基于連續(xù)運行GNSS站信噪比數(shù)據(jù)的土壤水分測量方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種基于連續(xù)運行GNSS站信噪比數(shù)據(jù)的土壤水分測量方法，包括以下步驟：建立GNSS直達(dá)信號與經(jīng)地表反射后的右旋圓極化反射信號之間的干涉模型；利用所述干涉模型對觀測到的信噪比數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，獲得有效反射面高度，該有效反射面高度為天線相位中心距與效反射面之間的鉛垂距離；將不同土壤水分條件下獲得的有效反射面高度與實測土壤水分進(jìn)行擬合，得到每顆GNSS衛(wèi)星信號由有效反射面高度到土壤水分的反演公式與擬合優(yōu)度；以所述擬合優(yōu)度為權(quán)重，對由每顆GNSS衛(wèi)星信號得到的土壤水分進(jìn)行加權(quán)平均，得到土壤水分反演值。本發(fā)明專利技術(shù)提供的土壤水分測量方法簡單有效。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種土壤水分信息的測量方法，尤其涉及一種基于連續(xù)運行GNSS站信噪比數(shù)據(jù)的土壤水分測量方法。
技術(shù)介紹
作為水循環(huán)中的一個關(guān)鍵要素，土壤水分信息對水文、氣候、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等科研與生產(chǎn)領(lǐng)域非常重要，但是土壤水分空間分布不均勻，且隨時間動態(tài)變化，因此準(zhǔn)確測量土壤水分具有重要意義。目前用于獲取土壤水分信息的手段存在諸多局限：土壤水分儀只能實施單點監(jiān)測，空間代表性差，接觸式測量也會影響土壤特性，而且大范圍的組網(wǎng)觀測成本較高；遙感觀測手段中，可見光/近紅外傳感器不能全天時、全天候工作，單基地主動雷達(dá)受地表粗糙度的影響較大，微波輻射計的空間分辨率較低，而且遙感衛(wèi)星的重訪周期較長，遠(yuǎn)超出土壤水分的時間變化尺度。自1993年Martín-Neira提出利用GPS反射信號測量海面高度后，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號遙感技術(shù)(GlobalNavigationSatelliteSystemReflectometry，GNSS-R)逐漸興起并迅速發(fā)展。利用GNSS衛(wèi)星提供的長期穩(wěn)定、高時空分辨率的L波段微波信號，憑借對土壤水分敏感、能夠穿透云層與中等植被覆蓋、雙基地雷達(dá)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點，GNSS-R成為一種探測地表土壤水分的有效手段。最初GNSS-R反演土壤水分是通過測量GNSS直達(dá)與反射信號延遲功率波形峰值計算反射系數(shù)，繼而計算土壤介電常數(shù)，最終得到土壤水分。隨著研究的深入，基于直達(dá)與反射信號干涉波形的GPS干涉反射技術(shù)(GPSInteferometricReflectometry，GPS-IR)與干涉模式技術(shù)(InterferencePatternTechnique，IPT)相繼被提出。GPS-IR技術(shù)利用連續(xù)運行GPS站記錄的信噪比(SignaltoNoiseRatio，SNR)數(shù)據(jù)，對分離出來的干涉分量進(jìn)行正弦函數(shù)擬合，將正弦函數(shù)的相位與土壤水分建立聯(lián)系；IPT技術(shù)采用特制的接收機與垂直極化天線接收直達(dá)與反射信號的干涉波形，利用布魯斯特角進(jìn)行土壤水分反演。然而，GPS-IR技術(shù)雖然利用連續(xù)運行大地測量用GPS接收機記錄的SNR數(shù)據(jù)，但是處理過程繁瑣且假設(shè)前提較多，如用多項式擬合直達(dá)分量與假設(shè)干涉分量振幅恒定等，容易造成誤差累積；IPT技術(shù)雖然直接處理原始SNR數(shù)據(jù)，但需要特制的GNSS-R接收機與垂直極化天線，無法像GPS-IR技術(shù)那樣充分利用現(xiàn)已廣泛存在的各種CORS(ContinuouslyOperatingReferenceStation)站網(wǎng)中的免費公開數(shù)據(jù)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
由此可見，確有必要提供一種簡單有效的土壤水分測量方法。一種土壤水分的測量方法，包括以下步驟：建立GNSS直達(dá)信號與經(jīng)地表反射后的右旋圓極化反射信號之間的干涉模型；利用所述干涉模型對觀測到的信噪比數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，獲得有效反射面高度h，該有效反射面高度h為天線相位中心與有效反射面之間的鉛垂距離；將不同土壤水分條件下獲得的有效反射面高度h與實測土壤水分進(jìn)行擬合，得到每顆GNSS衛(wèi)星信號由有效反射面高度h到土壤水分的反演公式與擬合優(yōu)度；以及以所述擬合優(yōu)度為權(quán)重，對由每顆GNSS衛(wèi)星信號得到的土壤水分進(jìn)行加權(quán)平均，得到土壤水分反演值。在其中一個實施例中，所述干涉模型為：其中，Ei為直達(dá)信號振幅，γ為仰角，ε為地表介電常數(shù)，R(γ，ε)為菲涅爾反射系數(shù)，G為GNSS天線增益模式，G(γ)為直達(dá)信號增益，G(-γ)為反射信號增益，為反射信號與直達(dá)信號之間的相位差。在其中一個實施例中，利用所述干涉模型對觀測到的SNR數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理包括：選取GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中預(yù)定仰角范圍的信噪比數(shù)據(jù)；得到信噪比數(shù)據(jù)隨GNSS衛(wèi)星仰角變化的波形；以及利用干涉模型對該信噪比數(shù)據(jù)波形進(jìn)行擬合處理。在其中一個實施例中，所述觀測到的信噪比數(shù)據(jù)為GNSS衛(wèi)星升起或降落過程中預(yù)定仰角范圍的信噪比數(shù)據(jù)。在其中一個實施例中，所述仰角范圍為5°-40°中的任意區(qū)間。在其中一個實施例中，利用所述干涉模型對觀測到的信噪比數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理為利用最小二乘法對觀測到的信噪比數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理。在其中一個實施例中，將預(yù)定時間內(nèi)的各顆GNSS衛(wèi)星信號得到的有效反射面高度h分別與預(yù)定深度的實測土壤水分進(jìn)行線性擬合。在其中一個實施例中，GNSS衛(wèi)星信號得到的土壤水分為距離地表小于5cm深度范圍的土壤水分。相對于傳統(tǒng)技術(shù)，本專利技術(shù)提供的土壤水分的測量方法，綜合GPS-IR與IPT技術(shù)的優(yōu)點，提供了一種簡單有效的基于連續(xù)運行GNSS站SNR數(shù)據(jù)的土壤水分測量方法。附圖說明圖1為本專利技術(shù)實施例提供的土壤水分測量方法的流程圖。圖2為本專利技術(shù)實施例提供的土壤水分測量方法的總體框圖。圖3為地基GNSS站直達(dá)信號與反射信號干涉示意圖。圖4為本專利技術(shù)實施例中利用干涉模型擬合觀測的SNR數(shù)據(jù)的示例。圖5為本專利技術(shù)實施例中負(fù)有效反射面高度與實測土壤水分線性擬合的示例。具體實施方式下面將結(jié)合附圖及具體實施例對本專利技術(shù)提供的土壤水分的測量方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請一并參見圖1與圖2，本專利技術(shù)實施例提供一種基于連續(xù)運行GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)站信噪比(SignaltoNoiseRatio，SNR)數(shù)據(jù)的土壤水分測量方法，該方法包括以下步驟：S1，建立GNSS直達(dá)信號與經(jīng)地表反射后的右旋圓極化反射信號之間的干涉模型；S2，利用所述干涉模型對觀測到的SNR數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，獲得有效反射面高度h，該有效反射面高度h為天線相位中心與有效反射面之間的鉛垂距離；S3，將不同土壤水分條件下獲得的有效反射面高度h與實測土壤水分進(jìn)行擬合，得到每顆GNSS衛(wèi)星信號由有效反射面高度h到土壤水分的反演公式與擬合優(yōu)度；S4，以所述擬合優(yōu)度為權(quán)重，對由每顆GNSS衛(wèi)星信號得到的土壤水分進(jìn)行加權(quán)平均，得到一定時間分辨率的土壤水分反演值。請參見圖3，步驟S1中，假設(shè)到達(dá)GNSS接收機天線相位中心的信號是由直達(dá)信號與鏡面反射信號干涉疊加生成，地表水平，則衛(wèi)星高度角即為信號仰角。其中直達(dá)信號振幅為Ei，仰角為γ，地表介電常數(shù)為ε，則菲涅爾反射系數(shù)為R(γ，ε)，鏡面反射信號振幅為Ei·R(γ，ε)。GNSS天線增益模式為G，則對應(yīng)于直達(dá)與反射信號的增益分別為G(+γ)與G(-γ)。定義有效反射面高度h為GNSS接收機天線相位中心到地表的高度與GNSS信號在土壤中的探測深度之和，即天線相位中心與有效反射面之間的鉛垂距離。因此在GNSS接收機天線相位中心到地表高度不變的情況下，有效反射面高度h的變化反映了GNSS信號在土壤中探測深度的變化。假設(shè)直達(dá)信號為Sd(t)，反射信號為Sr(t)，干涉信號為Sinterf(t)，則：Sd(t)＝Ei·G(γ)1/2·cos(ωt)(1)Sinterf(t)＝SNR1/2·cos(ωt+ψ)(3)其中，ω為信號的角頻率，t為時間，與ψ分別為反射信號與干涉信號相對于直達(dá)信號的相位延遲。因為干涉信號可表示為直達(dá)信號與反射信號的相干疊加，則由式(1)與式(2)得：由式(3)得：Sinterf(t)＝(-SNR1/2·sinψ)·sinωt+(SNR1/2·cosψ)·cosωt(5)所以，由式(4)與式(5)得：其中，反射信號與直達(dá)信號之間的相位差為：其中，λ為GNSS信號波本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種土壤水分的測量方法，包括以下步驟：建立GNSS直達(dá)信號與經(jīng)地表反射后的右旋圓極化反射信號之間的干涉模型；利用所述干涉模型對觀測到的信噪比數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，獲得有效反射面高度h，該有效反射面高度h為天線相位中心與有效反射面之間的鉛垂距離；將不同土壤水分條件下獲得的有效反射面高度h與實測土壤水分進(jìn)行擬合，得到每顆GNSS衛(wèi)星信號由有效反射面高度h到土壤水分的反演公式與擬合優(yōu)度；以及以所述擬合優(yōu)度為權(quán)重，對預(yù)定時間內(nèi)由每顆GNSS衛(wèi)星信號得到的土壤水分進(jìn)行加權(quán)平均，得到土壤水分反演值。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種土壤水分的測量方法，包括以下步驟：建立GNSS直達(dá)信號與經(jīng)地表反射后的右旋圓極化反射信號之間的干涉模型；利用所述干涉模型對觀測到的信噪比數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，獲得有效反射面高度h，該有效反射面高度h為天線相位中心與有效反射面之間的鉛垂距離；將不同土壤水分條件下獲得的有效反射面高度h與實測土壤水分進(jìn)行擬合，得到每顆GNSS衛(wèi)星信號由有效反射面高度h到土壤水分的反演公式與擬合優(yōu)度；以及以所述擬合優(yōu)度為權(quán)重，對預(yù)定時間內(nèi)由每顆GNSS衛(wèi)星信號得到的土壤水分進(jìn)行加權(quán)平均，得到土壤水分反演值。2.如權(quán)利要求1所述的土壤水分的測量方法，其特征在于，所述干涉模型為：其中，Ei為直達(dá)信號振幅，γ為仰角，ε為地表介電常數(shù)，R(γ，ε)為菲涅爾反射系數(shù)，G為GNSS天線增益模式，G(γ)為直達(dá)信號增益，G(-γ)為反射信號增益，為反射信號與直達(dá)信號之間的相位差。3.如權(quán)利要求1所述的土壤水分的測量方法，其特征在于，利用所述干涉模型對觀測...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：彭學(xué)峰，萬瑋，洪陽，
申請(專利權(quán))人：清華大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11