基于北斗基準(zhǔn)站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于北斗基準(zhǔn)站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法，利用長期觀測的干涉信號的相位差進行濕度反演，例如類似北斗基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，由于干涉信號的相位變化與土壤濕度變化呈一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，所以可以利用已實測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計出相位與土壤濕度的對應(yīng)關(guān)系，建立利用相位來反演土壤濕度的數(shù)學(xué)模型。之后根據(jù)當(dāng)天的北斗衛(wèi)星干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)、提取出當(dāng)天干涉功率信號的相位來反演當(dāng)天的土壤濕度。本方法能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或氣象研究，本發(fā)明的實施將會擴大北斗系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
【專利說明】基于北斗基準(zhǔn)站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子、信息【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種利用北斗衛(wèi)星的低仰角信號進行土壤濕度反演的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤濕度是氣象研究、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)的重要參數(shù)。土壤濕度的定量觀測早已成為氣象、水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)以及地球科學(xué)等眾多學(xué)科和領(lǐng)域關(guān)注的重要內(nèi)容。
[0003]目前測量土壤濕度的方法主要有下列這些，他們有著各種優(yōu)缺點。
[0004]一種通用的方法是利用物理接觸法進行實測。這些物理接觸法包括烘干法，張力計法，中子儀法，電阻法等(張曉虎，李新平.幾種常用土壤含水量測定方法的研究進展.陜西農(nóng)業(yè)科學(xué).2008，6:114-117)。這些方法可以準(zhǔn)確測量土體剖面的含水量，測定土層較多，深度較大，但實測范圍有限，人力財力耗費大，數(shù)據(jù)得不到及時更新。土壤水分模型法是根據(jù)物質(zhì)守恒原理，建立方程而求解土壤水分，具有快速、可提供面信息等優(yōu)勢。但是實驗需要大量氣象數(shù)據(jù)支持，較為復(fù)雜，且估測誤差較大。
[0005]星載微波遙感可以獲得大范圍的土壤濕度，例如利用SAR衛(wèi)星搭載的合成孔徑雷達進行遙感土壤濕度的方法(趙少華、楊永輝，基于雙時相ASAR影像的土壤濕度反演研究，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008年6月，184-188)，但是該方法受限于SAR衛(wèi)星的重返周期，數(shù)據(jù)的時間連續(xù)性不高，同一地方需幾日才能獲得一場數(shù)據(jù)。
[0006]目前一些學(xué)者開展了利用導(dǎo)航反射信號測量土壤濕度的研究。武漢大學(xué)曾利用天線和接收機進行過反射信號和直達信號的比值研究來反演土壤濕度(嚴(yán)頌華張訓(xùn)械，基于GNSS-R信號的土壤濕度反演研究，電波科學(xué)學(xué)報，2010年第I期)，但該方法主要利用的是GPS直達信號及反射信號功率的比值，容易受到地面粗糙度的影響。另一種方法是采用GPS干涉信號，如，采用搜索干涉信號的拐點來實現(xiàn)土壤濕度反演(專利CN201010207399.2)。
[0007]北斗系統(tǒng)是我國自主設(shè)計的導(dǎo)航系統(tǒng)，已經(jīng)轉(zhuǎn)入正式運行。根據(jù)我國于2013年底公開發(fā)布的北斗系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務(wù)信號2.0版，以及北斗系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范，系統(tǒng)目前在軌工作衛(wèi)星有5顆地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)衛(wèi)星，5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(IGSO)衛(wèi)星和4顆中高度圓軌道衛(wèi)星(MEO)衛(wèi)星，已經(jīng)正式服務(wù)于亞太區(qū)域，提供水平和垂直定位精度優(yōu)于10m(置信度95% )的服務(wù)范圍，即北斗系統(tǒng)公開服務(wù)區(qū)。
[0008]由于北斗衛(wèi)星星座中的IGSO衛(wèi)星(目前編號為C06 C07 C08 C09 C10)的24小時地球同步軌道，即所謂的大“8”字形軌道，衛(wèi)星星下點24小時軌跡在本服務(wù)區(qū)內(nèi)南北來回運動，因此它會呈現(xiàn)低仰角的信號?？梢岳迷撔盘柕母缮嫘?yīng)進行土壤濕度探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的局限性，本發(fā)明提供了一種采用北斗基準(zhǔn)站接收的北斗IGSO衛(wèi)星的直達信號與反射信號的干涉信號的相位來反演土壤濕度方法。
[0010]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于北斗基準(zhǔn)站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]步驟1.原始數(shù)據(jù)接收:
[0012]通過北斗接收機獲取北斗IGSO衛(wèi)星BI信號的仰角elevl、方位角AzimuthUBl信號的信噪比SI序列，從中選擇低仰角的信號，作為處理的序列；
[0013]步驟2.數(shù)據(jù)預(yù)選:
[0014]由于北斗IGSO衛(wèi)星BI信號的24小時的周期性，每天選擇同一仰角范圍的數(shù)據(jù)，即IGSO衛(wèi)星仰角上升期間的干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)作為待處理的數(shù)據(jù)源；
[0015]步驟3.北斗IGSO衛(wèi)星BI干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)的預(yù)處理；
[0016]其具體實現(xiàn)包括以下子步驟:
[0017]步驟3.1.去噪:由于待處理干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)中包含有高頻噪聲，故對其進行低通濾波處理；
[0018]步驟3.2.去趨勢項:由于北斗接收機的天線波束模式對不同仰角的衛(wèi)星信號有不同增益，因此干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)隨仰角變化，這是一個緩變的過程，表現(xiàn)為一個趨勢項，故擬合出待處理干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)的曲線趨勢項，再將其去掉；
[0019]步驟3.3.數(shù)據(jù)重組:將待處理干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)按仰角的正弦排列，合并相同元素得新的仰角正弦一信噪比序列；
[0020]步驟3.4.非均勻采樣信號頻譜分析:利用非均勻采樣信號頻譜分析方法來獲得待處理信噪比信號數(shù)據(jù)的頻率；
[0021]步驟3.5.非線性最小二乘曲線擬合:由于信噪比信號模型是相對于正弦仰角的正弦信號，故采用最小二乘法對待處理數(shù)據(jù)的信噪比信號進行正弦函數(shù)的曲線擬合，擬合出規(guī)則的正弦信號；
[0022]步驟4.建立待處理數(shù)據(jù)的擬合干涉信號相位值與土壤濕度經(jīng)驗關(guān)系，獲得擬合的干涉信號的相位基本變化趨勢與土壤濕度變化趨勢的拋物線關(guān)系；
[0023]步驟5.利用拋物線關(guān)系來反演土壤濕度:獲得某天北斗IGSO衛(wèi)星BI衛(wèi)星信噪比數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理擬合出當(dāng)天干涉信號相位，代入拋物線關(guān)系中求出當(dāng)天的土壤濕度。
[0024]作為優(yōu)選，其特征在于:步驟I中所述的低仰角，其仰角范圍從5度到30度。
[0025]作為優(yōu)選，其特征在于:步驟3.1中所述的低通濾波處理，其濾波的方法是采用5點滑動平均法。
[0026]作為優(yōu)選，其特征在于:步驟3.4中所述的非均勻采樣頻譜分析法，是Lomb非均勻譜分析法。
[0027]作為優(yōu)選，其特征在于:步驟4中所述的擬合干涉信號相位值與土壤濕度經(jīng)驗關(guān)系的建立，其實現(xiàn)過程為:從擬合出的正弦信號中提取其相位值，連續(xù)處理一個月的數(shù)據(jù)，并將其與這一個月中每日的實測土壤濕度值進行比對，將這I個月相位值按時間順序排列，并將這I個月的土壤濕度值按時間順序排列，將二者的變化趨勢繪制在一張圖中，獲得擬合的干涉信號功率信號相位基本變化趨勢與土壤濕度變化趨勢的拋物線關(guān)系，這個關(guān)系利用這個月的數(shù)據(jù)進行擬合后作為反演土壤濕度的模型。
[0028]本發(fā)明利用長期觀測的干涉信號的相位差進行濕度反演，例如類似北斗基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，由于干涉信號的相位變化與土壤濕度變化呈一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，所以可以利用已實測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計出相位與土壤濕度的對應(yīng)關(guān)系，建立利用相位來反演土壤濕度的數(shù)學(xué)模型。之后根據(jù)當(dāng)天的北斗衛(wèi)星干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)、提取出當(dāng)天干涉功率信號的相位來反演當(dāng)天的土壤濕度。本方法能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)或氣象研究，本發(fā)明的實施將會擴大北斗系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1:是本發(fā)明實施的北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理流程。
[0030]圖2:是本發(fā)明實施的北斗接收機的直達信號與反射信號幾何關(guān)系。
[0031]圖3:是本發(fā)明實施的北斗低仰角信號的數(shù)據(jù)選取。
[0032]圖4:是本發(fā)明實施的北斗IGSO衛(wèi)星信噪比信號的頻率和SNR相對于仰角的變化。
[0033]圖5:是本發(fā)明實施的北斗衛(wèi)星土壤濕度不同時造成的擬合信號相位移動圖。
[0034]圖6:是本發(fā)明實施的北斗衛(wèi)星的干涉信號相位與土壤濕度的拋物線關(guān)系。
【具體實施方式】
[0035]為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0036]本發(fā)明的特點是不知當(dāng)天土壤濕度情況下，可以根據(jù)連續(xù)幾天北斗衛(wèi)星的Rinex數(shù)據(jù)擬合出干涉信號功率相位與土壤濕度的直線關(guān)系，然后用這個直線關(guān)系來反演未知的土壤濕度。
[0037]下面以具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步說明。請見圖1，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于北斗基準(zhǔn)站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法，包括以下步驟:
[0038]步驟1:原始數(shù)據(jù)接收
[0039]首先在北斗基準(zhǔn)站(天線高度設(shè)為I米至3米之間)附近設(shè)置土壤濕度觀測站，連續(xù)觀測一個月左右的土壤濕度，存儲作為建模的依據(jù)。
[0040]同時連續(xù)接收該月中每天的北斗IGSO信號，準(zhǔn)備進行數(shù)據(jù)處理。
[0041]請見圖2，是北斗接收機的接收的直達信號與反射信號的幾何關(guān)系，圖中I表示北斗衛(wèi)星、2表示北斗接收機、3表示接收機接收的直達信號、4表示將射入土壤并反射到接收機的信號、5表示北斗衛(wèi)星相對于地平面的仰角Θ、6表示北斗接收機相對于地平面的高度h、7表示反射信號的有效遙感深度Λ h、8表示直達信號與反射信號的幾何路徑差Λ L，且AL = 2Hsin Θ , H = h+ Λ h。
[0042]因為北斗衛(wèi)星離地球大概有2萬公里，電波傳播是遠場，所以IGSO衛(wèi)星的信號以平行波的形式入射到地平面。在計算Λ L時直達信號3與入射到土壤的信號4相對于地平面的夾角都是Θ。
[0043]根據(jù)圖2，天線接收到的干涉信號由直達信號和反射信號組成u = udir+uref,由于信號從距地球2萬多公里的衛(wèi)星上發(fā)射，到達地球表面時可以看做是平面波入射，地面北斗接收機采用圓極化天線接收，接收天線能夠接收信號中的左旋和右旋分量，其增益分別為Fl和Fr。
[0044]接收到的直達信號可表示為Uto = uinc;，KFK其中uiM，K為入射的右旋信號。而反射信號為Uref = Uref' θχρ[?Φ(θ)]，其中，Uref'是直達信號經(jīng)地表的反射信號，Φ(θ)是由于反射信號與直達信號的路徑差引起的相位，的表達式可以寫為:
[0045]Uref — (Uinc ’ R Vs+Uinc ’ LVX) Fe+ (Uinc ’ LVs+uinc； EVX) Fl
[0046]其中，Vs為同極化系數(shù)，Vx為交叉極化系數(shù)。由于北斗IGSO衛(wèi)星僅僅發(fā)射單純的右旋極化信號，即入射波中的左旋分量Uinca = O。則反射信號的表達式如下:
[0047]Uref = Uref' exp [?Φ ( Θ )]
[0048]其中反射信號uMf'由右旋極化部分Uinca的同極化分量VsFk(入射右旋圓極化信號經(jīng)反射產(chǎn)生的右旋圓極化分量)和交叉極化分量VxFJ右旋圓極化信號產(chǎn)生的左旋圓極化分量)。
[0049]Uref' = uinc； EVsFE+uinc；EVxFL = uinc；E(VsFE+VxFL)
[0050]而Φ為直達信號和反射信號的相位差:

[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種基于北斗基準(zhǔn)站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1.原始數(shù)據(jù)接收: 通過北斗接收機獲取北斗IGSO衛(wèi)星BI信號的仰角elevl、方位角Azimuthl、BI信號的信噪比SI序列，從中選擇低仰角的信號，作為處理的序列； 步驟2.數(shù)據(jù)預(yù)選: 由于北斗IGSO衛(wèi)星BI信號的24小時的周期性，每天選擇同一仰角范圍的數(shù)據(jù)，SPIGSO衛(wèi)星仰角上升期間的干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)作為待處理的數(shù)據(jù)源； 步驟3.北斗IGSO衛(wèi)星BI干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)的預(yù)處理； 其具體實現(xiàn)包括以下子步驟: 步驟3.1.去噪:由于待處理干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)中包含有高頻噪聲，故對其進行低通濾波處理； 步驟3.2.去趨勢項:由于北斗接收機的天線波束模式對不同仰角的衛(wèi)星信號有不同增益，因此干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)隨仰角變化，這是一個緩變的過程，表現(xiàn)為一個趨勢項，故擬合出待處理干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)的曲線趨勢項，再將其去掉； 步驟3.3.數(shù)據(jù)重組:將待處理干涉信號的信噪比數(shù)據(jù)按仰角的正弦排列，合并相同元素得新的仰角正弦一信噪比序列； 步驟3.4.非均勻采樣信號頻譜分析:利用非均勻采樣信號頻譜分析方法來獲得待處理信噪比信號數(shù)據(jù)的頻率； 步驟3.5.非線性最小二乘曲線擬合:由于信噪比信號模型是相對于正弦仰角的正弦信號，故采用最小二乘法對待處理數(shù)據(jù)的信噪比信號進行正弦函數(shù)的曲線擬合，擬合出規(guī)則的正弦信號； 步驟4.建立待處理數(shù)據(jù)的擬合干涉信號相位值與土壤濕度經(jīng)驗關(guān)系，獲得擬合的干涉信號的相位基本變化趨勢與土壤濕度變化趨勢的拋物線關(guān)系； 步驟5.利用拋物線關(guān)系來反演土壤濕度:獲得某天北斗IGSO衛(wèi)星BI衛(wèi)星信噪比數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理擬合出當(dāng)天干涉信號相位，代入拋物線關(guān)系中求出當(dāng)天的土壤濕度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于北斗基準(zhǔn)站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法，其特征在于:步驟I中所述的低仰角，其仰角范圍從5度到30度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于北斗基準(zhǔn)站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法，其特征在于:步驟3.1中所述的低通濾波處理，其濾波的方法是采用5點滑動平均法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于北斗基準(zhǔn)站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法，其特征在于:步驟3.4中所述的非均勻采樣頻譜分析法，是Lomb非均勻譜分析法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于北斗基準(zhǔn)站接收的低仰角信號的土壤濕度反演方法，其特征在于:步驟4中所述的擬合干涉信號相位值與土壤濕度經(jīng)驗關(guān)系的建立，其實現(xiàn)過程為:從擬合出的正弦信號中提取其相位值，連續(xù)處理一個月的數(shù)據(jù)，并將其與這一個月中每日的實測土壤濕度值進行比對，將這I個月相位值按時間順序排列，并將這I個月的土壤濕度值按時間順序排列，將二者的變化趨勢繪制在一張圖中，獲得擬合的干涉信號功率信號相位基本變化趨勢與土壤濕度變化趨勢的拋物線關(guān)系，這個關(guān)系利用這個月的數(shù)據(jù)進行擬合后作為反演土壤濕度的模型。
【文檔編號】G01N23/00GK104020180SQ201410275548
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】嚴(yán)頌華, 趙芬, 陳能成, 劉志忠 申請人:武漢大學(xué)