【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及土壤濕度檢測，具體涉及一種基于gnss-ir的雙天線土壤濕度監測方法。
技術介紹
1、土壤濕度是農業、?氣象、水文等領域的一個重要參數，?是構成全球水循環及能量交換的基本組成部分，是將地表水、地下水以及大氣水聯系起來的重要物理量，在陸面水分的形成、轉化和消耗過程中扮演重要角色。在農業方面，土壤濕度是表征土壤干旱程度的基本物理參量，作為農作物水分吸收的主要來源，含水量的多少直接影響作物的長勢及產量，較為準確的測量土壤濕度變化可以為農業環境監測、旱澇預報、植被生長情況評估等方面提供有力的技術支撐。隨著gnss技術不斷發展和成熟，gnss-r技術已取得重大進展。gnss-r技術通過接收處理地球表面反射的gnss信號，實現對地球表面物理參數提取。作為免費和長期穩定的信號源，gnss可以提供高穩定度的、源源不斷的無償?l?波段微波信號資源，全球導航衛星系統對土壤濕度的監測已成為一種新型遙感監測手段。
2、李杰等人通過包括兩種天線配置對裸土及植被進行實驗，一種為雙天線模式，使用具有rhcp和lhcp特性的天線接收直接和反射信號；另一種為單天線模式，利用具有rhcp特性的單天線同時接收直接和反射gnss信號。結果表明單、雙天線模式裸土均方根誤差均在0.05cm3/cm3左右。梁月吉等通過雙系統組合提高了gnss-ir多星反演模型的精度，組合后測試精度在0.013~0.025?cm3/cm3。
3、雖然近年來gnss-r土壤濕度監測技術發展迅速，并取得了顯著的研究成果，觀測模式也多樣化，但其也存在局限性。g
技術實現思路
1、針對現有技術中存在的不足之處，本專利技術提供了一種基于gnss-ir的雙天線土壤濕度監測方法。本專利技術監測方法彌補了傳統gnss-ir土壤濕度監測方法對高度角的限制，具有觀測面積廣、成本較低等特點。
2、本專利技術采用如下方案：
3、一種基于gnss-ir的雙天線土壤濕度監測方法，包括：
4、s1、組建雙天線gnss-ir土壤濕度監測裝置；
5、該裝置包括?：上視天線、下視天線以及兩款同型號的接收機，其中上視天線為右旋圓極化天線，向上傾斜30°；下視天線為左旋圓極化天線，向下傾斜30°；
6、將右旋圓極化天線接收的信號用功分器分為兩路，一路連接到接收機1，另一路與左旋圓極化天線接入合路器，再連接到接收機2；
7、將tdr土壤濕度計置于測區范圍內，埋設深度分別為5cm、10cm和15cm；
8、利用該雙天線土壤濕度監測裝置進行檢測的方法，包括如下步驟：
9、s2、分別提取直射和干涉信號觀測值；
10、s3：對低仰角、高仰角下直、反射信號分離；
11、s4：計算低仰角、高仰角反射分量振幅、相位特征值；
12、s5：對低仰角特征值建模、高仰角特征值驗證模型精度。
13、作為本專利技術的進一步改進，步驟s2中，分別提取直射和干涉信號觀測值；其具體實現過程如下：
14、（1）接收機1所存儲的為直射信號觀測值，以rinex格式記錄在接收機中；從文件中提取直射信號各歷元下不同頻點的信噪比snrd，根據其記錄的直射天線位置，結合精密星歷文件計算相應歷元下高度角、方位角信息；
15、（2）接收機2所存儲的為干涉信號觀測值，與過程（1）一致，提取各歷元下信噪比、高度角、方位角信息。
16、作為本專利技術的進一步改進，步驟s3中，所述對低仰角、高仰角下直、反射信號分離，其具體實現過程如下：
17、（1）?根據實際情況對直射和干涉信號分析，劃分為高仰角和低仰角區域；
18、（2）計算反射區域，確定有效范圍；
19、（3）高、低仰角將其時間序列進行上升、下降段分離；
20、（4）對于高仰角，反射分量干涉信噪比與直射信噪比直接作差所得，記為；
21、；
22、（5）低仰角下直射分量進行處理，對干涉信號進行二階多項式擬合獲得直射信號分量，進而從干涉信號分離出反射分量；
23、；
24、其中，、和是二階多項式系數。
25、作為本專利技術的進一步改進，步驟s4中，所述的計算低仰角、高仰角反射分量振幅、相位特征值，其具體實現過程如下：
26、（1）采用lomb-scargle變換的方法計算反射分量snr的振動頻率，即：
27、；
28、（2）高、低仰角反射分量表示為：
29、；
30、其中，為（1）中求解的頻率；為衛星高度角，、和、分別為低仰角和高仰角反射信號的相位、幅度；
31、（3）使用最小二乘法對（2）中反射分量進行擬合，求解最優振幅和相位。
32、作為本專利技術的進一步改進，步驟s5中，對低仰角特征值建模、高仰角特征值驗證模型精度，其具體實現過程如下：
33、（1）采用低仰角下所獲取的振幅和相位特征值，結合實測土壤濕度分別進行模型構建：
34、；
35、其中，a為模型斜率，上標表示低仰角，下標表示特征值；b為土壤濕度基數，上標表示低仰角，下標表示特征值；a為振幅觀測量，上標表示低仰角，下標表示snr反射分量；為相位測量，上標表示低仰角，下標表示snr反射分量； v sm為土壤濕度值；
36、（2）在高仰角下提取反射分量振幅和相位特征值：
37、；
38、其中，、和、均由過程（1）求得；a為振幅觀測量，上標表示高仰角，下標表示snr反射分量；為相位測量，上標表示高仰角，下標表示snr反射分量；為土壤濕度估算值；
39、（3）土壤濕度計取每小時的平均值；
40、（4）將（2）的高仰角振幅和相位反演結果與（3）中土壤濕度計取每小時平均值后的結果對比分析，統計數據情況并驗證精度包括不同衛星所包含的數據所反演結果與土壤濕度計實測數據對比所得的相關系數（r）和均方根誤差（rmse），進而驗證檢測的有效性和準確性。
41、與現有技術相比，本專利技術的有益效果為：
42、（1）通過上視和下視天線分別接收直射和反射信號后，經過合路器進行干涉明顯提高了信噪比的震蕩程度，避免了信噪比震蕩隨高度角增加而減弱，進而導致數據反演受高度角限制，監測效果更明顯、觀測范圍更全面。
43、（2）將信號通過接收機存儲為rinex格式，改善了gnss-r雙天線設本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于GNSS-IR的雙天線土壤濕度監測方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種基于GNSS-IR的雙天線土壤濕度監測方法，其特征在于，步驟S2中，分別提取直射和干涉信號觀測值；其具體實現過程如下：
3.根據權利要求1所述的一種基于GNSS-IR的雙天線土壤濕度監測方法，其特征在于，步驟S3中，所述對低仰角、高仰角下直、反射信號分離，其具體實現過程如下：
4.根據權利要求1所述的一種基于GNSS-IR的雙天線土壤濕度監測方法，其特征在于，步驟S4中，所述的計算低仰角、高仰角反射分量振幅、相位特征值，其具體實現過程如下：
5.根據權利要求1所述的一種基于GNSS-IR的雙天線土壤濕度監測方法，其特征在于，步驟S5中，對低仰角特征值建模、高仰角特征值驗證模型精度，其具體實現過程如下：
【技術特征摘要】
1.一種基于gnss-ir的雙天線土壤濕度監測方法，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的一種基于gnss-ir的雙天線土壤濕度監測方法，其特征在于，步驟s2中，分別提取直射和干涉信號觀測值；其具體實現過程如下：
3.根據權利要求1所述的一種基于gnss-ir的雙天線土壤濕度監測方法，其特征在于，步驟s3中，所述對低仰角、高仰角下直、反射信號分離...
【專利技術屬性】
技術研發人員：高凡，荊麗麗，王娜子，朱月，王學潔，徐天河，康苒，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：
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