一种基于gps反射信号的土壤湿度标定测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于GPS反射信号的土壤湿度标定测量方法，该方法利用GPS反 射信号土壤湿度测量仪存储的反射功率值直接反演土壤湿度的标定测量模型，属于利用导 航卫星反射信号反演探测技术领域。
【背景技术】
[0002] GPS-R 土壤湿度反演是利用卫星信号进行地球表面植被遥感方向的具体应用，是 一种被动式双基或多基遥感技术。从电磁波传播基本理论角度看，该反射信号中携带着反 射面的特性信息，反射信号波形的变化、极化特征的变化，幅值、相位和频率等参量的变化 都直接反映了反射面的物理特性，或者说直接与反射面相关。对于反射信号的精确估计和 接收处理，则可以实现对反射面物理特性的估计与反演，这是利用GPS反射信号进行土壤 湿度反演的理论依据。
[0003] 目前利用GPS-R进行土壤湿度反演的常用方法是通过直射右旋天线和反射左旋 天线分别接收直射信号和反射信号，并将对应时刻的直射信号和反射信号功率值进行提 取，利用ICF模型计算得出反射系数，结合相应的介电模型和土壤湿度和介电常数之间的 关系得到土壤介电常数和土壤湿度值。由于介电模型是理论值，利用反射系数得到介电常 数与实际值会有差异，且不考虑不同温度下的土壤含水量对介电常数的影响。另外在利用 土壤湿度和介电常数之间的关系中计算土壤湿度过程中利用的是经验公式，在实际中则土 壤湿度和介电常数之间的关系与经验公式也有很大差异，这些因素的存在对利用GPS-R进 行土壤湿度反演的结果均会有很大的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于：提供一种基于GPS反射信号的土壤湿度标定测量方法，该方 法提高利用GPS反射信号进行土壤湿度值和土壤湿度变化趋势反演的精度，避免传统土壤 湿度测量方法在土壤湿度反演过程中由于利用理论公式和经验模型而得到土壤湿度值的 计算过程中不同类型误差对实际土壤湿度值的影响，该理论模型直接使用接收到发射信号 功率信息通过标定即可达到对探测区域内土壤湿度值的测量和土壤湿度变化趋势的反演 目的。
[0005] 本发明的技术方案是：
[0006] 该测量方法主要是利用GPS反射信号接收机按照设计流程将不同的直射天线和 反射天线指向区域特定的土壤湿度进行反演，根据反射信号接收机的输出相关功率结果进 行线性标定。
[0007] 所述的GPS反射信号接收机由双射频前端、高速A/D变换器、FPGA专用相关器、 DSP数字信号处理器、UART控制接口和USB控制接口等组成。它们之间的关系是：其中双 射频前端中的片内锁相环产生2456MHz本振信号，与接收到的1575. 42MHz信号混频后产生 880. 58MHz的信号；该信号与927MHz的本振信号混频产生46. 42MHz的模拟中频信号。同 时该模块集成IOMHz的温补晶振，为后端数字化电路提供基准时钟，其参考频率稳定度为 ±5X10-7,与信号处理后端采用SMA接口连接，并实现物理屏蔽隔离，有效的降低高频模 拟与数字电路之间的干扰和噪声，使信号质量得到进一步的优化。
[0008] 其中高速A/D变换器主要是将双射频前端模块的处理数据和结果进行模数转换， 将转化后的数字信号传输至后端的FPGA模块和DSP模块进行直射相关通道和反射信号相 关通道的相关功率计算。
[0009] 其中FPGA专用相关器主要功能包括直射信号处理和反射信号处理两部分，直射 信号处理通道采用传统的超前-即时-滞后相关通道结构，通过与DSP的配合完成码和载 波跟踪，得到导航定位解。反射信号处理通道根据DSP的配置信息（包括反射信号码延迟 估计值、多普勒估计值以及相应的控制信息）对反射信号进行相关运算，得到码延迟-多普 勒二维复数相关值，这些复数相关值通过USB接口上传至上位机中。同时相关值经过Is非 相干累加形成二维相关功率值，与直射信号处理结果通过UART控制接口上传至上位机中。 [0010] 其中DSP数字信号处理器主要完成GNSS卫星直射信号的快速捕获和跟踪，并利用 直射信号提供的信息求解导航定位结果，对反射信号的处理方式进行模式配置。
[0011] 其中UART控制接口中串口 1上传定位后的经度、炜度和高度等导航信息，12个通 道的卫星号、信噪比、方位角和高度角等卫星状态信息；串口 2上传反射信号相关功率数值 和对应的直射卫星信号的相关功率数值。
[0012] 其中USB控制接口实现直射信号与反射信号的数字中频数据采集与存储，由FPGA 芯片与USB芯片共同完成，主要功能包括A/D量化数据的译码、打包、数据缓冲、时序控制 等。
[0013] 所述的直射天线（直射天线为接收GPS直射信号）为右旋天线，天线的中心频率 为1575. 42MHz，增益为3dB，驻波比为2:1，波束角30°。
[0014] 所述的反射天线（反射天线为GPS经过反射面散射后的卫星信号）为四阵列高增 益左旋天线，天线中心频率1575. 42MHz，增益12dB，波束角30°。
[0015] 本发明一种基于GPS反射信号的土壤湿度标定测量方法，该方法具体步骤如下：
[0016] 步骤1 :搭建线性标定的测量设备。将接收直射天线置于天线加上垂直向上放置， 将反射天线置于直射天线下方IOCM处、与水平面成45°朝下放置，其中反射天线指向区域 为已知土壤湿度值的反射区域。
[0017] 步骤2 :射频模块将直射天线和反射天线的采集信号进行变频和降噪处理，按照 直射通道和反射通道分别将高频信号转为中频信号。
[0018] 步骤3 :A/D量化模块将射频模块的处理信号进行模数转化，将转化后的数字信号 传输至FPGA专用相关器和DSP数字信号处理器，分别在直射信号相关通道和反射信号相关 通道对转化后的数字信号进行相关处理，分别得到直射信号相关功率值和反射信号相关功 率值。
[0019] 其中直射信号相关功率值和反射信号相关功率值是通过直射信号相关处理通道 和反射信号相关处理通道，在直射信号和反射信号的每一路相关通道输出的Ims I，Q(I代 表同相信号，Q代表正交信号）复数相关值经过平方、求和运算后再进行累加，在积分清零 信号（如Is周期）的制下，得到直射信号和反射信号二维相关功率值。
[0020] 步骤4 :将反射信号接收机直射信号相关功率值、反射信号相关功率值、FPGA专用 相关器和DSP数字信号处理器处理的其他信息传输至上位机进行存储。对反射信号相关通 道的信息进行卫星PRN提取（卫星PRN达标的是卫星编号，此处进行不同的卫星PRN提取 的原因是不同卫星在达到测量区域内的信号功率大小不同），按照不同的PRN号进行对应 的反射信号相关功率值存储，建立数据库。
[0021] 步骤5 :按照上述步骤分将反射天线指向土壤湿度值为100、75、50、25、0等五个典 型值进行反演数据测量，并按照不同的卫星PRN存储。
[0022] 步骤6 :根据步骤5中测量的五个典型值中不同卫星PRN存储数据库，按照每一颗 卫星