一種基于gps反射信號的土壤濕度標(biāo)定測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于GPS反射信號的土壤濕度標(biāo)定測量方法，該方法利用GPS反 射信號土壤濕度測量儀存儲(chǔ)的反射功率值直接反演土壤濕度的標(biāo)定測量模型，屬于利用導(dǎo) 航衛(wèi)星反射信號反演探測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] GPS-R 土壤濕度反演是利用衛(wèi)星信號進(jìn)行地球表面植被遙感方向的具體應(yīng)用，是 一種被動(dòng)式雙基或多基遙感技術(shù)。從電磁波傳播基本理論角度看，該反射信號中攜帶著反 射面的特性信息，反射信號波形的變化、極化特征的變化，幅值、相位和頻率等參量的變化 都直接反映了反射面的物理特性，或者說直接與反射面相關(guān)。對于反射信號的精確估計(jì)和 接收處理，則可以實(shí)現(xiàn)對反射面物理特性的估計(jì)與反演，這是利用GPS反射信號進(jìn)行土壤 濕度反演的理論依據(jù)。
[0003] 目前利用GPS-R進(jìn)行土壤濕度反演的常用方法是通過直射右旋天線和反射左旋 天線分別接收直射信號和反射信號，并將對應(yīng)時(shí)刻的直射信號和反射信號功率值進(jìn)行提 取，利用ICF模型計(jì)算得出反射系數(shù)，結(jié)合相應(yīng)的介電模型和土壤濕度和介電常數(shù)之間的 關(guān)系得到土壤介電常數(shù)和土壤濕度值。由于介電模型是理論值，利用反射系數(shù)得到介電常 數(shù)與實(shí)際值會(huì)有差異，且不考慮不同溫度下的土壤含水量對介電常數(shù)的影響。另外在利用 土壤濕度和介電常數(shù)之間的關(guān)系中計(jì)算土壤濕度過程中利用的是經(jīng)驗(yàn)公式，在實(shí)際中則土 壤濕度和介電常數(shù)之間的關(guān)系與經(jīng)驗(yàn)公式也有很大差異，這些因素的存在對利用GPS-R進(jìn) 行土壤濕度反演的結(jié)果均會(huì)有很大的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于：提供一種基于GPS反射信號的土壤濕度標(biāo)定測量方法，該方 法提高利用GPS反射信號進(jìn)行土壤濕度值和土壤濕度變化趨勢反演的精度，避免傳統(tǒng)土壤 濕度測量方法在土壤濕度反演過程中由于利用理論公式和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投玫酵寥罎穸戎档?計(jì)算過程中不同類型誤差對實(shí)際土壤濕度值的影響，該理論模型直接使用接收到發(fā)射信號 功率信息通過標(biāo)定即可達(dá)到對探測區(qū)域內(nèi)土壤濕度值的測量和土壤濕度變化趨勢的反演 目的。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 該測量方法主要是利用GPS反射信號接收機(jī)按照設(shè)計(jì)流程將不同的直射天線和 反射天線指向區(qū)域特定的土壤濕度進(jìn)行反演，根據(jù)反射信號接收機(jī)的輸出相關(guān)功率結(jié)果進(jìn) 行線性標(biāo)定。
[0007] 所述的GPS反射信號接收機(jī)由雙射頻前端、高速A/D變換器、FPGA專用相關(guān)器、 DSP數(shù)字信號處理器、UART控制接口和USB控制接口等組成。它們之間的關(guān)系是：其中雙 射頻前端中的片內(nèi)鎖相環(huán)產(chǎn)生2456MHz本振信號，與接收到的1575. 42MHz信號混頻后產(chǎn)生 880. 58MHz的信號；該信號與927MHz的本振信號混頻產(chǎn)生46. 42MHz的模擬中頻信號。同 時(shí)該模塊集成IOMHz的溫補(bǔ)晶振，為后端數(shù)字化電路提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，其參考頻率穩(wěn)定度為 ±5X10-7,與信號處理后端采用SMA接口連接，并實(shí)現(xiàn)物理屏蔽隔離，有效的降低高頻模 擬與數(shù)字電路之間的干擾和噪聲，使信號質(zhì)量得到進(jìn)一步的優(yōu)化。
[0008] 其中高速A/D變換器主要是將雙射頻前端模塊的處理數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號傳輸至后端的FPGA模塊和DSP模塊進(jìn)行直射相關(guān)通道和反射信號相 關(guān)通道的相關(guān)功率計(jì)算。
[0009] 其中FPGA專用相關(guān)器主要功能包括直射信號處理和反射信號處理兩部分，直射 信號處理通道采用傳統(tǒng)的超前-即時(shí)-滯后相關(guān)通道結(jié)構(gòu)，通過與DSP的配合完成碼和載 波跟蹤，得到導(dǎo)航定位解。反射信號處理通道根據(jù)DSP的配置信息（包括反射信號碼延遲 估計(jì)值、多普勒估計(jì)值以及相應(yīng)的控制信息）對反射信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到碼延遲-多普 勒二維復(fù)數(shù)相關(guān)值，這些復(fù)數(shù)相關(guān)值通過USB接口上傳至上位機(jī)中。同時(shí)相關(guān)值經(jīng)過Is非 相干累加形成二維相關(guān)功率值，與直射信號處理結(jié)果通過UART控制接口上傳至上位機(jī)中。 [0010] 其中DSP數(shù)字信號處理器主要完成GNSS衛(wèi)星直射信號的快速捕獲和跟蹤，并利用 直射信號提供的信息求解導(dǎo)航定位結(jié)果，對反射信號的處理方式進(jìn)行模式配置。
[0011] 其中UART控制接口中串口 1上傳定位后的經(jīng)度、煒度和高度等導(dǎo)航信息，12個(gè)通 道的衛(wèi)星號、信噪比、方位角和高度角等衛(wèi)星狀態(tài)信息；串口 2上傳反射信號相關(guān)功率數(shù)值 和對應(yīng)的直射衛(wèi)星信號的相關(guān)功率數(shù)值。
[0012] 其中USB控制接口實(shí)現(xiàn)直射信號與反射信號的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，由FPGA 芯片與USB芯片共同完成，主要功能包括A/D量化數(shù)據(jù)的譯碼、打包、數(shù)據(jù)緩沖、時(shí)序控制 等。
[0013] 所述的直射天線（直射天線為接收GPS直射信號）為右旋天線，天線的中心頻率 為1575. 42MHz，增益為3dB，駐波比為2:1，波束角30°。
[0014] 所述的反射天線（反射天線為GPS經(jīng)過反射面散射后的衛(wèi)星信號）為四陣列高增 益左旋天線，天線中心頻率1575. 42MHz，增益12dB，波束角30°。
[0015] 本發(fā)明一種基于GPS反射信號的土壤濕度標(biāo)定測量方法，該方法具體步驟如下：
[0016] 步驟1 :搭建線性標(biāo)定的測量設(shè)備。將接收直射天線置于天線加上垂直向上放置， 將反射天線置于直射天線下方IOCM處、與水平面成45°朝下放置，其中反射天線指向區(qū)域 為已知土壤濕度值的反射區(qū)域。
[0017] 步驟2 :射頻模塊將直射天線和反射天線的采集信號進(jìn)行變頻和降噪處理，按照 直射通道和反射通道分別將高頻信號轉(zhuǎn)為中頻信號。
[0018] 步驟3 :A/D量化模塊將射頻模塊的處理信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號 傳輸至FPGA專用相關(guān)器和DSP數(shù)字信號處理器，分別在直射信號相關(guān)通道和反射信號相關(guān) 通道對轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號進(jìn)行相關(guān)處理，分別得到直射信號相關(guān)功率值和反射信號相關(guān)功 率值。
[0019] 其中直射信號相關(guān)功率值和反射信號相關(guān)功率值是通過直射信號相關(guān)處理通道 和反射信號相關(guān)處理通道，在直射信號和反射信號的每一路相關(guān)通道輸出的Ims I，Q(I代 表同相信號，Q代表正交信號）復(fù)數(shù)相關(guān)值經(jīng)過平方、求和運(yùn)算后再進(jìn)行累加，在積分清零 信號（如Is周期）的制下，得到直射信號和反射信號二維相關(guān)功率值。
[0020] 步驟4 :將反射信號接收機(jī)直射信號相關(guān)功率值、反射信號相關(guān)功率值、FPGA專用 相關(guān)器和DSP數(shù)字信號處理器處理的其他信息傳輸至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。對反射信號相關(guān)通 道的信息進(jìn)行衛(wèi)星PRN提取（衛(wèi)星PRN達(dá)標(biāo)的是衛(wèi)星編號，此處進(jìn)行不同的衛(wèi)星PRN提取 的原因是不同衛(wèi)星在達(dá)到測量區(qū)域內(nèi)的信號功率大小不同），按照不同的PRN號進(jìn)行對應(yīng) 的反射信號相關(guān)功率值存儲(chǔ)，建立數(shù)據(jù)庫。
[0021] 步驟5 :按照上述步驟分將反射天線指向土壤濕度值為100、75、50、25、0等五個(gè)典 型值進(jìn)行反演數(shù)據(jù)測量，并按照不同的衛(wèi)星PRN存儲(chǔ)。
[0022] 步驟6 :根據(jù)步驟5中測量的五個(gè)典型值中不同衛(wèi)星PRN存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫，按照每一顆 衛(wèi)星