基于gnss-r的面域土壤濕度測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤濕度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于GNSS-R的面域土壤濕度 測量裝置及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在基于GNSS-R的土壤濕度測量技術(shù)領(lǐng)域中，目前一般通過土壤反射信號與直射 信號的相關(guān)功率峰值比完成土壤表面反射率的估計，進而計算土壤介電常數(shù)，從而得到土 壤濕度。但是由于反射信號相關(guān)功率峰值僅僅代表鏡面反射點附近區(qū)域反射信號的功率強 度，也就是說得到的土壤濕度值僅能代表反射點附近土壤濕度，并不能體現(xiàn)整個探測區(qū)域 的土壤濕度整體水平。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決上述技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于：提供一種基于GNSS-R的面域土壤 濕度測量裝置，將各模塊集成到一個球狀機箱內(nèi)，實現(xiàn)信號接收處理、土壤濕度反演和濕度 數(shù)據(jù)傳輸一體化，提供一種土壤濕度測量方法，對大范圍內(nèi)土壤濕度平均水平進行有效測 量，提升了現(xiàn)有算法的測量范圍，并實現(xiàn)實時觀測。
[0004] 為解決其技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為：
[0005]所述基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置，包括機箱，機箱內(nèi)設(shè)置GNSS反射信 號接收天線、GNSS直射信號接收天線和GNSS-R 土壤濕度測量主機，機箱朝向地面設(shè)置開 口，支架I 一端固定在地面上，另一端豎直插入機箱內(nèi)部并固定GNSS-R 土壤濕度測量主機， GNSS-R 土壤濕度測量主機頂端固定GNSS直射信號接收天線，GNSS-R 土壤濕度測量主機與 機箱開口之間的支架I上固定支架II，支架II固定GNSS反射信號接收天線，GNSS-R 土壤 濕度測量主機包含順次連接的射頻前端、中頻信號采集模塊、FPGA采樣信號預(yù)處理模塊、 FPGA 土壤濕度反演模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊，電源模塊為前述GNSS-R 土壤濕度測量主機的五個模 塊供電，電源模塊電源線通過開口延伸至機箱外部。
[0006]本發(fā)明核心技術(shù)在于GNSS-R遙感技術(shù)，將GNSS反射信號接收天線、GNSS直射信 號接收天線和GNSS-R 土壤濕度測量主機共同集成在一個機箱內(nèi)，實現(xiàn)信號接收處理、土壤 濕度反演和所測濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊惑w化。在GNSS直射信號接收天線接收導航衛(wèi)星直射信 號的同時，GNSS反射信號接收天線接收地球表面的反射信號，并抑制大部分與傳輸路徑不 相關(guān)的多徑信號；然后射頻前端分別對直射信號和反射信號進行下變頻，將變頻得到的兩 路模擬中頻信號輸入到中頻信號采集模塊；中頻信號采集模塊對兩路中頻信號進行采樣和 量化，得到兩路數(shù)字中頻信號；數(shù)字中頻信號輸入到FPGA采樣信號預(yù)處理模塊進行預(yù)處 理后傳輸給FPGA 土壤濕度反演模塊，通過FPGA 土壤濕度反演模塊求解面域土壤濕度；最后 所述網(wǎng)絡(luò)模塊采將結(jié)果傳送至用戶終端，實現(xiàn)實時觀測。
[0007] 其中，優(yōu)選方案為：
[0008] 所述機箱為球形，外形美觀、防水并且不會對信號造成很大的衰減。
[0009] 所述支架I設(shè)為空心結(jié)構(gòu)，電源模塊電源線穿過過支架I空心與外部電源相連接， 一方面，支架I可以將電源線與外界隔絕，延長其使用壽命，另一方面，支架I可以對電源線 進行固定，防止其流竄。
[0010] 所述GNSS-R土壤濕度測量主機對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)置網(wǎng)口，可以外接網(wǎng)線，進行數(shù)據(jù) 傳輸。
[0011] 所述GNSS-R土壤濕度測量主機設(shè)有外殼，各模塊設(shè)置在外殼內(nèi)部，GNSS直射信號 接收天線固定在外殼頂端，網(wǎng)口嵌入在外殼上，將GNSS-R土壤濕度測量主機各模塊進行集 成，位置固定，不會在機箱內(nèi)隨便流竄。
[0012] 所述網(wǎng)絡(luò)模塊采用3G模塊，3G模塊屬于現(xiàn)階段非常成熟的通信模塊，應(yīng)用普遍， 覆蓋范圍廣，適用性強。
[0013] 所述GNSS直射信號接收天線安置方式為水平放置，天線方向圖的軸線垂直于水 平面，其主瓣最大增益方向朝向天頂；在GNSS反射信號接收天線波束角為0時，所述GNSS 反射信號接收天線的安置方式為朝向地面，其主瓣最大增益方向與水平面的夾角在#到 90°之間。
[0014] 本發(fā)明還提供一種上述基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置的測量方法，包括 以下步驟：
[0015] 第一步，GNSS直射信號與反射信號分別通過GNSS直射信號接收天線和GNSS反射 信號接收天線接收，抑制大部分與傳輸路徑不相關(guān)的多徑信號；
[0016] 第二步，射頻前端分別對直射信號和反射信號進行下變頻，得到分別對應(yīng)直射信 號和反射信號的兩路模擬中頻信號；
[0017] 第三步，中頻信號采集模塊對兩路模擬中頻信號進行采樣和量化，得到兩路數(shù)字 中頻信號；
[0018] 第四步，分別對應(yīng)直射信號和反射信號的兩路數(shù)字中頻信號輸入到FPGA采樣信 號預(yù)處理模塊進行預(yù)處理，利用直射信號和本地復(fù)現(xiàn)信號的相關(guān)函數(shù)計算得到直射信號的 相關(guān)功率值；利用接收到的反射信號和本地復(fù)現(xiàn)信號的相關(guān)函數(shù)計算得到GNSS反射信號 的相關(guān)功率值，由多個不同時刻的相關(guān)功率值構(gòu)成相關(guān)功率曲線；
[0019] 這里的相關(guān)功率是相關(guān)函數(shù)的值，具體如下：
[0020] 在GNSS信號處理中，任意h時刻的本地PRN碼復(fù)制碼a (t J與t時刻接收到 的直射信號UD (t# T )的時延一維相關(guān)函數(shù)定義為：
[0021]
【主權(quán)項】
1. 一種基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置，其特征在于，包括機箱（1)，機箱內(nèi)設(shè) 置GNSS反射信號接收天線（2)、GNSS直射信號接收天線（3)和GNSS-R土壤濕度測量主機 (4)，機箱（1)朝向地面設(shè)置開口，支架1(5) -端固定在地面上，另一端豎直插入機箱（1) 內(nèi)部并固定GNSS-R土壤濕度測量主機（4)，GNSS-R土壤濕度測量主機（4)頂端固定GNSS 直射信號接收天線（3)，GNSS-R土壤濕度測量主機（4)與機箱（1)開口之間的支架1(5)上 固定支架II(6)，支架II(6)固定GNSS反射信號接收天線（2)，GNSS-R土壤濕度測量主機 (4)包含順次連接的射頻前端、中頻信號采集模塊、FPGA采樣信號預(yù)處理模塊、FPGA土壤濕 度反演模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊，電源模塊為前述GNSS-R土壤濕度測量主機（4)的五個模塊供電， 電源模塊電源線（7)通過開口延伸至機箱（1)外部。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置，其特征在于，所述機 箱⑴為球形。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置，其特征在于，所述支 架1(5)設(shè)為空心結(jié)構(gòu)，電源模塊電源線（7)穿過支架1(5)空心與外部電源相連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置，其特征在于，所述 GNSS-R土壤濕度測量主機（4)對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)置網(wǎng)口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置，其特征在于，所 述GNSS-R土壤濕度測量主機（4)設(shè)有外殼，各模塊設(shè)置在外殼內(nèi)部，GNSS直射信號接收天 線（3)固定在外殼頂端，網(wǎng)口嵌入在外殼上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置，其特征在于，所 述網(wǎng)絡(luò)模塊采用3G模塊。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置，其特征在于，所述 GNSS直射信號接收天線（3)安置方式為水平放置，其主瓣最大輻射方向朝向天頂；在GNSS 反射信號接收天線（2)波束角為0時，所述GNSS反射信號接收天線（2)的安置方式為朝 向地面，其主瓣最大增益方向與水平面的夾角在f到90°之間。
8. -種如權(quán)利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置的測量方法，其特征 在于，包括以下步驟： 第一步，GNSS直射信號與反射信號分別通過GNSS直射信號接收天線（3)和GNSS反射 信號接收天線（2)接收，抑制大部分與傳輸路徑不相關(guān)的多徑信號； 第二步，射頻前端分別對直射信號和反射信號進行下變頻，得到分別對應(yīng)直射信號和 反射信號的兩路模擬中頻信號； 第三步，中頻信號采集模塊對兩路模擬中頻信號進行采樣和量化，得到兩路數(shù)字中頻 信號； 第四步，分別對應(yīng)直射信號和反射信號的兩路數(shù)字中頻信號輸入到FPGA采樣信號預(yù) 處理模塊進行預(yù)處理，利用直射信號和本地復(fù)現(xiàn)信號的相關(guān)函數(shù)計算得到直射信號的相關(guān) 功率值；利用接收到的反射信號和本地復(fù)現(xiàn)信號的相關(guān)函數(shù)計算得到GNSS反射信號的相 關(guān)功率值，由多個不同時刻的相關(guān)功率值構(gòu)成相關(guān)功率曲線； 第五步，將GNSS直射信號和GNSS反射信號的相關(guān)功率曲線傳輸至FPGA土壤濕度反演 模塊，利用ICF比值計算法求解面域土壤濕度； 第六步，通過網(wǎng)絡(luò)模塊將求得的面域土壤濕度傳送至用戶終端。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量方法，其特征在于，所述ICF比值計算法包括以下步驟： 第一步，根據(jù)GNSS反射信號接收天線（2)的架設(shè)高度、衛(wèi)星位置和天線波束角估算天 線覆蓋區(qū)位置和面積，并估算反射信號相對于鏡面反射點的最大延遲時間△ 第二步，對接收到反射信號相關(guān)功率曲線上由峰值對應(yīng)的延遲時刻Tmin到反射信號 最大延遲時刻T_+△T _之間各采樣點的相關(guān)功率值進行加權(quán)求和得到平均反射相關(guān)功 率，各采樣點相關(guān)功率的加權(quán)系數(shù)與該采樣點碼延遲對應(yīng)的反射區(qū)面積相對應(yīng)； 第三步，利用平均反射相關(guān)功率與直射信號相關(guān)功率峰值比值作為反射率，根據(jù)反射 天線極化方式確定的反射率與介電常數(shù)之間的關(guān)系得到土壤介電常數(shù)，再利用土壤介電常 數(shù)與土壤濕度之間的映射關(guān)系求得土壤濕度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量方法，其特征在于，所述FPGA采樣信號預(yù)處理模塊預(yù)處 理過程中通過多條直射通道完成不同衛(wèi)星直射信號的捕獲和跟蹤后，在直射通道和反射通 道中分別計算得到不同衛(wèi)星直射信號和反射信號的相關(guān)功率曲線，再將上述多通道信號數(shù) 據(jù)傳遞給FPGA土壤濕度反演模塊分別計算土壤濕度，最后將獲得的多個土壤濕度取平均 作為最終結(jié)果并輸出。
【專利摘要】本發(fā)明涉及土壤濕度測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于GNSS-R的面域土壤濕度測量裝置，包括機箱，機箱內(nèi)設(shè)置GNSS反射信號接收天線、GNSS直射信號接收天線和GNSS-R土壤濕度測量主機，GNSS-R土壤濕度測量主機通過支架I固定，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，實現(xiàn)信號接收處理、土壤濕度反演和濕度數(shù)據(jù)傳輸一體化。本發(fā)明還提供一種土壤測量方法，采用ICF比值計算法將GNSS反射信號接收天線的覆蓋區(qū)按照不同碼延遲進行分區(qū)，根據(jù)分區(qū)大小將對應(yīng)該區(qū)域的相關(guān)功率進行加權(quán)求和后估算土壤表面反射率，進而算得土壤介電常數(shù)，得到平穩(wěn)、可靠的土壤濕度測量結(jié)果，最后通過3G技術(shù)實時傳輸土壤濕度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)測量結(jié)果的實時觀測。
【IPC分類】G01N33-24, G08C17-02
【公開號】CN104698150
【申請?zhí)枴緾N201410816401
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請人】山東航向電子科技有限公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2014年12月24日