一種基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤濕度測量裝置，由圓筒形機箱、RHCP天線、天線支架、無線通信天線、太陽能電池板、土壤濕度測量主機、蓄電池、天線饋線和若干導線組成；RHCP天線通過支架固定于箱體頂部中心，RHCP天線的饋線通過支架的空心結構引入箱體內部與土壤濕度測量主機連接；無線通信天線固定于箱體上部，無線通信天線的高度低于RHCP天線，無線通信天線的饋線引入箱體內部與土壤濕度測量主機連接；太陽能電池板固定于箱體外部，其通過導線引入箱體內部與土壤濕度測量主機相連；土壤濕度測量主機與蓄電池在箱體內部通過導線連接；它實現了信號處理、土壤濕度測量與數據傳輸的一體化，結構緊湊、節能、美觀。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術提供一種基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤濕度測量裝置，它具體涉及一種基于全球衛星導航系統(以下簡稱GNSS)干涉功率峰谷值的土壤濕度測量裝置，屬于土壤濕度測量裝置
技術背景近些年來隨著GNSS系統的不斷升級與完善，GNSS新的應用領域正不斷的被發掘出來，其中一個重要應用領域就是利用GNSS作為信號源進行土壤濕度測量，它是GNSS技術在遙感領域的一個延伸。目前現有的利用GNSS接收處理系統進行土壤濕度測量的裝置中，一般使用兩根天線，一根為優選右旋圓極化(以下簡稱RHCP)天線，用于接收GNSS直射信號，一根為左旋圓極化(以下簡稱LHCP)天線，用于接收土壤反射信號，如專利“一種利用北斗直達和反射信號進行土壤濕度反演的裝置”(授權公告號：CN204405567U)公開的裝置，由于經過土壤反射的信號通常會比直射信號弱，因此接收反射信號的天線必須使用高增益天線，而高增益天線的造價比較高，質量較重，且接收機要同時處理兩個天線接收到的數據，需要耗費較大的硬件軟件資源，這些增加了制造成本。由于農業土壤濕度測量要求測量設備具有較低成本，因此專利技術一種天線數量少的GNSS土壤濕度測量裝置十分必要。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術目的在于，提供一種基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤濕度測量裝置，該裝置只用一根RHCP天線接收GNSS直射信號和經過土 壤反射的信號，從二者的干涉功率峰谷值中提取介電常數進而反演土壤濕度，該裝置將接收天線和土壤濕度測量主機集成到一個圓筒形機箱中，土壤濕度測量主機配有無線通信模塊，實現了信號處理、土壤濕度測量與數據傳輸的一體化。該裝置整體使用太陽能電池板供電，多余電量可以輸入到蓄電池中存儲，這種設計節能、美觀，適合野外獨立工作。本專利技術一種基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤濕度測量裝置，由圓筒形機箱，RHCP天線，天線支架，無線通信天線，太陽能電池板、土壤濕度測量主機、蓄電池、天線饋線和若干導線組成，它們之間的連接關系為：RHCP天線通過天線支架固定于箱體頂部中心位置，RHCP天線的饋線通過天線支架的空心結構引入箱體內部與土壤濕度測量主機連接；無線通信天線也固定于箱體上部，無線通信天線的高度低于RHCP天線，無線通信天線的饋線也引入箱體內部與土壤濕度測量主機連接；太陽能電池板固定于箱體外部，其通過導線引入箱體內部與土壤濕度測量主機相連；土壤濕度測量主機與蓄電池在箱體內部通過導線連接。所述RHCP天線，選用現有的通用測量型天線。所述天線支架，為中空的桿狀，用耐腐蝕輕質材料制成。所述無線通信天線，可采用現有的線極化移動通信天線。所述太陽能電池板，形狀為長方形，可采用現有的多晶硅太陽能電池板，選型時應考慮的主要指標為輸出電壓、輸出功率、抗風等級等。所述蓄電池，采用現有的鋰電池或鉛酸蓄電池，選型時應考慮的主要指標為容量、標稱電壓、內阻、充放電次數等。所述天線饋線，可采用現有的同軸電纜，選型時應考慮的主要指標為特性阻抗、衰減。所述若干導線，可采用現有的銅質導線，選型時應考慮的主要指標為特性阻抗、絕緣等級、載流量。所述“圓筒形機箱”使用防水防腐蝕的輕質材料制成，包括弧形蓋板，圓筒形箱體，底部蓋板，兩層隔板，它們之間的位置與連接關系為：弧形蓋板位于該圓筒形箱體頂部，底部蓋板位于圓筒形箱體底部，兩層隔板位于圓筒形箱體內的下半部分，上層隔板用于固定土壤濕度測量主機，下層 隔板用于固定蓄電池，下層隔板距離圓筒形箱體底部一定距離。其中,該“弧形蓋板”的形狀為弧形，其中心鉆有小孔用于固定天線支架，旁邊開有小孔用于固定無線通信天線；該“圓筒形箱體”的形狀為中空的圓筒形，其筒壁有一定厚度，其側面鑿有安裝槽，用于將太陽能電池板嵌入其中，開槽位置整體位于該圓筒形箱體上部；該“底部蓋板”的形狀為圓形，其直徑與所述“圓筒形箱體”外徑相等，其中心開有安裝孔，用于連接三角架等支撐物；該“兩層隔板”的形狀為圓形，其直徑與所述“圓筒形箱體”內徑相等；所述“土壤濕度測量主機”包括電源模塊、射頻模塊、基帶信號處理模塊、土壤濕度反演模塊和無線通信模塊，其連接關系為：其中,射頻模塊、基帶信號處理模塊、土壤濕度反演模塊和無線通信模塊按照信號處理流程順次連接，電源模塊與其他所有模塊連接，為其供電。該“射頻模塊”將RHCP天線接收到的衛星導航信號下變頻到數字中頻信號，該模塊可采用現有技術制成的模塊，其硬件的形狀結構均已公開，此處不再贅述，該模塊在選型時應考慮的主要指標為頻點、帶寬、靈敏度、噪聲系數。該“基帶信號處理模塊”主要完成對信號的捕獲跟蹤，輸出所有衛星信號的相關值，該模塊可采用現有技術制成的模塊，其硬件的形狀結構均已公開，此處不再贅述，該模塊在選型時應考慮的主要指標為通道數、通道構成、工作頻率、輸入輸出接口類型和速度。該“土壤濕度反演模塊”主要由可編程芯片和相應的外圍電路組成，該模塊可采用現有技術制成的模塊，其硬件的形狀結構均已公開，此處不再贅述；該模塊通過編程實現如下功能：利用基帶信號處理模塊輸出的相關值來估計相關功率，形成相關功率觀測值序列，同時進行定位解算或者利用精密星歷計算衛星的仰角和方位角等信息，然后根據觀測區域方位和衛星仰角、方位角進行選星，使鏡面反射點覆蓋觀測區域，利用選出來的衛星的相關功率觀測值序列和仰角信息運行“基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤濕度測量算法”，進行土壤濕度反演。為了方便操作人員現場或遠程獲取測量主機輸出的數據，該模塊還 配置有USB接口、網口以及與無線通信模塊連接的接口。該“無線通信模塊”將測得的土壤濕度數據和原始數據發送到用戶指定設備上，便于用戶對土壤濕度進行監測，同時該模塊接收用戶指令，并將指令送入土壤濕度反演模塊中，土壤濕度反演模塊解析指令完成用戶對測量主機的控制如啟動、關閉等，該模塊可采用現有技術制成的模塊，其硬件的形狀結構均已公開，此處不再贅述，該模塊在選型時應考慮的主要指標為通信制式、數據傳輸速率、功耗、最大傳輸距離。該“電源模塊”俱備兩個功能，其一是對來自蓄電池和太陽能電池板的電能進行分配，其二是電能轉換，用于將市電轉直流電作為測量主機的備用電源，該模塊可采用現有技術制成的模塊，其硬件的形狀結構均已公開，此處不再贅述，該模塊在選型時應考慮的主要指標為輸出電壓、電源效率、紋波電壓等。該“基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤濕度測量算法”包括如下步驟：步驟1：信號接收處理單根低增益RHCP天線接收直射信號與土壤反射信號，信號通過射頻模塊下變頻到數字中頻信號，經接收機捕獲跟蹤后，從相關器輸出相關值。步驟2：相關功率估計通常相關器輸出含有較大噪聲，為了更加準確的估計相關功率，運用一定的信號估計算法估計相關功率，形成相關功率觀測值序列。步驟3：剔除直射天線增益的影響取衛星上升段0～90度范圍內的相關功率觀測值，從中剔除天線增益對干涉信號的影響。所述“天線增益”可通過測量及仿真得到。步驟4：剔除直射信號的影響估計直射信號功率，然后從步驟3得到的觀測值序列中將其剔除，得到含有噪聲的歸一化干涉功率。步驟5：歸一化干涉功率降噪取步驟4中衛星低仰角范圍內的歸一化干涉功率觀測值序列進行濾波或降噪，得到最終用于反演的歸一化干涉功率。步驟6：提取歸一化干涉功率峰谷值，估計反射系數運用峰谷值搜索算法本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤濕度測量裝置，其特征在于：它是由圓筒形機箱、RHCP天線、天線支架、無線通信天線、太陽能電池板、土壤濕度測量主機、蓄電池、天線饋線和若干導線組成；RHCP天線通過天線支架固定于箱體頂部中心位置，RHCP天線的饋線通過天線支架的空心結構引入箱體內部與土壤濕度測量主機連接；無線通信天線也固定于箱體上部，無線通信天線的高度低于RHCP天線，無線通信天線的饋線也引入箱體內部與土壤濕度測量主機連接；太陽能電池板固定于箱體外部，其通過導線引入箱體內部與土壤濕度測量主機相連；土壤濕度測量主機與蓄電池在箱體內部通過導線連接；所述RHCP天線，選用現有的通用測量型天線；所述天線支架，為中空的桿狀；所述無線通信天線，采用現有的線極化移動通信天線；所述太陽能電池板，形狀為長方形，采用現有的多晶硅太陽能電池板，選型時應考慮的主要指標為輸出電壓、輸出功率、抗風等級；所述蓄電池，采用現有的鉛酸蓄電池，選型時應考慮的主要指標為容量、標稱電壓、內阻和充放電次數；所述天線饋線，采用現有的同軸電纜，選型時應考慮的主要指標為特性阻抗、衰減；所述導線，采用現有的銅質導線，選型時應考慮的主要指標為特性阻抗、絕緣等級、載流量；所述“圓筒形機箱”,包括弧形蓋板、圓筒形箱體、底部蓋板和兩層隔板；該弧形蓋板位于該圓筒形箱體頂部，底部蓋板位于圓筒形箱體底部，兩層隔板位于圓筒形箱體內的下半部分，上層隔板用于固定土壤濕度測量主機，下層隔板用于固定蓄電池，下層隔板距離圓筒形箱體底部一定距離；該“弧形蓋板”的形狀為弧形，其中心鉆有小孔用于固定天線支架，旁邊開有小孔用于固定無線通信天線；該“圓筒形箱體”的形狀為中空的圓筒形，其筒壁有預定厚度，其側面鑿有安裝槽，用于將太陽能電池板嵌入其中，開槽位置整體位于該圓筒形箱體上部；該“底部蓋板”的形狀為圓形，其直徑與該“圓筒形箱體”外徑相等，其中心開有安裝孔，用于連接支撐物；該“兩層隔板”的形狀為圓形，其直徑與該“圓筒形箱體”內徑相等；所述“土壤濕度測量主機”包括電源模塊、射頻模塊、基帶信號處理模塊、土壤濕度反演模塊和無線通信模塊，其連接關系為：其中的射頻模塊、基帶信號處理模塊、土壤濕度反演模塊和無線通信模塊按照信號處理流程順次連接，電源模塊與其他所有模塊連接，為其供電；該“射頻模塊”將RHCP天線接收到的衛星導航信號下變頻到數字中頻信號，該模塊是采用現有技術制成的模塊，該模塊在選型時應考慮的主要指標為頻點、帶寬、靈敏度、噪聲系數；該“基帶信號處理模塊”主要完成對信號的捕獲跟蹤，輸出所有衛星信號的相關值，該模塊是采用現有技術制成的模塊，該模塊在選型時應考慮的主要指標為通道數、通道構成、工作頻率、輸入輸出接口類型和速度；該“土壤濕度反演模塊”由可編程芯片和相應的外圍電路組成，該模塊是采用現有技術制成的模塊，該模塊通過編程實現如下功能：利用基帶信號處理模塊輸出的相關值來估計相關功率，形成相關功率觀測值序列，同時進行定位解算或者利用精密星歷計算衛星的仰角和方位角等信息，然后根據觀測區域方位和衛星仰角、方位角進行選星，使鏡面反射點覆蓋觀測區域，利用選出來的衛星的相關功率觀測值序列和仰角信息運行“基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤濕度測量算法”，進行土壤濕度反演；該模塊還配置有USB接口、網口以及與無線通信模塊連接的接口；該“無線通信模塊”將測得的土壤濕度數據和原始數據發送到用戶指定設備上，便于用戶對土壤濕度進行監測，同時該模塊接收用戶指令，并將指令送入土壤濕度反演模塊中，土壤濕度反演模塊解析指令完成用戶對測量主機的控制如啟動、關閉，該模塊是采用現有技術制成的模塊，該模塊在選型時應考慮的主要指標為通信制式、數據傳輸速率、功耗、最大傳輸距離；該“電源模塊”俱備兩個功能，其一是對來自蓄電池和太陽能電池板的電能進行分配，其二是電能轉換，用于將市電轉直流電作為測量主機的備用電源，該模塊是采用現有技術制成的模塊，該模塊在選型時應考慮的主要指標為輸出電壓、電源效率、紋波電壓。...
【技術特征摘要】
1.一種基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤濕度測量裝置，其特征在于：它是由圓筒形機箱、RHCP天線、天線支架、無線通信天線、太陽能電池板、土壤濕度測量主機、蓄電池、天線饋線和若干導線組成；RHCP天線通過天線支架固定于箱體頂部中心位置，RHCP天線的饋線通過天線支架的空心結構引入箱體內部與土壤濕度測量主機連接；無線通信天線也固定于箱體上部，無線通信天線的高度低于RHCP天線，無線通信天線的饋線也引入箱體內部與土壤濕度測量主機連接；太陽能電池板固定于箱體外部，其通過導線引入箱體內部與土壤濕度測量主機相連；土壤濕度測量主機與蓄電池在箱體內部通過導線連接；所述RHCP天線，選用現有的通用測量型天線；所述天線支架，為中空的桿狀；所述無線通信天線，采用現有的線極化移動通信天線；所述太陽能電池板，形狀為長方形，采用現有的多晶硅太陽能電池板，選型時應考慮的主要指標為輸出電壓、輸出功率、抗風等級；所述蓄電池，采用現有的鉛酸蓄電池，選型時應考慮的主要指標為容量、標稱電壓、內阻和充放電次數；所述天線饋線，采用現有的同軸電纜，選型時應考慮的主要指標為特性阻抗、衰減；所述導線，采用現有的銅質導線，選型時應考慮的主要指標為特性阻抗、絕緣等級、載流量；所述“圓筒形機箱”,包括弧形蓋板、圓筒形箱體、底部蓋板和兩層隔板；該弧形蓋板位于該圓筒形箱體頂部，底部蓋板位于圓筒形箱體底部，兩層隔板位于圓筒形箱體內的下半部分，上層隔板用于固定土壤濕度測量主機，下層隔板用于固定蓄電池，下層隔板距離圓筒形箱體底部一定距離；該“弧形蓋板”的形狀為弧形，其中心鉆有小孔用于固定天線支架，旁邊開有小孔用于固定無線通信天線；該“圓筒形箱體”的形狀為中空的圓筒形，其筒壁有預定厚度，其側面鑿有安裝槽，用于將太陽能電池板嵌入其中，開槽位置整體位于該圓筒形箱體上部；該“底部蓋板”的形狀為圓形，其直徑與該“圓筒形箱體”外徑相等，其中心開有安裝孔，用于連接支撐物；該“兩層隔板”的形狀為圓形，其直徑與該“圓筒形箱體”內徑相等；所述“土壤濕度測量主機”包括電源模塊、射頻模塊、基帶信號處理模塊、土壤濕度反演模塊和無線通信模塊，其連接關系為...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊東凱，張波，漢牟田，洪學寶，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11
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