本发明涉及一种热脉冲领域，具体为双探针热脉冲光纤同步测定土壤热特性和含水率的方法。
背景技术：
1、土壤热特性包括热导率、热扩散率、体积热容，它和含水率共同影响着土壤的温度变化和能量传递。它和土壤含水率之间相互作用，共同控制着土壤中的水热交换和平衡过程。目前热脉冲探针法为测定土壤热参数的标准方法，虽然被广泛应用于测量土壤水热参数，却受限于仅能在点尺度上进行测定。由于土壤水热参数具有强烈的空间变异性，该方法在田间尺度应用时，测定结果不具代表性。因此，针对土壤水热参数测定点尺度与应用（田间）尺度不匹配的现状，亟需开发能够在田间尺度上同步测定的新技术和方法。本发明发展了一种双探针热脉冲光纤法，可同步测定热导率、热扩散率、体积热容和含水率，对高时空分辨率监测田间尺度土壤水热参数具有重要价值。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供双探针热脉冲光纤同步测定土壤热特性和含水率的方法，利用两条平行光纤，实现对土壤水热参数高空间分辨率（0.25 m）监测，从而提高土壤容重的测定精度和范围。
2、本发明采用的技术方案如下：双探针热脉冲光纤同步测定土壤热特性和含水率的方法，土壤热特性分为热导率、热扩散率、体积热容；包括以下步骤：
3、步骤s1：在田间的待测土壤中平行布设两条光缆，对其中一条光缆a的金属层在预设时间内进行通电产生焦耳热，利用光信号解调模块dts采集另一条光缆b不同空间点位的升温值随时间的变化；
4、步骤s2：通电的光缆a作为一个热源光缆，光缆b作为一个感温光缆，在环境温度不变的恒定热量输入下，求得感温光缆b不同空间点位的升温值的拉普拉斯闭合表达式；
5、步骤s3：基于感温光缆b不同空间点位的升温值的拉普拉斯闭合表达式得到拉普拉斯闭合表达式的转换函数；
6、步骤s4：基于拉普拉斯闭合表达式的转换函数，求得在加热和冷却阶段，感温光缆b不同空间点位的升温值的轮廓线积分面积表达式；
7、步骤s5：基于感温光缆b不同空间点位的升温值的轮廓线积分面积表达式使用数值反演法获得土壤热导率λ、热扩散率k和土壤体积热容c；
8、步骤s6：根据线性模型求得土壤含水率；
9、其中线性模型如公式（1）所示；
10、 (1)；
11、式中，c为土壤体积热容；ρb为土壤容重；cs为土壤固体的比热；ρw为水的密度，cw为水的比热；θw为土壤含水率；其中土壤固体的比热cs通过查阅文献获取；土壤容重ρb通过环刀法测得；
12、即土壤含水率θw由公式（1）得到公式（2）；
13、 (2)。
14、进一步的，步骤s1中在田间的待测土壤中平行布设两条光缆，对其中一条光缆a的金属层在预设时间内进行通电产生焦耳热，具体为：
15、两条光缆通过带孔的贴片固定，使光缆中心间距6mm，光缆的结构由外向内包括绝缘护套、金属层和光纤；光缆a的加热功率通过金属层的电阻r和实时记录的电压u求得。
16、进一步的，步骤s2中感温光缆b不同空间点位的升温值的拉普拉斯闭合表达式；如公式（3）所示；
17、 (3)；
18、式中，为感温光缆b不同空间点位的升温值的拉普拉斯转换形式；为转换函数；为拉普拉斯变量；为热源光缆a的半径；为感温光缆b的半径；为热源光缆a的热容比；为感温光缆b的热容比；q'为单位时间单位长度输入的热量，q'=u2/(r*la)；u为电压，la为光缆a的长度；为指数函数；为热源光缆a加热时间；k0()为第二类零阶修正贝塞尔函数；l为光缆a与光缆b的间距；为土壤热导率；k为热扩散率。
19、进一步的，步骤s3中拉普拉斯闭合表达式的转换函数，如公式（4）所示；
20、 （4）；
21、式中，为光缆的半径，为光缆的热容比，n=1,2；k1()为一阶修正贝塞尔函数；热源光缆a的热容比和感温光缆b的热容比，其中和分别为热源光缆a和感温光缆b的热容。
22、进一步的，步骤s4中在加热和冷却阶段，感温光缆b不同空间点位的升温值的轮廓线积分面积表达式；如公式（5）和公式（6）所示；
23、 （5）；
24、 （6）；
25、式中，公式（5）的条件是0<t≤t0，为热源光缆a加热时间，t为某一时刻，公式（6）的条件是t0< t；为感温光缆b不同空间点位的升温的升温值，为感温光缆b不同空间点位的降温的升温值；
26、公式（5）和公式（6）中的函数、和用公式（7）、公式（8）和公式（9）表达；
27、 （7）；
28、 （8）；
29、（9）。
30、进一步的，基于感温光缆b不同空间点位的升温值的轮廓线积分面积表达式使用数值反演法，通过设置初始参数和误差值，获得土壤热导率λ、热扩散率k和土壤体积热容c；具体为：
31、根据待测土壤的初始参数，其中，，，，t0=15s，c1=3.2 mj·m-1k-1，c2=3.2 mj·m-1k-1；λ=0.3 w·m-1·k-1，c=1.5mj·m-1k-1，k=λ/c=2.0×10-7 m2·s-1，；绝对误差和相对误差设置为1.50e-8。
32、本发明的有益效果是：该方法的空间分辨率可达0.25m，测量范围可达几千米。本发明是一种双探针热脉冲光纤法，可同步测定热导率、热扩散率、体积热容和含水率，对高时空分辨率监测田间尺度土壤水热参数具有重要价值。
1.双探针热脉冲光纤同步测定土壤热特性和含水率的方法，其中土壤热特性分为热导率、热扩散率、体积热容；其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述双探针热脉冲光纤同步测定土壤热特性和含水率的方法，其特征在于：步骤s1中在田间的待测土壤中平行布设两条光缆，对其中一条光缆a的金属层在预设时间内进行通电产生焦耳热，具体为：
3.根据权利要求2所述的双探针热脉冲光纤同步测定土壤热特性和含水率的方法，其特征在于：步骤s2中感温光缆b不同空间点位的升温值的拉普拉斯闭合表达式；如公式（3）所示；
4.根据权利要求3所述的双探针热脉冲光纤同步测定土壤热特性和含水率的方法，其特征在于：步骤s3中拉普拉斯闭合表达式的转换函数，如公式（4）所示；
5.根据权利要求4所述的双探针热脉冲光纤同步测定土壤热特性和含水率的方法，其特征在于：步骤s4中在加热和冷却阶段，感温光缆b不同空间点位的升温值的轮廓线积分面积表达式；如公式（5）和公式（6）所示；
6.根据权利要求5所述的双探针热脉冲光纤同步测定土壤热特性和含水率的方法，其特征在于：基于感温光缆b不同空间点位的升温值的轮廓线积分面积表达式使用数值反演法，通过设置初始参数和误差值，获得土壤热导率λ、热扩散率k和土壤体积热容c；具体为：
