基于作物介电特性在其精准灌溉中应用的研究进展

范 昊 王明宇

（塔里木大学信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

传统的灌溉技术一般是通过土壤水分含量[1]、空气湿度[2]等来诊断旱情，虽然这些方法已经相对成熟，但利用作物自身生理水分状况能更加敏感的反映作物的受旱程度[3]，因此以农作物自身生理水分为灌溉依据比传统灌溉技术更加真实。对农作物自身含水率测量的传统手段有烘干法、化学法、射线法、中子法、核磁共振法等，但这些手段操作繁琐，存在耗时长，成本高等缺陷。现代智能化农业迫切需要一种价格合理，精度高的含水率无损检测技术，而介电法是利用作物自身介电特性以检测其具体含水情况，相较于传统作物灌溉技术测定方法，该方法具有操作简单、性能稳定、测量精度高的显著优势[4]，因此介电法受到相关研究学者的青睐。作物是介于导体和绝缘体之间的特殊电介质，由于在不同的生长阶段，作物体相应的介电特性也会不同，这为利用介电参数检测生物体内部生理信息提供了必要的理论依据。

1 介电特性

介电特性是指生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性。水分对作物介电特性的影响极为重要，缺水会导致作物体液浓度增大，反过来会对作物的介电特性产生影响[5]。评价介电特性的主要参数是介电常数εr’、介质损耗因子εr″、介质损耗角正切值tanδ[6]。

1.1 介电参数

介电常数ε（或εr’）是介电体固有的物理性质，表示介电体在外加电场作用下所贮存的电场能量；介质损耗因子εr″反映电介质在交流电场中由于分子间的摩擦碰撞而造成的能量损失大小；介质损耗角正切值Tanδ是损耗能量与累积能量的比值，其中介质损耗角δ是交流电的总电流I（或总电压V）与电容电流Ic（或电容电压Vc)的夹角。

1.2 介电特性检测方法

常用的介电性能测量技术主要包括平行板（电容）技术、传输线技术、同轴探针技术、电桥法等。

平行板技术又称电容器技术，它是将薄板型圆铜片夹在两个电极之间形成电容器，将样品放置在电容器中造成的电容变化来测量样品的介电特性。传输线技术是将样品放在封闭的传输线中，由于线路中的负载会引起线路中阻抗和传输特性的变化，再用矢量网络分析仪检测负载线中的反射系数（S11）与传输系数（S21），用计算机和软件来实现对样品的介电常数的计算。电桥法是利用3个已知阻抗臂求另一个样品桥臂的阻抗，调节电桥达到平衡，根据平衡条件计算样品的等值电容和电阻，继而得出样品的介电参数。同轴探针技术主要是利用探针接触物体时，试件反射到分析仪信号的振幅和相位，计算介电参数与材料频率的关系[11]。

2 影响作物介电特性的主要因素

2.1 作物含水率对介电特性的影响

作物是介于导体和绝缘体之间的特殊电介质，其不同的生长阶段，介电特性也会存在差异。当作物受到外界干旱的刺激时，会对外界环境产生响应，这种响应通常是通过不同的介电参数来表征作物的不同特性。作物体内的水主要由自由水和结合水构成，比重约占60～80%。当作物身处干旱环境时，自由水会逐步向结合水转变，以此来提升自己的抗旱性能，随着自由水含量的降低，作物体液浓度增大，导致作物的理化性质产生变化，其必然反应在农作物的生理介电特性上，这为介电性能测定作物含水率并对农作物进行精准灌溉提供了理论依据。

2.2 测试频率对介电特性的影响

作物中的极性水分子在受到外加电场的激励后会形成电偶极子，当频率发生改变，电偶极子会由原来的存在状态经过转向过渡到按电场方向排列的状态，在此过程中转向所需要的时间为极化弛豫时间。当频率提高时，极化弛豫时间在某一频率开始与外加电场的周期变化脱轨，一部分能量损耗在强制固有偶极距转向上转为热量散失，从而造成介电损耗，引起介电常数降低。

2.3 温度对介电特性的影响

温度也会对作物的松弛极化产生作用，当其他条件确定时，温度升高会导致分子间热运动的能量增高，离子、偶极子在外加电场作用下的转向运动会受到热运动的阻碍而产生时间延迟，使得介电常数降低，此时电导损耗急剧增加，tanδ也随温度急剧上升。当温度很低时，分子热运动能量较低，极化分子几乎处于“冷冻”状态，其松弛时间延长，松弛极化难以建立，此时的损耗功率很低。

综上所述，作物体的含水率、测试频率、温度等都会直接或间接地影响作物的介电特性，这些因素对作物介电特性的影响是研究作物相关特性的突破口，为通过介电特性变化对作物实行精准灌溉提供了必要的理论依据。

3 介电特性用于农作物含水率检测中的研究进展

3.1 国内外研究现状

Mclendon和Brown在0.5～5kHz范围内上对梨的介电性能研究分析，实验结果表明梨的介电常数和损耗角正切值与频率之间呈反比例关系。erbert P A和Stenning B C研究冬小麦水分在线检测方法，发现在0.5MHz时其水分与（ε’-1）/ε″线性相关，而（ε’-1)/ε″与物料流速相关[16]。程卫东根据介质介电常数改变所引起电容传感器振荡频率的变化量来对谷物含水率进行测量，构建了与电容式振荡频率相关的作物含水率数学模型，发现谷物的含水率与传感器电容值互为单值线性关系，并加入了温度函数补偿，极大降低了谷物温度对测量精度的影响[17]。郝晓莉等人校准了水稻、玉米和大豆3种作物的水分含量，并分析和研究了农业物料的水分含量与其相对介电常数、电压比等参量的相关性，得到了介电常数、以空气为介质和以作物为介质电阻两侧的电压比与作物水分含量间的函数模型。

4 总结及展望

随着中国智能化农业的发展，对作物精准灌溉的要求也越来越高，然而丰产节水灌溉的关键在于亏水诊断，只有在需水敏感时期按照亏水信息进行及时灌水，才能更加满足农作物的发育需求。根据国内外关于作物介电特性的研究分析可知，介电法具有很大的发展潜力和应用前景，通过介电特性对农作物进行灌溉指导也是一种比较适合现代农业发展趋势新型研究技术，但目前还存在一些尚待解决的问题，现将其阐述如下：

（1）实验数据的精度及广度决定了模型的基础价值。数据的精度依赖于测试仪器的精密程度，国产仪器起步较晚，与国外先进仪器存在差距，而且专利壁垒也是一个很大难题，一些结构加工零件精度达不到（在成本允许范围内）造成国内仪器精度的偏差，因此，国内企业应该重视基础性技术的研发，加强技术积累，只有这样才能尽快缩小与国外企业的差距。作物的生长发育过程可分为不同的阶段，每个阶段的抗旱能力都存在差异，然而现有作物介电特性研究中所构建的函数模型，大多是根据作物某一阶段的数据拟合而成，不具备数据的完整性，因此不能作为作物整个生长发育阶段的判定依据，若能针对作物的生长周期进行全方面跟踪，获取实时数据，提升实验数据的广泛性，制定出全面的干旱评判体系，将会极大增强农作物水分检测模型的稳定性以及应用性。

（2）作物含水率模型构建中的关键环节是对优化算法及其函数模型的选择，优化算法能够对已有实验数据进行二次加工处理，筛选符合条件的数据，从而获取精确的特征变量值，降低计算复杂度；建模方法将处理好的数据进行拟合加工处理，通过具体公式来预测作物体的含水情况。我国学者一般采用偏最小二乘回归、多元线性回归、主成分回归等模型进行函数拟合处理，对优化算法的应用较少，并且为减少外界因素（如温度、湿度、外加电压等）其对公式偏差的影响，加入了一系列补偿函数，这些函数需要经过复杂的中间转换过程，会导致测量结果精度下降。基于此，现有研究应该将重心放在经过实践考量的国际高端算法以及对传统模型的选择上，现有经过实践证实的优良算法有灰狼算法、人工蜂群算法、聚类算法、云计算等可以选择；对于模型选择，非线性回归更加适合今后的研究，通过建立非线性映射，将低维非线性问题转换为高维线性问题，再将问题进行线性分析，较传统模型相比，非线性回归可增强各变量间的关联性，能够有效降低其他因素对介电特性的影响，若将二者有机结合起来，必能极大增强现有研究的物理精度，降低模型预测的偏差度。