RIBOLA / Räumlich integrierte Bodenfeuchtemessungen unter Verwendung von Radiofrequenzen im Langwellenbereich

  • Ansprechperson:

    Dr. N. Kalhoff, Dr. O. Kiseleva

  • Projektgruppe:

    IMK-TRO

  • Förderung:

    DFG

Räumlich integrierte Bodenfeuchtemessungen unter Verwendung von Radiofrequenzen im Langwellenbereich (RIBOLA)

Großflächig integrierte Bodenfeuchtemessungen werden für viele Anwendungsbereiche in den Gebieten Meteorologie, Geologie, Hydrologie sowie Land- und Forstwirtschaft benötigt. Der Einsatz elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich von 30 kHz bis 300 kHz erlaubt eine kontinuierliche Erfassung der Bodenfeuchte mit einer räumlichen Auflösung von 10-20 km.
Das Prinzip des Messverfahrens basiert auf der Ermittlung der Phasenverzögerung der von einem Radiosender ausgestrahlten elektromagnetischen Bodenwelle. Die Abhängigkeit des Ausbreitungsverhaltens einer Bodenwelle hängt von der Leitfähigkeit des übertragenden Mediums ab. Diese wiederum ist unter anderem stark von der Feuchte des Mediums abhängig.
Als Signalquelle wird im Projekt der Zeit- und Normalfrequenzsender DCF77 in Mainflingen mit 77,5 kHz und mit einer Sendeleistung von 50 kW benutzt. Zur Detektion und Analyse des empfangenen Signals wurden auf der Strecke(Edingen – Karlsruhe) drei Messstationen, in einem Abstand von jeweils 20 km, aufgebaut (Abb. 1).

 

Abb. 1: Schematische Darstellung zum Aufbau von Empfängern, im Abstand d vom Sender (DCF77) sowie vereinfachte Darstellung zum Verhalten der Bodenwellen entlang der Messstrecke. ϕ - Phase und A - Amplitude der Welle.

 Das Messsystem besteht aus den folgenden Komponenten: Notebook zur Datenerfassung und Steuerung (Abb. 2), DCF77 Empfänger mit Antenne, GPS Empfänger mit Antenne, Oszilloskop (Abb. 2), und Heizsystem. Die Differenz zwischen den Nulldurchgängen des empfangenen DCF77-Signals und des Sekundensignals des GPS ist die wichtigste Messgröße.

Neun SISOMOP-Stationen, die entlang der Messstrecke zwischen Edingen und KIT Campus Nord gleichem Abstand installiert wurden, dienen zur Kalibrierung und Validierung des neuen Bodenfeuchtemessverfahrens. Mit ihrer Hilfe wurden die Bodenfeuchte und die Bodentemperatur in verschiedenen Tiefen gemessen (Abb. 3.)

 
 

Abb. 2: DCF77 - Empfänger

 Abb. 3: Sisomop-Station beim Einbau

Die im November 2012 gestarteten Messungen weisen eine ausgeprägte Abhängigkeit der Phasenwerte von der Leitfähigkeitsänderung in der beobachteten Bodenschicht auf.

Poster & Vorträge

Kiseleva, O., Hübner, Ch., Brandelik, A., Kalthoff, N., Kohler, M., Königer, F., Kottmeier, Ch.
Verfahren zur räumlich integrierten Bodefeuchtemessung unter Verwendung der Bodenwelle des Langwellensender DCF77.
Tagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, Karlsruhe,10.03.-13.03.2014 (Vortrag)

Kiseleva, O., Hübner, Ch., Brandelik, A., Kalthoff, N., Kohler, M., Königer, F., Kottmeier, Ch.
Messverfahren zur Bodenfeuchtebestimmung mit Hilfe von Radiowellen im Langwellenvereich.
Tag der Hydrologie 2014, Eichstätt, 20.03.-21.03.2014 (Posterpräsentation).