王克栋：第三种情况是负载阻抗等于传输线阻抗，这时候信号上面没有反射。时域反射仪最初的时候是用在电信业里面，用在电信业里面用于诊断电路板或者是电缆的缺陷。比如说对于一个比较长的电缆，如果这个电缆没有缺陷的话信号在电缆里面传播是没有反射的，如果这个电缆里面有缺陷的话在缺陷处会有一定量的信号反射回来，这个反射回来的信号被示波器记录下来，根据这个反射信号反射回来的时间记录到这个反射信号的时间秋收可以确定这个故障点离我们信号源的距离，根据这个反射信号的波形可以分析出缺陷的类型。所以这样的话可以对电缆里面的缺陷性质和它的位置来进行诊断。 在实际应用里面发现这个电磁波在导体里面传播的速度与导体周围的介质相对介电常数有关，也就是电磁波传播的速度等于是光速除以介电常数的平方根，也就是说介质电磁波传播的时候，介质的介电常数会影响传播速度，利用这个特性就可以测量电磁波传播的速度计算介质的介电常数。 因此，就可以将TDR时域反射仪用于对土壤进行水分测量。它的原理就是当这个探针长度一定的时候，将这个探针插入土壤里面，当这个探针长度一定的时候信号在探针里面传播的时间就取决于信号在探针上传播的速度，也就是取决于土壤的混合介电常数。根据这个土壤混合介电常数就可以计算出土壤的含水量。 我们看一下这是实际工作的示意图，将这个探针放在土壤里面然后上面连一个TDR反射仪，信号发生器和高频逝示波器集中在这个仪器里面，这高频示波器记录实际的反射波形，我们看到在反射波形里面最前面有两个明显的反射点，第一个反射点是小的尖峰，这是代表探针的阻抗和传输线的阻抗不同，因此在探针的始端有一个小的信号反射回去，第二个反射点是探针的末端，由于探针的末端开路所以大部分的信号都会被反射回去。根据这两个反射点他们的时间差，我们就可以计算出信号在土壤里面传播的速度。 这就是传统的TDR时域反射仪用于土壤水分测量的原理。实际确定信号传播时间的时候是在这个波形上面使用酸斜率法确定，对于这个波形并没有明显的尖峰，反射回去是一个比较平滑的弧形，怎么确定这个反射点呢，是使用两条切线，这两条切线的焦点对应的横坐标作为反射的时间点。 从这里面可以看出使用传统的TDR来测土壤水分含量的时候使用的确定时间的算法可能会造成一定的误差，但是我们波形有一定适中的时候我们用酸05：19确定时间点的时候所确定的时间可能会有一定的误差。所以这是TDR仪测量误差的主要来源。 对于传统的TDR仪，当然有很多优点了，最大缺点就是它的成本比较高，仪器和电路实现起来比较困难。因为要求测试信号第一个要求测试信号具有很陡峭的上升源，因为上升源比较圆以后对反射点的位置不好确定。通常要求信号的信号源上升时间小于0.1纳秒，大约是100P秒，因此对信号发生器的要求比较高。 另外一个需要高速的示波器来捕捉和记录波形，信号波形。所以它需要超高速的采样和转换芯片，并且需要很高精度的光源提供时间基准。 第三个传统TDR要求有很高的时间测量精度，为什么呢？比如说我们将通常所需要的长度是15厘米的探针放在空气里面和水里面，电磁波在这个探针里面传播的时间分别大约是一纳秒和九纳秒，也就是测量土壤的时候这个土壤水分从0到百分之百变化，这个时间的变化不超过八纳秒。我们要获得1%的分辨率，要获得时间1%的分辨率就要求我们TDR的时间测量系统测量分辨率至少能达到80P秒。所以对这个时间测量系统精度要求很高，因此基于这样的思路，基于这样的现状，我们提出来一种基于相位测量的TDR时域反射仪。 传统的TDR波形的形状主要是用于描述电路故障的性质，但是对于测量土壤水分的时候土壤本身的电学性质并不是很重要，另外土壤含水量的测量主要取决于时间的测量，有时候我们只需要测量信号在探针探头传播时间就可以了，不需要得到完整的波形，因此我们可以需要高频的正弦信号来代替脉冲信号。这样可以减缓信号源，可以利用相位检测技术来测量信号传播时间，所以不需要超高频的示波器。基于这样一种思路，我们提出来一种基于相位检测技术的时域反射仪用来进行土壤水分的测量。我们称为是P-TDR。 那P-TDR这个仪器结构是这样的，有一个高频的正弦信号发生器，这个信号发生器发出高频信号频率大约是400兆赫兹左右，信号的频率可以通过控制器，通过微处理器进行控制。这个信号源发出的信号会经过信号分离器分成两路，第一路直接传播到相位检测器和幅度检测器。第一路信号直接传播到这个测量电路来，这一路信号称为入射信号也称之为参考信号。第二路是通过电缆传播到探针上面，并且在探针的末端被反射回来。反射回来之后与原来的信号叠加在一起，叠加在一起以后没有办法进行测量，因此我们需要使用另外一个信号分离电路，称为环行器，将原来从左向右传播的信号

我们看一下这是一个测试结果，其中直线代表的是根据公式计算出来的理论传播时间，而这个圆圈是代表实际所测到传播时间值。横轴是电缆长度，从零到1200毫米，也就是1.2米。传播时间是从零纳秒到12纳秒。 我们可以看到他们两者之间吻合的很好，实际的测量值与理论计算值吻合的很好，这是一个对照表格，我们可以看到长度从15毫米到1200毫米范围内所出现的时间差最大只有10P秒，在0到11纳秒测量范围内所测量平均误差大约是6P秒，而时间测量的分辨率可以达到1P秒，相对于传统的TDR时间分辨率大约是几十P秒的精度，这个P-TDR测量精度是很高的。在电缆里面进行验证以后，我们再在土壤里面进行实际的测量，给他接上探针，将这个探针放在土壤里面进行测量，我们准备了各种不同的土壤样品，包括沙土，黏土，土壤的含水量从零到50%，将这个探针一次插入到某一种土壤样品里面，测量并且记录电磁波信号在探针传播的时间，测试完以后从每一种样品里面取约50克的土壤用烘干法测量实际含水量。从烘干法的结果与我们仪器测量结果进行对照。 这是对照的结果。不同的符号代表的是在不同土壤里面所测的值。横轴代表的是用TDR，就是用我们仪器测到的含水量，纵轴是用土壤测到的实际含水量，用烘干法测的实际含水量，我们的仪器所测到时间与土壤的实际含水量之间大约是呈三次方程关系，曲线是拟合出来的曲线。我们可以看到在三种不同土壤里面测量的误差都不是很大，这种得到的误差大约是0.029每平方米，大约是3%的误差。 这个误差与传统的TDR误差是接近的。刚才那是针对不同土质的土壤进行的实验，这里面是针对不同容重的土壤进行实验，对于同一种类型的土壤我们做成不同密度的土样，针对不同密度的土样进行实验，得到这样的结果，不同的符号是代表不同的密度，对于不同容重的土壤测量的均衡和误差大约是2%。最后是对仪器进行标定以后进行实际的测量，再与烘干法进行比较。我们看到测量范围从大于2%到45%，它的测量误差最大的大约是2.0每立方米。可以看到在0.02到0.45立方米含水量范围内，以烘干法的差别最大不超过0.02。 两者的误差在某种程度上是由于信号在探针的始端造成的，因为我们测量的依据看好看到末端的反射，由于探针在土壤里面阻抗会随着土壤的常数变化而变化，所以在不同土壤里面探针的阻抗是不同的，所以在探针的始端总会有一定的反射信号。这个反射信号会影响信号的相位，会对测量到的相位差有一定的影响。从而造成了误差。 这是仪器的不足之处。今天我要和大家交流内容就是这么多。