[發明專利]雙線極化天線GNSS土壤濕度測量方法

在審

• 申請號: 202010174918.3
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111337551A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 楊東凱;漢牟田;常海寧
• 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: 程強強

1.一種雙線極化天線GNSS土壤濕度測量方法，其特征在于,包含以下步驟：

步驟1：GNSS信號接收處理,設置好雙線極化天線GNSS信號接收機，GNSS信號接收機的垂直極化天線和水平極化天線分別接收到GNSS直射信號和反射信號形成的干涉信號，記為u_V和u_H；

步驟2：雙線極化天線接收信號相位差提取，計算步驟1得到的u_H和u_V的相位，提取u_H和u_V的相位差；

步驟3：土壤濕度反演，利用步驟2得到的雙線極化天線接收信號的相位差，對土壤濕度進行反演。

2.根據權利要求1所述的雙線極化天線GNSS土壤濕度測量方法，其特征在于，所述雙線極化天線GNSS信號接收機為地基GNSS信號接收機，具有垂直極化和水平極化兩副天線，均可以接收直射信號和反射信號形成的干涉信號。

3.根據權利要求1所述的雙線極化天線GNSS土壤濕度測量方法，其特征在于，步驟2的具體實施方式如下：

對于水平或垂直極化天線，其接收到的干涉信號的功率用下式表示：

上式中，F_n(θ_elev)表示天線方向圖；表示入射電場幅度；|R_q(θ_elev，∈_r)|表示在極化方向為q(垂直或水平)的菲涅爾反射系數的模值；表示由于直射信號和反射信號路徑差造成的相位差；其中，h為接收天線的高度，φ_Rq(θ_elev，∈_r)表示極化方向為q的菲涅爾反射系數的相位，∈_r為土壤表面的相對介電常數；

水平或垂直極化天線接收到的最大功率和最小功率分別為：

當天線高于3米時，干涉信號相鄰的兩個極值點之間的距離小于1°，可以忽略不計，因此菲涅爾反射系數可用下式來估計：

由上式可知，菲涅爾反射系數與衛星高度角和土壤介電常數均有關系，通過得到的菲涅爾反射系數以及衛星高度角可以得到鏡面反射點的介電常數，而通過介電常數即可反演出該點的土壤濕度，由于GNSS衛星時刻在運動，鏡面反射點也會變化，由此，可以對一片區域內的多個不同地點進行土壤濕度的估計；

根據上述分析可知，在垂直極化天線和水平極化天線接收到的干涉信號中，極大值點的幅度值為1+|R_q(θ_elev，∈_r)|，出現在Δφ+φ_Rq(θ_elev，∈_r)＝2kπ時；極小值點的幅度值為1-|R_q(θ_elev，∈_r)|，出現在Δφ+φ_Rq(θ_elev，∈_r)＝(2k+1)π時；

為了計算水平或垂直極化方向天線接收到的IPT的相位差，首先應該分別計算u_V和u_H的相位，可以統一選擇每一個極化方向的第一個極大值點或第一個極小值點作為參考相位點，相鄰的極大值和極小值之間的相位差為π，兩極值點之間的各點相位可視為依高度角線性均勻增加，這樣就得到了u_V和u_H的相位與高度角之間的關系，記為φ_V和φ_H，記φ_HV＝φ_H-φ_V為u_H與u_V的相位差，對其進行相位解纏操作，使φ_HV落在[0，2π)內，至此，完成雙極化天線相位差提取。

4.根據權利要求1所述的雙線極化天線GNSS土壤濕度測量方法，其特征在于，

步驟3的具體實施方式如下：

對于步驟2得到的雙線極化天線接收信號相位差φ_HV，觀測到φ_HV由一較小值逐漸增大的過程，φ_HV剛好等于90°的時候，其對應的衛星高度角θ_elev即為布儒斯特角θ_B，如φ_HV有多次等于90°，則應將其對應的幾個衛星高度角求平均值，記為布儒斯特角θ_B，

布儒斯特角θ_B與土壤表面相對介電常數∈_r的關系如下：

利用上式可通過布儒斯特角θ_B得到土壤表面相對介電常數∈_r，通過∈_r反演得到土壤濕度；

土壤濕度與土壤介電常數的三次經驗公式為：

ω_v＝-5.3×10^-2+2.92×10^-2∈-5.5×10^-4∈²+4.3×10^-6∈³#(6)

上式中，ω_利為土壤濕度，∈為土壤介電常數。根據上式，可由相對介電常數反演出土壤濕度。