[發(fā)明專利]信號重建方法及基于該方法的土壤濕度干涉測量方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202010175189.3
• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111337552A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊東凱;漢牟田;常海寧;王友權(quán)
• 申請（專利權(quán)）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(fā)思特專利商標代理有限公司 37212
• 代理人: 丁鵬鵬

本發(fā)明公開一種信號重建方法及基于該方法的土壤濕度干涉測量方法，屬于土壤濕度測量技術(shù)領(lǐng)域，該方法通過從全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)信噪比數(shù)據(jù)中重建出直射信號與土壤反射信號，利用GNSS?IR技術(shù)，對現(xiàn)有技術(shù)中被舍棄的信噪比趨勢項進行了再利用，充分地發(fā)掘了信噪比數(shù)據(jù)中所含有的信息，實現(xiàn)了從信噪比數(shù)據(jù)中重建出參與干涉的直射與反射信號，從而能夠讓理論模型用于土壤濕度反演，極大的降低了反演方法對環(huán)境的依賴性，解決了現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種信號重建方法及基于該方法的土壤濕度干涉測量方法，屬于土壤濕度測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

土壤水分是氣候系統(tǒng)的一個關(guān)鍵變量，在自然地理的各個子領(lǐng)域中起著重要作用。土壤濕度測量是氣候、天氣、含水層補給、自然災(zāi)害(如洪水)等研究的關(guān)鍵組成部分。在農(nóng)業(yè)上，實時分析土壤含水量將使農(nóng)民能夠優(yōu)化其地塊的管理(耕作、處理、灌溉等)。然而傳統(tǒng)探針式傳感器的土壤濕度測量結(jié)果僅能夠代表探針周圍幾厘米范圍內(nèi)的土壤濕度，因此如果要監(jiān)測一個較大地塊的土壤濕度在操作上是不現(xiàn)實的。隨著遙感技術(shù)的出現(xiàn)，土壤水分可以在全球范圍內(nèi)得到系統(tǒng)的監(jiān)測，但其時間分辨率很低。再后來隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)利用土壤對導航信號的反射也可用于測量濕度，同時由于衛(wèi)星導航系統(tǒng)工作于L波段，其信號穿透能力強，受大氣影響小，能夠穿透稀疏植被，從而能夠?qū)崿F(xiàn)全天候全天時的測量。這一技術(shù)被稱為GNSS-Reflectometry(GNSS-R)。

常規(guī)的GNSS-R技術(shù)，需使用特殊設(shè)計的天線與接收機接收處理反射信號，同時直射信號與反射信號的處理是分別進行的，因此其硬件實現(xiàn)復雜、數(shù)據(jù)量大導致較高的成本。近些年來國外學者研究發(fā)現(xiàn)，通用商業(yè)GNSS接收機也能用于土壤濕度測量，其利用的是直射信號與土壤反射信號間的干涉效應(yīng)，這一干涉效應(yīng)導致GNSS接收機測量的信噪比數(shù)據(jù)呈現(xiàn)周期性變化，形成干涉圖樣，土壤濕度變化引起反射信號變化進而影響干涉圖樣的變化。通過從信噪比數(shù)據(jù)中提取用于刻畫干涉圖樣變化的特征參量并建立這些特征參量(如頻率、幅度和相位)與土壤濕度間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛣t可以測量土壤濕度。

專利公開號為：CN104020180B，公開了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，記載了一種特征參量提取方法與土壤濕度反演方法，該方法首先使用一個低階多項式模型對SNR數(shù)據(jù)進行擬合以剔除SNR數(shù)據(jù)的趨勢項，然后使用正弦函數(shù)模型對去趨勢項后的SNR數(shù)據(jù)進行擬合，得到正弦函數(shù)模型的相位待定參數(shù)的估計值，由于土壤濕度對相位的影響機理復雜，很難建立理論反演模型，因此該專利提出建立相位值與土壤濕度的經(jīng)驗關(guān)系進行土壤濕度反演，但這種經(jīng)驗關(guān)系是與實驗場景有關(guān)的，如果實驗場景發(fā)生變化，則需要重新建立經(jīng)驗關(guān)系，因此該方法的環(huán)境適應(yīng)性差，如果實驗環(huán)境發(fā)生變化則需要重新建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ停淮送馐褂梅群愣ㄕ液瘮?shù)擬合去趨勢項后的信噪比數(shù)據(jù)的方法過于粗糙，因為實際信噪比數(shù)據(jù)的震蕩幅度不是恒定的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種信號重建方法及基于該方法的土壤濕度干涉測量方法，利用重建信號計算土壤反射系數(shù)，最后通過理論反演模型計算土壤濕度，解決了現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的問題。

本發(fā)明所述的信號重建方法，包括以下步驟：

步驟1：原始數(shù)據(jù)采集，

使用接收機以固定采樣間隔采集原始數(shù)據(jù)；

步驟2：衛(wèi)星仰角、方位角計算，

利用步驟1中衛(wèi)星星歷信息結(jié)合采樣時間與接收天線位置，計算衛(wèi)星的仰角θ(n)與方位角，其中n為采樣點；

步驟3：衛(wèi)星數(shù)據(jù)篩選，

根據(jù)步驟2中衛(wèi)星的仰角和方位角，結(jié)合天線架設(shè)高度H，計算鏡面反射點位置，篩選低仰角以及鏡面反射點落在需測量的土壤區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星的信噪比數(shù)據(jù)；

步驟4：刻度轉(zhuǎn)換，