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申请/专利权人：山东大学

摘要：本发明涉及GNSS土壤湿度测量技术领域，且公开了一种地基双频GNSS‑R土壤湿度探测系统，包括探测装置，探测装置包括升降式实验平台，升降式实验平台上设置有天线架，天线架上设置有GNSS‑R天线，GNSS‑R天线与接收机连接，GNSS‑R天线包括右旋圆极化天线和左旋圆极化天线，右旋圆极化天线、左旋圆极化天线通过天线馈线与四通道中频信号采集器连接，四通道中频信号采集器通过传输线与PC端连接；PC端安装有多通道直反数字信号处理模块、土壤湿度反演模块以及卫星高度角和方位角计算模块。本发明采用上述探测系统，双天线对直射与反射信号进行接收、处理，通过多通道直反数字信号处理模块与土壤湿度反演模块得到更加精确的目标区域的土壤湿度。

主权项：1.一种地基双频GNSS-R土壤湿度探测系统，其特征在于：包括探测装置，探测装置包括升降式实验平台，升降式实验平台上设置有天线架，天线架上设置有GNSS-R天线，GNSS-R天线与接收机连接，GNSS-R天线包括用于接收导航系统中卫星直射信号的右旋圆极化天线和用于接收土壤反射的卫星的反射信号的左旋圆极化天线，右旋圆极化天线、左旋圆极化天线通过天线馈线与四通道中频信号采集器连接，四通道中频信号采集器通过传输线与PC端连接；PC端安装有多通道直反数字信号处理模块、土壤湿度反演模块以及卫星高度角和方位角计算模块，多通道直反数字信号处理模块，用于对多路数字中频信号进行处理得到直、反射信号的功率信息；土壤湿度反演模块，用于根据直、反射信号功率信息、GNSS-R设备位置以及卫星星历信息进行反演得到待测反射区域的土壤湿度；卫星高度角和方位角计算模块，针对捕获到的卫星采用卫星星历求解，结合GNSS-R设备位置，计算出卫星每一时刻的高度角和方位角；直、反射信号功率信息包括可视卫星的PRN号、直射与反射信号功率峰值、平均值、噪声值、信噪比，卫星星历信息包括卫星方位角、高度角信息，GNSS-R设备位置信息包括GNSS-R设备在地心地固空间直角坐标系中的X、Y和Z位置信息；土壤湿度反演模块包括：功率比-反射率计算模块，进行反射率模型的构建，建立直、反射信号功率比大小与土壤反射率之间的映射关系，得到土壤反射率估计值；反射率-介电常数的计算模块，根据卫星高度角变化建立土壤反射率与土壤介电常数之间的映射关系，得到土壤介电常数估计值；介电常数-土壤湿度的计算模块，根据土壤介电模型中的Wang经验模型、Topp经验模型建立介电常数与土壤体积含水量之间的映射关系，对介电常数超限值进行剔除，得到所测反射区范围的土壤湿度估计值；多通道直反数字信号处理模块包括：中频信号读取模块，用于中频信号读取；信号同步模块，用于直射、反射信号同步；本地码发生器，用于根据接收到的卫星信号伪随机噪声码产生本地伪码；伪码剥离模块，用于分别将直射、反射信号的两路载波剥离，并与本地伪码相关从而剥离伪码，经过相干积分生成四路信号；相干积分模块、用于对直射、反射信号进行相干积分；非相干累加模块，用于对相干积分后的结果平方之后进行第二次累积，得到直射和反射信号的相关功率值；右旋圆极化天线和左旋圆极化天线均包裹设置有用于隔绝串扰信号的屏蔽网；四通道中频信号采集器通过USB3.0传输线与PC端连接；右旋圆极化天线、左旋圆极化天线的天线馈线通过低噪声放大器和功率分配器与四通道中频信号采集器连接；接收机、PC端分别与电源连接；升降式实验平台包括高杆和升降式圆盘，天线架设置在升降式圆盘上，高杆的高度为15m；右旋圆极化天线向上倾斜45°安置，左旋圆极化天线最大增益方向指向方位角192°，向下倾斜45°安置；该地基双频GNSS-R土壤湿度探测系统的实施步骤包括：在升降式圆盘降至最低时，将天线架、低噪声放大器、功率分配器、四通道中频信号采集器、PC端、存储硬盘装置固定在升降式圆盘上，在天线架上架设GNSS-R天线；将右旋圆极化天线连接GNSS卫星直射信号天线馈线，左旋圆极化天线连接GNSS卫星反射信号天线馈线，在双天线外侧附加屏蔽网；右旋圆极化天线、左旋圆极化天线分别接收卫星的直射信号和地面反射信号；将接收机连接电源，PC端连接电源、网络与存储硬盘；将直、反射天线馈线经过低噪声放大器和功率分配器分别与四通道中频信号采集器直、反射接口连接，四通道中频信号采集器通过USB3.0传输线与PC端连接；用装有配套信号采集系统的PC端进行信号采集，采集GPS、BDS、QZSS信号数据；将接收到的射频信号经射频前端滤波下变频转换为模拟中频信号，AD采样量化后得到卫星数字信号中频数据；根据信号频点，利用多通道直反数字信号处理模块对中频数据完成直射信号同步与反射信号同步；使用接收机获取GNSS-R装置的三维位置；利用卫星高度角和方位角计算模块解算卫星高度角及方位角；直射与反射信号分别与本地同步信号进行相关运算和非相干积分，提取直、反射信号功率，根据天线技术指标及架设情况先验信息修正直射和反射信号功率；根据得到的直、反射卫星信号的功率值，在土壤湿度反演模块中根据土壤湿度反演原理得到土壤湿度值；GNSS信号功率与信号幅度之比的平方成正比，而反射率R则为卫星反射信号功率和卫星直射信号功率之比： 式中，Pd,p代表卫星直射信号的功率，Pr，q代表卫星反射信号的功率；引入噪声与误差的影响，反射率R则表示为： 式中，Rp，q为p极化入射波对应q极化反射波时的反射率；为时间平均；Δτ为镜面反射信号和直射信号的路径差所需时延；fd为卫星直射信号多普勒；fr为卫星反射信号多普勒；Yr，qΔτ，fr为q极化接收时反射信号相关值的峰值；Yd,q0，fd为p极化接收时直射信号相关值的峰值；将任意t0时刻的本地伪距观测码与接收天线经过τ时间输出的直射信号相关值为： 式中，为直射信号；Ad·为直射信号幅值；C·为扩频码；D·为数据位；fc为卫星信号载波频率；fd为直射信号载波多普勒；为载波相位，Ti为相干积分时间；f0表示t0时刻的参考多普勒频移；在τ＝0、f0＝fd时有： 反射信号相关值为： 那么反射率R表示为： 其中Ar·为反射信号幅值；在反射系数方面：当入射波为圆极化波的情况下，介质表面散射复数场为： 式中，分别为入射与散射复数场的右旋分量与左旋分量；U代表散射矩阵，用散射系数表示为： 联立得垂直和水平极化的散射系数与入射及散射复数场的场强关系如下： 令以上两式表示为： 信号垂直极化分量和水平极化分量的菲涅尔反射系数为： 式中，Γvv为垂直极化的反射系数，Γhh为水平极化的反射系数，ε为反射面的复介电常数，θ为卫星高度角；右旋圆极化发射左旋圆极化接收，以及右旋圆极化发射右旋圆极化接收的菲涅尔反射系数公式为： 利用左旋圆极化天线接收反射信号的反射率Rrl为反射系数Γrl的平方，右旋发射左旋接收情况的反射率表示为： 带入地表粗糙度，反射率R表示为： 式中，Rε，θ为土壤反射率，为波数，f为载波频率，c为光速；σh为地表高度标准差；介电常数为复数，用于衡量土壤的介电常数，表示为：ε＝ε′-Jε″式中，ε′是实部，ε″是虚部，非盐渍化土壤情况下，介电常数的虚部省略；土壤的介电常数模型则建立起土壤介电常数和土壤体积含水量之间的对应关系，常用的土壤介电模型中，Wang经验模型与Topp经验模型使用广泛，二者公式如下：Topp经验模型：ε＝3.03+9.3mv+146.0mv2-76.7mv3简化Wang经验模型：ε＝3.1+17.36mv+63.12mv2因此，采取以上直、反射信号功率-土壤介电常数-土壤体积含水量的数学模型，实现GNSS-R土壤湿度反演的理论过程；考虑地表粗糙度影响的土壤反射率为： 式中，PD、PR分别表示接收机接收到的直射与反射信号功率，mv表示体积含水量；根据土壤介电模型，结合土壤湿度真实取值范围，联立求解实现利用GNSS卫星直射与反射信号功率求解土壤湿度的过程。

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