土壤水分无损测量的单边磁共振方法

Moisture in the soil pore is a very important parameter in agriculture, environmental protection and other fields, but there are some disadvantages in the existing soil moisture measurement methods: ①Bound water and free water in the soil can not be distinguished quantitatively; ②Hydrodynamic parameter such as diffusion coefficient of soil moisture can not be measured accurately. To solve these problems, the unilateral magnetic resonance (UMR) method is presented, the research includes two key scientific problems: ①Radio frequency (RF) signal-to-noise (SNR) enhancement method for the UMR sensor; ②The characteristic index extraction method for the magnetic resonance signal of soil moisture. For the first problem, RF resonant element array will be used for RF SNR enhancement, and a “field-circuit” hybrid algorithm will be presented for the RF coil design. For the second problem, analysis method based on transverse relaxation time spectrum and diffusion coefficient under constant static gradient field will be presented, integral area of transverse relaxation time spectrum peak will be used to represent the status and content of the soil moisture. Diffusion coefficient will be used to present the hydrodynamic law of soil moisture. Finally, the UMR method for nondestructive measurement of soil moisture in field will be built, and this method will provide scientific parameters for agricultural production and soil protection.

土壤空隙中的水分是农业生产和环境保护等领域研究的重要参数，但是目前的土壤水分检测方法存在不足之处：①无法定量区分土壤中的束缚水和自由水；②无法准确测量土壤水分的运动扩散特性。为解决该问题，本申请提出单边磁共振方法。研究两个关键科学问题：①单边磁共振传感器的射频信噪比增强方法；②土壤水分的磁共振信号特征量提取方法。针对第一个问题，提出基于射频谐振单元阵列的射频增强方法，采用“电磁场-电路”结合算法实现包含谐振单元矩阵的射频线圈的设计。针对第二个问题，提出基于横向弛豫时间谱和恒定静态梯度场下的扩散系数分析方法，以横向弛豫时间谱中波峰的积分面积表征水分的存在状态和多少，以扩散系数表征水分的动力学运动特性。最终形成应用于田间土壤水分无损测量的单边磁共振方法，为农业生产和土壤保护提供科学参数。

本项目针对土壤水分检测的问题开展了测量系统研发，磁共振信号分析方法研究以及实验研究。在测量系统研发中，基于土壤水分现场测量的需求设计了具有梯度磁场的单边磁共振传感器与inside-out型传感器，分别对传感器的永磁机构、射频线圈以及梯度线圈的电磁场问题开展了研究。使用有限元算法优化设计了传感器永磁机构，使用目标场方法优化设计了射频和梯度线圈结构。设计了前置放大器、射频功率放大器以及数字化谱仪等电子测量系统。在土壤水分的磁共振信号分析方法研究中，提出基于逆拉普拉斯变换的磁共振信号分析算法，提取了土壤水分的磁共振横向弛豫时间谱及扩散系数等关键表征参数。在实验研究中，测试了自研系统的性能，通过实验提取了不同类型土壤的磁共振信号，并基于磁共振信号对土壤水分含量和形态进行了分析。本研究为期4年，按照项目计划书完成了所有工作。研究结果表明，单边磁共振和inside-out测量系统能够定量测量土壤中不同状态水分的含量。