基于时域反射法的冬笋地下位置探测器设计

林为政，王俊楠，倪忠进，吕 艳，倪益华

（1. 浙江农林大学工程学院，杭州 311300； 2. 浙江省竹资源与高效利用协同创新中心，杭州 311300；3. 国家林业局林业感知技术与智能装备重点实验室，杭州 311300）

0 引 言

中国是竹林面积最大，竹资源最丰富的国家,据第八次全国森林资源清查，中国竹林面积达600万hm2[1-2]。笋作为竹的幼芽既有食用价值[3]，又有药用价值。冬笋的合理采挖，既有助于竹林生态的平衡，又能提高农民的经济收入。然而，冬笋通常生长在地表下方0至20 cm，不依靠特定设备探寻冬笋是很困难的事，目前农村中主要靠经验丰富的老农挖掘，市场上没有专门探测冬笋的仪器。目前，能凭经验挖到冬笋的农民越来越少，市场对冬笋探测器的需求日益增加。

据现有无损探测技术，可用于冬笋的探测方法有：电阻率法[4]、气味法[5]、红外热成像法[6]、微波成像法[7]等。王传武等[8]将三维电阻率E-SCAN观测模型引入隧道预报，能对隧道岩体内米级的异常体进行反演；潘雁红等[9]利用PEN3.5电子鼻对竹笋进行气味采集，通过主要成分分析法等对8种竹笋种类鉴别；Kluge等[10]利用红外热成像对土壤中微生物活动进行分析，查看土壤污染对物生物影响，这几种方法针对环境复杂的竹林地有着不便携、精度低等劣势。国内外专家学者针对其余植物根茎探测的研究中，利用的设备主要集中在探地雷达上，如Butnor等[11]利用探地雷达对土壤下的根系进行探测、成像处理，并构建植物根的生物量模型；Yan等[12]利用探地雷达研究最小直径为1 cm的阔叶林根系空间分布，探地雷达能对地下根系准确探测并估计生物量，但是运用于冬笋探测经济效益较低。何勇[13]基于EM-38大地电导率仪[14]提出了一种非接触式冬笋探测设备，通过测量土壤电导率与设定阈值对比来判断有无冬笋并实现报警等，有较为智能人机交互但并未产品化。

上述方法中，各种设备操作复杂并不适合普通农民使用，其中EM-38与探地雷达2种地质勘探仪价格高昂（一般在 10万元以上）。但它们主要是依据土壤电磁特性来判断是否有冬笋，富含有机质的土壤往往介电常数会比正常的高出许多。土壤检测中主要采用时域反射法（time-domain reflectometry，TDR），TDR仪器通过发射电磁信号，得到时域范围的波形，并计算表观介电常数[15]，其从19世纪70年代开始应用到农业领域，如测量土壤电导率、含水率等。本文对冬笋和土壤在高频下的介电常数分析，并基于此原理提出一种基于时域反射的冬笋探测方法；对该方法进行改进，并设计了一台包含高频、低频和天线 3个模块的冬笋探测器；对探测器进行了实地试验，验证其可行性，以拓宽现有地下根茎探测方法的思路。

1 冬笋探测器原理

1.1 冬笋-土壤介电常数模型

土壤与冬笋的宏观电磁特性有 3个基本参数：介电常数、磁导率和直流电导率。水、土壤颗粒和空气的相对介电常数分别为 81、4、1。而介电常数ε在一定的电磁条件下可用复数来表示[16]

介电常数是综合反映介质内部分子、离子电极化行为的一个重要参数，其中实部ε′影响波的传播速度，虚部ε″决定波的衰减特性，虚部是由于有耗媒质在高频工况下，材料内部的各种转向极化跟不上高频电场变化而引起各种弛豫极化。TDR早期是根据Topp等[17]建立的体积含水率（下称含水率）与表观介电常数建立的经验模型来计算含水率。根据电磁信号的频率对土壤介电常数的影响，本文综合参考 Mironov等[18]提出的普适折射指数混合介电常数模型与Dobson模型[19-20]，采用微波（频率为0.3～3 GHz频率的电磁波）进行探测，得出在一定频率下（0.6～0.8 GHz）含水率与土壤介电常数的关系，如图 1所示。此图表明介电常数的实部和虚部都随着含水率的增加而增加，并且对实部的影响更为明显。

图1 0.8 GHz频率下土壤体积含水率与介电常数关系Fig.1 Effect of volumetric moisture on values of dielectric constant at 0.8 GHz

Nelson对多种不同果蔬的进行了试验[21]：从9种不同新鲜水果和蔬菜组织样本在 5～65 ℃温度下，获得了频率从10 MHz到1.8 GHz的介电谱。结果表明多种不同的果蔬在频率 0.8 GHz时条件下介电常数（实部）都在50～70之间，且超过此频段后数值变化趋于平缓。冬笋的含水率高达 85%（包含笋壳）[22]，其组织内部自由水和束缚水含量都较高，并且含有包括纤维素等多种有机质，直接影响其介电常数与介电损耗常数，且常数值远远大于土壤[23]，使探测成为可能。

1.2 TDR原理及改进

时域反射仪是最常用的测量传输线特征阻抗的仪器[24]，传统TDR工作原理图如图2所示。TDR主要由信号发生器、采样示波器和探头系统三部分组成。阶跃信号发生器产生上升沿信号并通过探头发射至被测物体，若被测物体的阻抗连续，信号沿着它向前传播；当遇到阻抗突变的情况时，信号会发生反射并与发射信号叠加一起显示在示波器上。示波器波形的时域特性反映了阻抗变化的位置以及长度。

TDR时域反射仪的设备生产被国外垄断，导致机器价格昂贵以及维修困难等问题。王克栋等[25]对此进行了改进，降低了成本，但其系统使用探针进行工作，只能测量一定面积和深度的土壤含水率。介于探针的局限，本文构建了一种基于TDR的探测土壤中冬笋的方法：用高频正弦电磁信号代替窄上升沿阶跃信号；用锁相环、功率分配器和幅相检测模块代替阶跃信号发生器、高精度采样电路和时间基准；用 2个天线在土壤表面探测，代替探针实现无损检测。经以上改进，同时在硬件和软件简化了TDR系统，即使不使用复杂和高精度的IC电路也能根据土壤和冬笋本身的介电常数差异进行探测。在此基础上，即使选用精度较高的芯片和性能较好的元器件和材料搭建该冬笋地下位置探测器（简称冬笋探测器），其成本也远低于一万元。

图2 时域反射仪工作原理Fig.2 Schematic of time-domain reflectometry system

1.3 冬笋探测原理

本文设计的冬笋探测原理如图3所示，采用2个贴片天线来发射和接收电磁波。由于电磁波在不同介质内的传播速度和衰减率不同，在通过不同介质后，其幅值比和相位差会产生差值，由此可判别地下是否有冬笋存在。电磁波在介质中传播速度为

式中v是电磁波在介质中的传播速度，m/s；c是电磁波在真空中的传播速度，m/s；σ是介质的相对介电常数；μ是介质的相对磁导率。根据物质磁导率大小可分为3类：顺磁材料、逆磁材料、导磁材料。竹林山地的中的物质中基本没有导磁材料[26]，且余下的顺磁材料和逆磁材料的相对磁导率 μ≈1，即从电磁波传播角度来看磁导率这一项可以忽略不计。

当天线放置在地下没有冬笋的土壤表面时，即设传播路径内都为土壤，电磁波传播时间如下

式中tp1是电磁波在土壤中传播的时间，s；Le是电磁波在土壤中传播的距离，m；ve是电磁波在土壤中的传播速度，m/s。当天线放置在有冬笋的土壤表面时，电磁波传播时间为

式中tp2是电磁波在有笋土壤中传播时间，s；Lb是电磁波在冬笋中传播的距离，m；vb是电磁波在冬笋中的传播速度，m/s。用式（4）减式（3）得到两者时间差

将式（2）带入式（5）得到相位差

式中T、f分别是电磁波的周期和频率，s、Hz；σe、σb分别是土壤和冬笋的相对介电常数。式（6）中土壤和冬笋的介电常数使用1.1中数值估算：其中土壤含水率为15%左右，介电常数在10～15之间，冬笋介电常数约为50～60。探测使用的电磁波频率f为0.6～0.8 GHz，经计算得ΔΨ＜2π，即2种情况的相位差在一个周期之内，符合探测要求。

2 冬笋探测器设计

冬笋探测器的系统结构如图 4所示，高频信号源产生正弦波并传输给功率分配器，功分器将信号一分为二，一份直接传导给发射天线，另一份传输至幅相检测模块作为基准信号；入射信号经发射天线发出，穿过土壤介质被接收天线接收；幅相检测模块将反射信号与入射信号进行比对，将信号幅值比和相位差以模拟电压的方式传输至A/D转换模块；微处理器处理信号之后将数值显示在液晶显示器上；当探测到的数值超过设定的阈值时蜂鸣器发出报警。

图4 冬笋探测器系统原理Fig.4 Schematic diagram of winter bamboo shoot detector system

2.1 高频模块

高频模块主要包括高频信号源和幅相检测模块。高频信号源由宽带频率合成器与低通滤波器组成，其中频率合成器采用ADI公司ADF4350的锁相环系统（Phase Locked Loop，PLL），信号源原理图如图 5所示。PLL依靠鉴频鉴相器（PFD）对压控振荡器（VCO）输出信号与晶振产生的参考信号的相位作比较产生相位误差电压，并经过环路滤波器（LF）滤波处理后，得到较平滑的直流电压来调整输出信号的相位，通过锁定二者的相位差来达到锁定输出信号频率的目的[27-28]。探测器中PLL输出为频率4.4 GHz以下的电磁波。由于压控振荡器的输出信号含有较多谐波成分，所以还需带通或低通滤波器进行滤波处理。探测器采用800 MHz低通滤波器，可抑制 0.6～0.8 GHz电磁波的高阶谐波信号对设备的干扰。

图5 信号源原理图Fig.5 Schematic diagram of signal source system

传统 TDR土壤水分仪测定系统中没有幅相检测模块，其利用高精度示波器以及高速A/D转换器来获取波形，这使得仪器对硬件要求相对较高。本设计中采用基于 AD8302芯片的幅值比和相位差测量系统[29]，该系统可以测量2.7 GHz以下2个射频信号的幅值比、相位差。AD8302芯片幅值比、相位差对应的输出模拟电压值特性曲线如图6所示，由于幅值比和相位差在一定范围内输出特性都为线性，所以探测结果直接由对应的电压值表示。

图6 幅值比和相位差的电压特性曲线Fig.6 Transfer characteristics for amplitude ratio and phase difference

2.2 天线系统

冬笋探测器采用 2个规格相同的贴片天线来发射和接受信号，其结构是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用同轴电缆对贴片馈电构成天线[30]。探测器采用工作频段为0.6～0.8 GHz的2个天线，探测时天线贴在土壤表面，为了防止部分发射信号直接在地表上方传播至接收天线，将防辐射布料贴置于天线非接触土壤的表面。天线的方向性如图7所示，由于电磁波对土壤的穿透能力在2个天线间距较小时比较强，较小的增益即可完成传输，而过大的增益会使探测范围变广而精度不高。基于以上考虑，最终将天线水平方向增益最弱的方向相对放置，并固定在支架上。

图7 天线方向性Fig.7 Antenna pattern

2.3 微处理器及软件

冬笋探测器硬件采用宏晶科技的STC15L2K60S2单片机作为中央处理器，芯片自带10位A/D转换口可采集幅相检测模块和土壤湿度传感器的模拟电压值，以及内置电可擦可编程只读存储器（EEPROM）能将采集的数据进行存储。探测器使用的微处理器上连接有土壤水分传感器、12864液晶显示模块和蜂鸣器以及按键模块等功能模块。上述元器件除土壤水分传感器，其余模块均为Risym公司生产，单片机与外围电路如图8所示。

由于土壤湿度对幅值比、相位差的测量有一定影响，在探测时需要对土壤含水率进行测量。探测器使用的水分传感器为FDR（frequency domain reflectometry）型土壤水分仪，根据电磁波在土壤中传播频率来测量土壤介电常数与含水率。探测器采用精讯畅通公司的JXBS-3001土壤水分传感器，测量土壤水分时误差小于3%，相应时间小于1 s。考虑到该传感器的对天线发射电磁信号干扰，而同一片竹林地土壤含水率相差一般不大，所以需要在探测前对土壤含水率进行测量与标定。

冬笋探测器系统的软件运行在微处理器上，其主要功能是：通过A/D转换采集幅相检测模块和土壤湿度传感器的电压值，计算信号相位差值、衰弱量以及土壤含水率，通过校核公式判断是否有冬笋存在；通过LCD显示模块、按键和蜂鸣器提供人机界面，数字显示屏显示以上测得的实时数据，蜂鸣器发出报警提示；通过EEPROM存储测量得到数据，试验后进行查看、处理。冬笋探测器的软件工作流程图如图9所示。

图8 冬笋探测器低频电路原理Fig.8 Low frequency circuit principle of winter bamboo shoot detector

图9 冬笋探测器软件工作流程Fig.9 Workflow diagram of winter bamboo shoots detector program

3 试验与结果

竹林地生态结构复杂，为了验证冬笋探测器的可行性，在浙江临安某竹林地进行试验。该竹林土地类型为黄壤，黄壤主要分布在650～1 000 m的中低山区，适生毛竹、杉木和各类阔叶树。探测目标为地下位置的冬笋，长约20 cm，单株质量0.4～1 kg，冬笋探测器实物图如图10所示。

图10 冬笋探测器实物图Fig.10 Winter bamboo shoots detector

3.1 冬笋探测预试验

探测前测量规定位置四角以及中心的5个点含水率，若含水率数值极差不超过4%，则取它们平均值作为这片土壤的含水率；否则对测量地区进行更小的细分。试验方法参考拉丁方试验设计，步骤如下：

① 在竹林地中找一块 1 m2较为空旷的平地并测量其含水率；

② 将片土壤分为若干小格如图 11所示；用探测器对这些区域逐一测量，测量时只需要将冬笋探测器轻置在土壤表面读取并记录LCD数值；

③ 选其中3块区域并挖一个一定大小的坑，将冬笋埋入其中1个坑（其余作为对照）；

④ 将以上3个坑埋好并夯实；

⑤ 用探测器测量各个区域数值；

⑥ 更改埋藏深度，以及使用不同频率进行重复试验,试验图如图11所示。

试验中发现：土壤挖坑并夯实对探测器数值上没有产生影响；电磁波频率为790 MHz时探测效果最明显；试验时对竹叶和石头等干扰项进行了测试，发现它们对探测器没有产生较大干扰；有笋在地下时，幅值比与相位差的电压值与周围相差15%以上。埋藏冬笋体积越小、埋藏越深，则数值变化越不明显。

图11 冬笋埋藏试验Fig.11 Burial test of winter bamboo shoots

为了防止冬笋在没有生长成形之前被误测出，阈值设定以较大的笋（0.4 kg以上）、较浅的深度（笋尖离地表5 cm以内）为基准。最后用幅值比、相位差和含水率3个量进行判别阈值设定，其中幅值比电压值阈值为f1=-35v2+8.6v+0.87，相位差电压值阈值为 f2=-12.2v2+2.1v+0.97，v为土壤含水率。

3.2 冬笋探测实地试验

实地探测分别在200与180 m2的竹林地中进行，手持探测器贴在土壤表面扫过直至探测器发出警报，试验中发现21个发出警报位置，即可能藏有冬笋的位置。记录报警点以及周围的幅值比和相位差。其结果如图12所示，横纵坐标分别为相位差和幅值比，其中灰色点表示报警点周围的土壤数值；其余的点表示报警点，其中黑色点表示经挖掘后均有冬笋存在，各项数据如表1所示。白色为误报的点，其中4组为竹子较密集的根须，2组是由于地面不平导致天线与土壤的间隙较大而造成误判。

图12 冬笋探测结果Fig.12 Results of detection experiment

使用冬笋探测器探测和挖掘现场如图13所示，试验结果表明探测器已达到较高精准率（70%左右），比盲目采挖节约至少 25%的时间，同时节省劳动力。当地下有冬笋存在时，信号的幅值比比周围平均小 13%左右，而相位差大 22%左右，即电磁波的强度变弱，速度也有所降低；当土壤含水率更高时，探测时信号的幅相差量会偏小；相位差在 2种情况下差异更明显，更能作为探测到笋的指标；冬笋质量越大、埋藏越浅，信号差异越明显，试验结果与理论相符。综上，探测器能达到 70%左右的准确率，其成本不到探地雷达的1/10。

表1 冬笋探测报警点数据Table 1 Alarm point data of winter bamboo shoot detection

图13 冬笋探测器探测和挖掘现场Fig.13 Scene of detecting and digging by winter bamboo detector

4 结论与讨论

本文开发了一款冬笋地下位置探测器，主要结论如下：1）理论上采用发射和接收高频正弦信号，通过对比信号的幅值比和相位差的方式来判别地下位置是否有冬笋存在；2）硬件上采用锁相环系统与滤波器相结合产生正弦信号，并利用幅相检测模块对其进行处理，代替高精度采样电路与示波器，同时简化了电路与软件，降低生产成本；3）试验上进行了实地探测，能有效探测出土壤下冬笋，实际性能稳定，探测准确率高,可节约 25%以上的探寻时间，其准确率在 70%以上，而成本不到探地雷达的十分之一。

本设计解决了农民手工挖冬笋效率低下的问题，创新性地利用基于时域反射法对冬笋进行探测，为地下作物探测增添了一种新方式。本设计若要作为普适性的探测器，并对种类、大小等参数更准确预测，还需做更多试验以建立数据库，以达到更好的效果。