[發明專利]高精度信噪比擬合模型及基于該模型的土壤濕度反演方法

在審

• 申請號: 202010174865.5
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111337548A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 楊東凱;漢牟田;常海寧;王友權
• 申請（專利權）人: 山東航向電子科技有限公司
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;G01N22/04
• 代理公司: 青島發思特專利商標代理有限公司 37212
• 代理人: 丁鵬鵬

本發明公開一種高精度信噪比擬合模型及基于該模型的土壤濕度反演方法，屬于土壤濕度測量技術領域，基于GNSS?IR技術來實現高精度信噪比擬合模型，該模型對直射信號功率與反射信號功率的變化進行建模，將模型中的其他與土壤濕度有關的特征參量全部使用擬合參數進行替換，最后為模型加上約束條件得到關于信噪比數據的高精度擬合模型，該模型僅需一步擬合即可得到所有特征參量，利用該模型對接收機信噪比數據進行直接擬合，建立擬合參數與土壤濕度之間的反演模型進行土壤濕度反演，不需要事先對信噪比數據進行去趨勢項操作，實現了對信噪比數據的直接、高精度擬合建模，提高了土壤濕度反演的靈活性；解決了現有技術中出現的問題。

技術領域

本發明涉及一種高精度信噪比擬合模型及基于該模型的土壤濕度反演方法，屬于土壤濕度測量技術領域。

背景技術

土壤濕度是研究地球水循環的重要參數，準確、連續的監測土壤濕度變化對于研究局部氣象條件變化、調整農業生產、防災減災具有重要意義。目前的土壤濕度測量技術主要分為兩類，一類為接觸式土壤濕度測量方法，一類為非接觸式土壤濕度測量方法。接觸式測量方法需將土壤濕度傳感器填埋到土壤中，填埋過程容易破壞土壤結構，且該測量方法只能測量傳感器周圍幾厘米范圍內的土壤濕度，屬于點測量，由于土壤濕度在空間中的具有較高的異質性，不同點處的測量結果可能相差較大，因此測量結果的代表性較差。而遙感方法是利用土壤自身的微波輻射或者經土壤表面散射的微波信號進行非接觸式大面積土壤濕度測量的方法。近年來隨著全球衛星導航系統的發展，人們提出利用經土壤散射的衛星導航信號進行遙感的技術，該技術被稱為GNSS-R技術。與傳統主動微波遙感器自發自收的工作方式不同，GNSS-R技術中信號的發射與散射信號的接收是分離的，其中微波發射器導航衛星，接收器為位于地面或者搭載于其他飛行器平臺的GNSS-R接收機，發射器與接收器的距離較遠，因此該技術主要利用了衛星導航信號的前向散射信號進行遙感。

GNSS-R技術按工作模式可分為協同模式(也即常規模式，conventional GNSS-R,簡稱cGNSS-R)與干涉模式(GNSS-Interferometric Reflectometry,簡稱GNSS-IR)。GNSS-R干涉模式進行土壤濕度測量主要利用GNSS接收機記錄的信噪比數據呈類正弦函數變化的特征。研究表明，信噪比數據的類正弦函數變化正是由于衛星運動導致的直反射信號干涉強度的周期性變化導致的，這種信噪比數據隨時間變化產生的圖樣被稱為干涉圖樣。利用不同的極化的天線接收干涉信號可以得到不同的干涉圖樣。

如專利公開號為：CN101900692A，公開的一種大面積土壤濕度測量方法涉及一種利用垂直線極化天線接收干涉信號的土壤濕度測量方法，這種方法利用信噪比數據中“峰值點的最小值和谷值點的最大值搜索拐點”，拐點位置與土壤濕度有關，據此可以反演土壤濕度。但這種方法使用線極化天線改變了GNSS接收機的常規硬件配置，難以廣泛使用。專利公開號為：CN101900692A，公開的一種基于北斗基準站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法，涉及一種常規接收機硬件配置—使用右旋圓極化天線接收干涉信號用于測量土壤濕度的方法。該方法首先對信噪比進行去趨勢項等預處理操作，然后使用標準正弦函數擬合模型與去趨勢項后的干涉圖樣進行擬合，得到信噪比振蕩的初始相位，并建立初始相位與土壤濕度間的經驗模型進行土壤濕度測量。然而該技術使用的幅度恒定的標準正弦函數模型對于實際的信噪比建模而言，其精度較低，因為實際信噪比的振蕩幅度不是恒定的，而且其通過兩次獨立的擬合對信噪比進行建模的方法，無法準確的描述直反射信號間的耦合效應，無法對直反射信號間的耦合效應進行建模。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高精度信噪比擬合模型及基于該模型的土壤濕度反演方法，利用該模型對接收機信噪比數據進行直接擬合，然后建立擬合參數與土壤濕度之間進行土壤濕度反演，解決了現有技術中出現的問題。

本發明所述的高精度信噪比擬合模型，包括：