r>[0020] 該土壤濕度數據處理流程主要是再得到測量時間段的直射功率和反射功率，在軟 件處理算的法中利用ICF模型得到衛(wèi)星信號反射面，即土壤表面的反射系數Y，并根據對 應于土壤反射面的介電模型和土壤介電常數與土壤含水量的關系（根據探測土壤中水的 凍結狀態(tài)選擇不同的計算公式）得到土壤反射面介電常數e和土壤濕度值9。
[0021] 所述顯示屏主要是將UM220傳輸的NEM數據進行解調，以星空圖形式顯示當前時 刻的可見星數目、方位角等信息，并將接收機的經緯度、高度等信息進行顯示，在接收到土 壤濕度反演模塊輸出的土壤濕度值后將土壤濕度值按照當前時刻進行實時顯示。
[0022] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0023] -、將直射天線、反射天線、嵌入式系統(tǒng)、顯示器等部分放置于一個裝置內，可直接 在觀測點架設該裝置即可進行土壤濕度反演。
[0024] 二、通過接收處理北斗同步衛(wèi)星的直射信號和經土壤表面散射的反信信號，利用 上位機軟件算法處理反演土壤濕度值和土壤變化趨勢，并可以得到衛(wèi)星與接收機的相關位 置信息。
[0025] 三、由于該儀器進行土壤濕度反演利用的是北斗反射信號，屬于北斗反射信號無 源探測的具體應用，北斗無源探測具有收發(fā)分離和接收信號的非后向散射波的特點。
[0026] 四、由于該儀器接收北斗信號，系統(tǒng)無需大功率發(fā)射機，具有結構簡單、尺寸小等 特點，而且可以晝夜、全天候、全自動工作，可以連續(xù)對反射區(qū)域內的土壤濕度及其變化趨 勢進行反演。
[0027] 五、軟件算法處理中運用兩種土壤介電常數與土壤含水量之間的關系模型進行濕 度反演，有效地避免了反射區(qū)域內由于不同溫度下對土壤（凍結土壤和非凍結土壤）表面 介電常數的影響。
【附圖說明】
[0028] 圖IBD-R土壤濕度反演儀的硬件部分工作流程圖
[0029] 圖2BD-R土壤濕度反演儀的數據處理的軟件流程圖
[0030] 圖3未凍結土壤的介電常數與土壤含水量的關系圖
[0031] 圖4凍結土壤的介電常數與土壤含水量的關系圖
[0032] 其中，圖1中的"A/D"定義為"模擬數字轉換"，"TIC"定義為"高精度時鐘"。
[0033] 其中，圖2中的"ICF"定義為"干涉復數場處理模型"。
【具體實施方式】
[0034] 1、選擇實驗場地，放置本裝置，將反射天線與水平方向夾角調整至45°，進行土壤 濕度探測實驗。圖1為BD-R土壤濕度反演儀的硬件部分工作流程圖。
[0035] 2、參照圖2中數據的軟件處理流程圖，對嵌入式系統(tǒng)中的反射信號處理通道中的 衛(wèi)星號、仰角、時間、反射功率和對應通道中的直射功率進行讀取，在確認直射通道和反射 通道時間一致后，利用ICF模型進行反射系數求解。ICF(InterferometricComplexField) 定義為反射信號復數自相關最大值與直射信號復數自相關最大值比值的時間序列，其定義 式如下：
【主權項】
1. 一種基于北斗同步導航衛(wèi)星的嵌入式±壤濕度實時測量裝置，其特征在于：它是由 北斗反射左旋天線、北斗直射右旋天線、UM220模塊、嵌入式系統(tǒng)和顯示屏組成；北斗反射 左旋天線朝向下放置，北斗直射右旋天線朝向上放置，并分別連接至嵌入式系統(tǒng)和UM200 模塊；嵌入式系統(tǒng)和UM200模塊通過數據線連接至顯示屏，進行相關信息顯示；嵌入式系統(tǒng) 和UM220模塊位于裝置內部，北斗反射左旋天線位于裝置下方，北斗直射右旋天線位于裝 置上方，顯示屏位于裝置上方； 所述北斗直射右旋天線為北斗雙模天線，電壓駐波比為2:1，中也頻率為 1575. 42MHZ-1561MHZ，帶寬+30MHZ，放大器增益3地，天線極性為右旋天線，右旋直射天線 位于裝置的正上方，朝向垂直向上； 所述北斗反射左旋天線為北斗雙模天線，天線中也頻率1575. 42MHZ-1561MHZ，增益 12地，波束角30°，天線極性為左旋天線，該天線置于裝置的正下方，朝向的可調角度即與 水平方向夾角為30°~75° ; 所述UM220模塊為UM220-III N雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，單芯片支持抓2/GI^S功能， 無需外接CPU即可直接輸出NMEA數據，支持單系統(tǒng)獨立定位和多系統(tǒng)聯合定位，通過連接 北斗右旋天線，將解調得到的NEMA數據和定位信息直接輸出至嵌入式系統(tǒng)顯示器模塊W 可見星和接收機的經締度、高度信息顯示； 所述的嵌入式系統(tǒng)包括時基模塊、直射信號處理通道、通訊接口、反射信號處理通道、 射頻模塊、A/D轉換模塊和±壤濕度反演模塊、顯示屏；北斗反射左旋天線和北斗直射右旋 天線分別將反射信號和直射信號傳輸至射頻模塊和A/D轉換模塊，將處理后得到化it的直 射數字信號和反射數字信號分別傳輸至直射信號處理通道和反射信號處理通道，直射信號 處理通道將通道信息通過通訊接口對反射信號處理通道進行通道選擇和延時控制，反射信 號處理通道將環(huán)路控制的信息通過通訊接口傳輸至直射信號處理通道；直射信號相關處理 通道和反射信號相關處理通道分別將直射信號相關功率和反射信號相關功率傳輸至±壤 濕度反演模塊，±壤濕度濕度模塊將其反演得到的數據傳輸至顯示屏； 該時基模塊由高精度溫補晶振和時鐘輸出電路組成，彼此相互連接；通過將高精度溫 補晶振輸出的時鐘信號傳輸至直射信號處理通道、通訊接口和反射信號處理通道模塊，保 證在直射信號和反射信號數據處理和計算時的時鐘同步； 該反射信號處理通道由載波產生模塊、延遲C/A碼產生模塊及相關功率計算模塊組 成，彼此相互連接；載波產生模塊主要是有嵌入式系統(tǒng)輸出的載波控制字需要加或者減指 定間隔的多普勒頻移控制字，共同輸入到反射信號處理通道的累加器中，W實現跟蹤的衛(wèi) 星載波頻率附加上所指定分辨率的多普勒頻移；延遲C/A碼產生模塊主要是在反射通道中 通過反射信號處理通道與直射信號處理通道的通訊接口直接復用相應直射通道產生的C/ A碼，通過移位寄存器來實現反射通道C/A碼的延遲；相關功率計算模塊主要是由每一路相 關通道輸出的1ms I，Q復數相關值經過平方、求和運算再進行累加，在積分清零信號的制 下，得到反射信號二維相關功率值； 該通訊接口是傳輸直射信號處理通道和反射信號處理通道的相關信息，即通道選擇、 載波控制字控制信息； 該直射信號處理通道直射信號處理通道采用傳統(tǒng)的超前-即時-滯后相關通道結構， 計算由每一路相關通道輸出的1ms I，Q復數相關值經過平方、求和運算再進行累加，在積分 清零信號的制下，得到直射信號二維相關功率值； 該射頻模塊是對接收到的直射信號和反射信號進行下變頻處理； 該A/D轉化模塊是對射頻模塊的處理數據和結果進行模數轉換，并將轉換后的數字信 號傳輸給反射信號處理通道和直射信號處理通道進行相關處理； 該±壤濕度反演模塊是利用直射信號相關處理通道和反射信號相關處理通道輸出的 直射信號相關功率值和反射信號相關功率值按照±壤濕度數據處理流程進行±壤濕度計 算，將計算得到的±壤濕度值輸出到顯示器模塊； 所述顯示屏是將UM220傳輸的NEMA數據進行解調，W星空圖形式顯示當前時刻的可見 星數目、方位角信息，并將接收機的經締度、高度信息進行顯示，在接收到±壤濕度反演模 塊輸出的±壤濕度值后將±壤濕度值按照當前時刻進行實時顯示。
【專利摘要】一種基于北斗同步導航衛(wèi)星的嵌入式土壤濕度實時測量裝置，它是由北斗反射左旋天線、北斗直射右旋天線、UM220模塊、嵌入式系統(tǒng)和顯示屏組成；北斗反射左旋天線朝向下放置，北斗直射右旋天線朝向上放置，并分別連接至嵌入式系統(tǒng)和UM200模塊；嵌入式系統(tǒng)和UM200模塊通過數據線連接至顯示屏，進行相關信息顯示；嵌入式系統(tǒng)和UM220模塊位于裝置內部，北斗反射左旋天線位于裝置下方，北斗直射右旋天線位于裝置上方，顯示屏位于裝置上方。本發(fā)明在利用衛(wèi)星導航反射信號遙感探測技術領域里具有較好的應用前景。
【IPC分類】G01N22-04, G01S19-01
【公開號】CN104678404
【申請?zhí)枴緾N201510072506
【發(fā)明人】楊東凱, 高超群, 朱云龍, 趙勇達
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月11日