傳武等[8]將三維電阻率E-SCAN觀測模型引入隧道預(yù)報，能對隧道巖體內(nèi)米級的異常體進行反演；潘雁紅等[9]利用PEN3.5電子鼻對竹筍進行氣味采集，通過主要成分分析法等對8種竹筍種類鑒別；Kluge等[10]利用紅外熱成像對土壤中微生物活動進行分析，查看土壤污染對物生物影響，這幾種方法針對環(huán)境復(fù)雜的竹林地有著不便攜、精度低等劣勢。國內(nèi)外專家學(xué)者針對其余植物根莖探測的研究中，利用的設(shè)備主要集中在探地雷達上，如Butnor等[11]利用探地雷達對土壤下的根系進行探測、成像處理，并構(gòu)建植物根的生物量模型；Yan等[12]利用探地雷達研究最小直徑為1 cm的闊葉林根系空間分布，探地雷達能對地下根系準確探測并估計生物量，但是運用于冬筍探測經(jīng)濟效益較低。何勇[13]基于EM-38大地電導(dǎo)率儀[14]提出了一種非接觸式冬筍探測設(shè)備，通過測量土壤電導(dǎo)率與設(shè)定閾值對比來判斷有無冬筍并實現(xiàn)報警等，有較為智能人機交互但并未產(chǎn)品化。

上述方法中，各種設(shè)備操作復(fù)雜并不適合普通農(nóng)民使用，其中EM-38與探地雷達2種地質(zhì)勘探儀價格高昂（一般在 10萬元以上）。但它們主要是依據(jù)土壤電磁特性來判斷是否有冬筍，富含有機質(zhì)的土壤往往介電常數(shù)會比正常的高出許多。土壤檢測中主要采用時域反射法（time-domain reflectometry，TDR），TDR儀器通過發(fā)射電磁信號，得到時域范圍的波形，并計算表觀介電常數(shù)[15]，其從19世紀70年代開始應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，如測量土壤電導(dǎo)率、含水率等。本文對冬筍和土壤在高頻下的介電常數(shù)分析，并基于此原理提出一種基于時域反射的冬筍探測方法；對該方法進行改進，并設(shè)計了一臺包含高頻、低頻和天線 3個模塊的冬筍探測器；對探測器進行了實地試驗，驗證其可行性，以拓寬現(xiàn)有地下根莖探測方法的思路。

1 冬筍探測器原理

1.1 冬筍-土壤介電常數(shù)模型

土壤與冬筍的宏觀電磁特性有 3個基本參數(shù)：介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和直流電導(dǎo)率。水、土壤顆粒和空氣的相對介電常數(shù)分別為 81、4、1。而介電常數(shù)ε在一定的電磁條件下可用復(fù)數(shù)來表示[16]

介電常數(shù)是綜合反映介質(zhì)內(nèi)部分子、離子電極化行為的一個重要參數(shù)，其中實部ε′影響波的傳播速度，虛部ε″決定波的衰減特性，虛部是由于有耗媒質(zhì)在高頻工況下，材料內(nèi)部的各種轉(zhuǎn)向極化跟不上高頻電場變化而引起各種弛豫極化。TDR早期是根據(jù)Topp等[17]建立的體積含水率（下稱含水率）與表觀介電常數(shù)建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠碛嬎愫省８鶕?jù)電磁信號的頻率對土壤介電常數(shù)的影響，本文綜合參考 Mironov等[18]提出的普適折射指數(shù)混合介電常數(shù)模型與Dobson模型[19-20]，采用微波（頻率為0.3～3 GHz頻率的電磁波）進行探測，得出在一定頻率下（0.6～0.8 GHz）含水率與土壤介電常數(shù)的關(guān)系，如圖 1所示。此圖表明介電常數(shù)的實部和虛部都隨著含水率的增加而增加，并且對實部的影響更為明顯。

圖1 0.8 GHz頻率下土壤體積含水率與介電常數(shù)關(guān)系Fig.1 Effect of volumetric moisture on values of dielectric constant at 0.8 GHz

Nelson對多種不同果蔬的進行了試驗[21]：從9種不同新鮮水果和蔬菜組織樣本在 5～65 ℃溫度下，獲得了頻率從10 MHz到1.8 GHz的介電譜。結(jié)果表明多種不同的果蔬在頻率 0.8 GHz時條件下介電常數(shù)（實部）都在50～70之間，且超過此頻段后數(shù)值變化趨于平緩。冬筍的含水率高達 85%（包含筍殼）[22]，其組織內(nèi)部自由水和束縛水含量都較高，并且含有包括纖維素等多種有機質(zhì)，直接影響其介電常數(shù)與介電損耗常數(shù)，且常數(shù)值遠遠大于土壤[23]，使探測成為可能。

1.2 TDR原理及改進

時域反射儀是最常用的測量傳輸線特征阻抗的儀器[24]，傳統(tǒng)TDR工作原理圖如圖2所示。TDR主要由信號發(fā)生器、采樣示波器和探頭系統(tǒng)三部分組成。階躍信號發(fā)生器產(chǎn)生上升沿信號并通過探頭發(fā)射至被測物體，若被測物體的阻抗連續(xù)，信號沿著它向前傳播；當遇到阻抗突變的情況時，信號會發(fā)生反射并與發(fā)射信號疊加一起顯示在示波器上。示波器波形的時域特性反映了阻抗變化的位置以及長度。

TDR時域反射儀的設(shè)備生產(chǎn)被國外壟斷，導(dǎo)致機器價格昂貴以及維修困難等問題。王克棟等[25]對此進行了改進，降低了成本，但其系統(tǒng)使用探針進行工作，只能測量一定面積和深度的土壤含水率。介于探針的局限，本文構(gòu)建了一種基于TDR的探測土壤中冬筍的方法：用高頻正弦電磁信號代替窄上升沿階躍信號；用鎖相環(huán)、功率分配器和幅相檢測模塊代替階躍信號發(fā)生器、高精度采樣電路和時間基準；用 2個天線在土壤表面探測，代替探針實現(xiàn)無損檢測。經(jīng)以上改進，同時在硬件和軟件簡化了TDR系統(tǒng)，即使不使用復(fù)雜和高精度的IC電路也能根據(jù)土壤和冬筍本身的介電常數(shù)差異進行探測。在此基礎(chǔ)上，即使選用精度較高的芯片和性能較好的元器件和材料搭建該冬筍地下位置探測器（簡稱冬筍探測器），其成本也遠低于一萬元。

圖2 時域反射儀工作原理Fig.2 Schematic of time-domain reflectometry system

1.3 冬筍探測原理

本文設(shè)計的冬筍探測原理如圖3所示，采用2個貼片天線來發(fā)射和接收電磁波。由于電磁波在不同介質(zhì)內(nèi)的傳播速度和衰減率不同，在通過不同介質(zhì)后，其幅值比和相位差會產(chǎn)生差值，由此可判別地下是否有冬筍存在。電磁波在介質(zhì)中傳播速度為

式中v是電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s；c是電磁波在真空中的傳播速度，m/s；σ是介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μ是介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。根據(jù)物質(zhì)磁導(dǎo)率大小可分為3類：順磁材料、逆磁材料、導(dǎo)磁材料。竹林山地的中的物質(zhì)中基本沒有導(dǎo)磁材料[26]，且余下的順磁材料和逆磁材料的相對磁導(dǎo)率 μ≈1，即從電磁波傳播角度來看磁導(dǎo)率這一項可以忽略不計。

當天線放置在地下沒有冬筍的土壤表面時，即設(shè)傳播路徑內(nèi)都為土壤，電磁波傳播時間如下

式中tp1是電磁波在土壤中傳播的時間，s；Le是電磁波在土壤中傳播的距離，m；ve是電磁波在土壤中的傳播速度，m/s。當天線放置在有冬筍的土壤表面時，電磁波傳播時間為

式中tp2是電磁波在有筍土壤中傳播時間，s；Lb是電磁波在冬筍中傳播的距離，m；vb是電磁波在冬筍中的傳播速度，m/s。用式（4）減式（3）得到兩者時間差

將式（2）帶入式（5）得到相位差

式中T、f分別是電磁波的周期和頻率，s、Hz；σe、σb分別是土壤和冬筍的相對介電常數(shù)。式（6）中土壤和冬筍的介電常數(shù)使用1.1中數(shù)值估算：其中土壤含水率為15%左右，介電常數(shù)在10～15之間，冬筍介電常數(shù)約為50～60。探測使用的電磁波頻率f為0.6～0.8 GHz，經(jīng)計算得ΔΨ＜2π，即2種情況的相位差在一個周期之內(nèi)，符合探測要求。

2 冬筍探測器設(shè)計

冬筍探測器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 4所示，高頻信號源產(chǎn)生正弦波并傳輸給功率分配器，功分器將信號一分為二，一份直接傳導(dǎo)給發(fā)射天線，另一份傳輸至幅相檢測模塊作為基準信號；入射信號經(jīng)發(fā)射天線發(fā)出，穿過土壤介質(zhì)被接收天線接收；幅相檢測模塊將反射信號與入射信號進行比對，將信號幅值比和相位差以模擬電壓的方式傳輸至A/D轉(zhuǎn)換模塊；微處理器處理信號之后將數(shù)值顯示在液晶顯示器上；當探測到的數(shù)值超過設(shè)定的閾值時蜂鳴器發(fā)出報警。

圖4 冬筍探測器系統(tǒng)原理Fig.4 Schematic diagram of winter bamboo shoot detector system

2.1 高頻模塊

高頻模塊主要包括高頻信號源和幅相檢測模塊。高頻信號源由寬帶頻率合成器與低通濾波器組成，其中頻率合成器采用ADI公司ADF4350的鎖相環(huán)系統(tǒng)（Phase Locked Loop，PLL），信號源原理圖如圖 5所示。PLL依靠鑒頻鑒相器（PFD）對壓控振蕩器（VCO）輸出信號與晶振產(chǎn)生的參考信號的相位作比較產(chǎn)生相位誤差電壓，并經(jīng)過環(huán)路濾波器（LF）濾波處理后，得到較平滑的直流電壓來調(diào)整輸出信號的相位，通過鎖定二者的相位差來達到鎖定輸出信號頻率的目的[27-28]。探測器中PLL輸出為頻率4.4 GHz以下的電磁波。由于壓控振蕩器的輸出信號含有較多諧波成分，所以還需帶通或低通濾波器進行濾波處理。探測器采用800 MHz低通濾波器，可抑制 0.6～0.8 GHz電磁波的高階諧波信號對設(shè)備的干擾。

圖5 信號源原理圖Fig.5 Schematic diagram of signal source system

傳統(tǒng) TDR土壤水分儀測定系統(tǒng)中沒有幅相檢測模塊，其利用高精度示波器以及高速A/D轉(zhuǎn)換器來獲取波形，這使得儀器對硬件要求相對較高。本設(shè)計中采用基于 AD8302芯片的幅值比和相位差測量系統(tǒng)[29]，該系統(tǒng)可以測量2.7 GHz以下2個射頻信號的幅值比、相位差。AD8302芯片幅值比、相位差對應(yīng)的輸出模擬電壓值特性曲線如圖6所示，由于幅值比和相位差在一定范圍內(nèi)輸出特性都為線性，所以探測結(jié)果直接由對應(yīng)的電壓值表示。

圖6 幅值比和相位差的電壓特性曲線Fig.6 Transfer characteristics for amplitude ratio and phase difference

2.2 天線系統(tǒng)

冬筍探測器采用 2個規(guī)格相同的貼片天線來發(fā)射和接受信號，其結(jié)構(gòu)是在一個薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用同軸電纜對貼片饋電構(gòu)成天線[30]。探測器采用工作頻段為0.6～0.8 GHz的2個天線，探測時天線貼在土壤表面，為了防止部分發(fā)射信號直接在地表上方傳播至接收天線，將防輻射布料貼置于天線非接觸土壤的表面。天線的方向性如圖7所示，由于電磁波對土壤的穿透能力在2個天線間距較小時比較強，較小的增益即可完成傳輸，而過大的增益會使探測范圍變廣而精度不高。基于以上考慮，最終將天線水平方向增益最弱的方向相對放置，并固定在支架上。

圖7 天線方向性Fig.7 Antenna pattern

2.3 微處理器及軟件

冬筍探測器硬件采用宏晶科技的STC15L2K60S2單片機作為中央處理器，芯片自帶10位A/D轉(zhuǎn)換口可采集幅相檢測模塊和土壤濕度傳感器的模擬電壓值，以及內(nèi)置電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）能將采集的數(shù)據(jù)進行存儲。探測器使用的微處理器上連接有土壤水分傳感器、12864液晶顯示模塊和蜂鳴器以及按鍵模塊等功能模塊。上述元器件除土壤水分傳感器，其余模塊均為Risym公司生產(chǎn)，單片機與外圍電路如圖8所示。

由于土壤濕度對幅值比、相位差的測量有一定影響，在探測時需要對土壤含水率進行測量。探測器使用的水分傳感器為FDR（frequency domain reflectometry）型土壤水分儀，根據(jù)電磁波在土壤中傳播頻率來測量土壤介電常數(shù)與含水率。探測器采用精訊暢通公司的JXBS-3001土壤水分傳感器，測量土壤水分時誤差小于3%，相應(yīng)時間小于1 s。考慮到該傳感器的對天線發(fā)射電磁信號干擾，而同一片竹林地土壤含水率相差一般不大，所以需要在探測前對土壤含水率進行測量與標定。

冬筍探測器系統(tǒng)的軟件運行在微處理器上，其主要功能是：通過A/D轉(zhuǎn)換采集幅相檢測模塊和土壤濕度傳感器的電壓值，計算信號相位差值、衰弱量以及土壤含水率，通過校核公式判斷是否有冬筍存在；通過LCD顯示模塊、按鍵和蜂鳴器提供人機界面，數(shù)字顯示屏顯示以上測得的實時數(shù)據(jù)，蜂鳴器發(fā)出報警提示；通過EEPROM存儲測量得到數(shù)據(jù)，試驗后進行查看、處理。冬筍探測器的軟件工作流程圖如圖9所示。

圖8 冬筍探測器低頻電路原理Fig.8 Low frequency circuit principle of winter bamboo shoot detector

圖9 冬筍探測器軟件工作流程Fig.9 Workflow diagram of winter bamboo shoots detector program

3 試驗與結(jié)果

竹林地生態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了驗證冬筍探測器的可行性，在浙江臨安某竹林地進行試驗。該竹林土地類型為黃壤，黃壤主要分布在650～1 000 m的中低山區(qū)，適生毛竹、杉木和各類闊葉樹。探測目標為地下位置的冬筍，長約20 cm，單株質(zhì)量0.4～1 kg，冬筍探測器實物圖如圖10所示。

圖10 冬筍探測器實物圖Fig.10 Winter bamboo shoots detector

3.1 冬筍探測預(yù)試驗

探測前測量規(guī)定位置四角以及中心的5個點含水率，若含水率數(shù)值極差不超過4%，則取它們平均值作為這片土壤的含水率；否則對測量地區(qū)進行更小的細分。試驗方法參考拉丁方試驗設(shè)計，步驟如下：

① 在竹林地中找一塊 1 m2較為空曠的平地并測量其含水率；

② 將片土壤分為若干小格如圖 11所示；用探測器對這些區(qū)域逐一測量，測量時只需要將冬筍探測器輕置在土壤表面讀取并記錄LCD數(shù)值；

③ 選其中3塊區(qū)域并挖一個一定大小的坑，將冬筍埋入其中1個坑（其余作為對照）；

④ 將以上3個坑埋好并夯實；

⑤ 用探測器測量各個區(qū)域數(shù)值；

⑥ 更改埋藏深度，以及使用不同頻率進行重復(fù)試驗,試驗圖如圖11所示。

試驗中發(fā)現(xiàn)：土壤挖坑并夯實對探測器數(shù)值上沒有產(chǎn)生影響；電磁波頻率為790 MHz時探測效果最明顯；試驗時對竹葉和石頭等干擾項進行了測試，發(fā)現(xiàn)它們對探測器沒有產(chǎn)生較大干擾；有筍在地下時，幅值比與相位差的電壓值與周圍相差15%以上。埋藏冬筍體積越小、埋藏越深，則數(shù)值變化越不明顯。

圖11 冬筍埋藏試驗Fig.11 Burial test of winter bamboo shoots

為了防止冬筍在沒有生長成形之前被誤測出，閾值設(shè)定以較大的筍（0.4 kg以上）、較淺的深度（筍尖離地表5 cm以內(nèi)）為基準。最后用幅值比、相位差和含水率3個量進行判別閾值設(shè)定，其中幅值比電壓值閾值為f1=-35v2+8.6v+0.87，相位差電壓值閾值為 f2=-12.2v2+2.1v+0.97，v為土壤含水率。

3.2 冬筍探測實地試驗

實地探測分別在200與180 m2的竹林地中進行，手持探測器貼在土壤表面掃過直至探測器發(fā)出警報，試驗中發(fā)現(xiàn)21個發(fā)出警報位置，即可能藏有冬筍的位置。記錄報警點以及周圍的幅值比和相位差。其結(jié)果如圖12所示，橫縱坐標分別為相位差和幅值比，其中灰色點表示報警點周圍的土壤數(shù)值；其余的點表示報警點，其中黑色點表示經(jīng)挖掘后均有冬筍存在，各項數(shù)據(jù)如表1所示。白色為誤報的點，其中4組為竹子較密集的根須，2組是由于地面不平導(dǎo)致天線與土壤的間隙較大而造成誤判。

圖12 冬筍探測結(jié)果Fig.12 Results of detection experiment

使用冬筍探測器探測和挖掘現(xiàn)場如圖13所示，試驗結(jié)果表明探測器已達到較高精準率（70%左右），比盲目采挖節(jié)約至少 25%的時間，同時節(jié)省勞動力。當?shù)叵掠卸S存在時，信號的幅值比比周圍平均小 13%左右，而相位差大 22%左右，即電磁波的強度變?nèi)酰俣纫灿兴档停划斖寥篮矢邥r，探測時信號的幅相差量會偏小；相位差在 2種情況下差異更明顯，更能作為探測到筍的指標；冬筍質(zhì)量越大、埋藏越淺，信號差異越明顯，試驗結(jié)果與理論相符。綜上，探測器能達到 70%左右的準確率，其成本不到探地雷達的1/10。

表1 冬筍探測報警點數(shù)據(jù)Table 1 Alarm point data of winter bamboo shoot detection

圖13 冬筍探測器探測和挖掘現(xiàn)場Fig.13 Scene of detecting and digging by winter bamboo detector

4 結(jié)論與討論

本文開發(fā)了一款冬筍地下位置探測器，主要結(jié)論如下：1）理論上采用發(fā)射和接收高頻正弦信號，通過對比信號的幅值比和相位差的方式來判別地下位置是否有冬筍存在；2）硬件上采用鎖相環(huán)系統(tǒng)與濾波器相結(jié)合產(chǎn)生正弦信號，并利用幅相檢測模塊對其進行處理，代替高精度采樣電路與示波器，同時簡化了電路與軟件，降低生產(chǎn)成本；3）試驗上進行了實地探測，能有效探測出土壤下冬筍，實際性能穩(wěn)定，探測準確率高,可節(jié)約 25%以上的探尋時間，其準確率在 70%以上，而成本不到探地雷達的十分之一。

本設(shè)計解決了農(nóng)民手工挖冬筍效率低下的問題，創(chuàng)新性地利用基于時域反射法對冬筍進行探測，為地下作物探測增添了一種新方式。本設(shè)計若要作為普適性的探測器，并對種類、大小等參數(shù)更準確預(yù)測，還需做更多試驗以建立數(shù)據(jù)庫，以達到更好的效果。