基于gnss-r的面域土壤湿度测量装置及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及土壤湿度测量技术领域，具体涉及一种基于GNSS-R的面域土壤湿度 测量装置及测量方法。
【背景技术】
[0002] 在基于GNSS-R的土壤湿度测量技术领域中，目前一般通过土壤反射信号与直射 信号的相关功率峰值比完成土壤表面反射率的估计，进而计算土壤介电常数，从而得到土 壤湿度。但是由于反射信号相关功率峰值仅仅代表镜面反射点附近区域反射信号的功率强 度，也就是说得到的土壤湿度值仅能代表反射点附近土壤湿度，并不能体现整个探测区域 的土壤湿度整体水平。
【发明内容】
[0003] 为解决上述技术中的不足，本发明的目的在于：提供一种基于GNSS-R的面域土壤 湿度测量装置，将各模块集成到一个球状机箱内，实现信号接收处理、土壤湿度反演和湿度 数据传输一体化，提供一种土壤湿度测量方法，对大范围内土壤湿度平均水平进行有效测 量，提升了现有算法的测量范围，并实现实时观测。
[0004] 为解决其技术问题，本发明所采取的技术方案为：
[0005]所述基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，包括机箱，机箱内设置GNSS反射信 号接收天线、GNSS直射信号接收天线和GNSS-R 土壤湿度测量主机，机箱朝向地面设置开 口，支架I 一端固定在地面上，另一端竖直插入机箱内部并固定GNSS-R 土壤湿度测量主机， GNSS-R 土壤湿度测量主机顶端固定GNSS直射信号接收天线，GNSS-R 土壤湿度测量主机与 机箱开口之间的支架I上固定支架II，支架II固定GNSS反射信号接收天线，GNSS-R 土壤 湿度测量主机包含顺次连接的射频前端、中频信号采集模块、FPGA采样信号预处理模块、 FPGA 土壤湿度反演模块和网络模块，电源模块为前述GNSS-R 土壤湿度测量主机的五个模 块供电，电源模块电源线通过开口延伸至机箱外部。
[0006]本发明核心技术在于GNSS-R遥感技术，将GNSS反射信号接收天线、GNSS直射信 号接收天线和GNSS-R 土壤湿度测量主机共同集成在一个机箱内，实现信号接收处理、土壤 湿度反演和所测湿度数据传输的一体化。在GNSS直射信号接收天线接收导航卫星直射信 号的同时，GNSS反射信号接收天线接收地球表面的反射信号，并抑制大部分与传输路径不 相关的多径信号；然后射频前端分别对直射信号和反射信号进行下变频，将变频得到的两 路模拟中频信号输入到中频信号采集模块；中频信号采集模块对两路中频信号进行采样和 量化，得到两路数字中频信号；数字中频信号输入到FPGA采样信号预处理模块进行预处 理后传输给FPGA 土壤湿度反演模块，通过FPGA 土壤湿度反演模块求解面域土壤湿度；最后 所述网络模块采将结果传送至用户终端，实现实时观测。
[0007] 其中，优选方案为：
[0008] 所述机箱为球形，外形美观、防水并且不会对信号造成很大的衰减。
[0009] 所述支架I设为空心结构，电源模块电源线穿过过支架I空心与外部电源相连接， 一方面，支架I可以将电源线与外界隔绝，延长其使用寿命，另一方面，支架I可以对电源线 进行固定，防止其流窜。
[0010] 所述GNSS-R土壤湿度测量主机对应网络模块设置网口，可以外接网线，进行数据 传输。
[0011] 所述GNSS-R土壤湿度测量主机设有外壳，各模块设置在外壳内部，GNSS直射信号 接收天线固定在外壳顶端，网口嵌入在外壳上，将GNSS-R土壤湿度测量主机各模块进行集 成，位置固定，不会在机箱内随便流窜。
[0012] 所述网络模块采用3G模块，3G模块属于现阶段非常成熟的通信模块，应用普遍， 覆盖范围广，适用性强。
[0013] 所述GNSS直射信号接收天线安置方式为水平放置，天线方向图的轴线垂直于水 平面，其主瓣最大增益方向朝向天顶；在GNSS反射信号接收天线波束角为0时，所述GNSS 反射信号接收天线的安置方式为朝向地面，其主瓣最大增益方向与水平面的夹角在#到 90°之间。
[0014] 本发明还提供一种上述基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置的测量方法，包括 以下步骤：
[0015] 第一步，GNSS直射信号与反射信号分别通过GNSS直射信号接收天线和GNSS反射 信号接收天线接收，抑制大部分与传输路径不相关的多径信号；
[0016] 第二步，射频前端分别对直射信号和反射信号进行下变频，得到分别对应直射信 号和反射信号的两路模拟中频信号；
[0017] 第三步，中频信号采集模块对两路模拟中频信号进行采样和量化，得到两路数字 中频信号；
[0018] 第四步，分别对应直射信号和反射信号的两路数字中频信号输入到FPGA采样信 号预处理模块进行预处理，利用直射信号和本地复现信号的相关函数计算得到直射信号的 相关功率值；利用接收到的反射信号和本地复现信号的相关函数计算得到GNSS反射信号 的相关功率值，由多个不同时刻的相关功率值构成相关功率曲线；
[0019] 这里的相关功率是相关函数的值，具体如下：
[0020] 在GNSS信号处理中，任意h时刻的本地PRN码复制码a (t J与t时刻接收到 的直射信号UD (t# T )的时延一维相关函数定义为：
[0021]
【主权项】
1. 一种基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，包括机箱（1)，机箱内设 置GNSS反射信号接收天线（2)、GNSS直射信号接收天线（3)和GNSS-R土壤湿度测量主机 (4)，机箱（1)朝向地面设置开口，支架1(5) -端固定在地面上，另一端竖直插入机箱（1) 内部并固定GNSS-R土壤湿度测量主机（4)，GNSS-R土壤湿度测量主机（4)顶端固定GNSS 直射信号接收天线（3)，GNSS-R土壤湿度测量主机（4)与机箱（1)开口之间的支架1(5)上 固定支架II(6)，支架II(6)固定GNSS反射信号接收天线（2)，GNSS-R土壤湿度测量主机 (4)包含顺次连接的射频前端、中频信号采集模块、FPGA采样信号预处理模块、FPGA土壤湿 度反演模块和网络模块，电源模块为前述GNSS-R土壤湿度测量主机（4)的五个模块供电， 电源模块电源线（7)通过开口延伸至机箱（1)外部。
2. 根据权利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所述机 箱⑴为球形。
3. 根据权利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所述支 架1(5)设为空心结构，电源模块电源线（7)穿过支架1(5)空心与外部电源相连接。
4. 根据权利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所述 GNSS-R土壤湿度测量主机（4)对应网络模块设置网口。
5. 根据权利要求1或4所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所 述GNSS-R土壤湿度测量主机（4)设有外壳，各模块设置在外壳内部，GNSS直射信号接收天 线（3)固定在外壳顶端，网口嵌入在外壳上。
6. 根据权利要求1或4所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所 述网络模块采用3G模块。
7. 根据权利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所述 GNSS直射信号接收天线（3)安置方式为水平放置，其主瓣最大辐射方向朝向天顶；在GNSS 反射信号接收天线（2)波束角为0时，所述GNSS反射信号接收天线（2)的安置方式为朝 向地面，其主瓣最大增益方向与水平面的夹角在f到90°之间。
8. -种如权利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置的测量方法，其特征 在于，包括以下步骤： 第一步，GNSS直射信号与反射信号分别通过GNSS直射信号接收天线（3)和GNSS反射 信号接收天线（2)接收，抑制大部分与传输路径不相关的多径信号； 第二步，射频前端分别对直射信号和反射信号进行下变频，得到分别对应直射信号和 反射信号的两路模拟中频信号； 第三步，中频信号采集模块对两路模拟中频信号进行采样和量化，得到两路数字中频 信号； 第四步，分别对应直射信号和反射信号的两路数字中频信号输入到FPGA采样信号预 处理模块进行预处理，利用直射信号和本地复现信号的相关函数计算得到直射信号的相关 功率值；利用接收到的反射信号和本地复现信号的相关函数计算得到GNSS反射信号的相 关功率值，由多个不同时刻的相关功率值构成相关功率曲线； 第五步，将GNSS直射信号和GNSS反射信号的相关功率曲线传输至FPGA土壤湿度反演 模块，利用ICF比值计算法求解面域土壤湿度； 第六步，通过网络模块将求得的面域土壤湿度传送至用户终端。
9. 根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述ICF比值计算法包括以下步骤： 第一步，根据GNSS反射信号接收天线（2)的架设高度、卫星位置和天线波束角估算天 线覆盖区位置和面积，并估算反射信号相对于镜面反射点的最大延迟时间△ 第二步，对接收到反射信号相关功率曲线上由峰值对应的延迟时刻Tmin到反射信号 最大延迟时刻T_+△T _之间各采样点的相关功率值进行加权求和得到平均反射相关功 率，各采样点相关功率的加权系数与该采样点码延迟对应的反射区面积相对应； 第三步，利用平均反射相关功率与直射信号相关功率峰值比值作为反射率，根据反射 天线极化方式确定的反射率与介电常数之间的关系得到土壤介电常数，再利用土壤介电常 数与土壤湿度之间的映射关系求得土壤湿度。
10. 根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述FPGA采样信号预处理模块预处 理过程中通过多条直射通道完成不同卫星直射信号的捕获和跟踪后，在直射通道和反射通 道中分别计算得到不同卫星直射信号和反射信号的相关功率曲线，再将上述多通道信号数 据传递给FPGA土壤湿度反演模块分别计算土壤湿度，最后将获得的多个土壤湿度取平均 作为最终结果并输出。
【专利摘要】本发明涉及土壤湿度测量技术领域，具体涉及一种基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，包括机箱，机箱内设置GNSS反射信号接收天线、GNSS直射信号接收天线和GNSS-R土壤湿度测量主机，GNSS-R土壤湿度测量主机通过支架I固定，结构紧凑，使用方便，实现信号接收处理、土壤湿度反演和湿度数据传输一体化。本发明还提供一种土壤测量方法，采用ICF比值计算法将GNSS反射信号接收天线的覆盖区按照不同码延迟进行分区，根据分区大小将对应该区域的相关功率进行加权求和后估算土壤表面反射率，进而算得土壤介电常数，得到平稳、可靠的土壤湿度测量结果，最后通过3G技术实时传输土壤湿度数据，实现测量结果的实时观测。
【IPC分类】G01N33-24, G08C17-02
【公开号】CN104698150
【申请号】CN201410816401
【发明人】不公告发明人
【申请人】山东航向电子科技有限公司
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2014年12月24日