双线极化天线GNSS土壤湿度测量方法与流程

本发明涉及一种双线极化天线gnss土壤湿度测量方法，属于土壤湿度测量技术领域。

背景技术：

全球卫星导航系统反射信号(globalnavigationsatellitesystemreflection,gnss-r)利用地面反射的gnss信号(如gps卫星信号、北斗卫星信号等)，使用地基、空基或星基的gnss接收器对直射信号和反射信号进行处理，由于反射信号对土壤湿度敏感，因此可以用于土壤湿度的反演。对于通过gnss-r对土壤湿度进行测量的方法，目前主要是双天线法和单天线法。双天线法分别用左旋圆极化天线和右旋圆极化天线接收gnss直射信号和反射信号进行反演，而单天线法则是仅使用一根右旋圆极化天线接收干涉信号进行反演。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明目的在于，提供一种双线极化天线gnss土壤湿度测量方法，使用双线极化天线，利用水平和垂直极化天线接收信号相位差来反演土壤湿度，可行性强、易于操作。

本发明所述双线极化天线gnss土壤湿度测量方法，包含以下步骤：

步骤1：gnss信号接收处理,设置好双线极化天线gnss信号接收机，gnss信号接收机的垂直极化天线和水平极化天线分别接收到gnss直射信号和反射信号形成的干涉信号，记为uv和uh；

步骤2：双线极化天线接收信号相位差提取，计算步骤1得到的uh和uv的相位，提取uh和uv的相位差；

步骤3：土壤湿度反演，利用步骤2得到的双线极化天线接收信号的相位差，对土壤湿度进行反演。

优选的，所述双线极化天线gnss信号接收机为地基gnss信号接收机，具有垂直极化和水平极化两副天线，均可以接收直射信号和反射信号形成的干涉信号。

优选的，步骤2的具体实施方式如下：

对于水平或垂直极化天线，其接收到的干涉信号的功率用下式表示：

上式中，fn(θelev)表示天线方向图；表示入射电场幅度；|rq(θelev，∈r)|表示在极化方向为q(垂直或水平)的菲涅尔反射系数的模值；表示由于直射信号和反射信号路径差造成的相位差；其中，h为接收天线的高度，φrq(θelev，∈r)表示极化方向为q的菲涅尔反射系数的相位，∈r为土壤表面的相对介电常数；

水平或垂直极化天线接收到的最大功率和最小功率分别为：

当天线高于3米时，干涉信号相邻的两个极值点之间的距离小于1°，可以忽略不计，因此菲涅尔反射系数可用下式来估计：

由上式可知，菲涅尔反射系数与卫星高度角和土壤介电常数均有关系，通过得到的菲涅尔反射系数以及卫星高度角可以得到镜面反射点的介电常数，而通过介电常数即可反演出该点的土壤湿度，由于gnss卫星时刻在运动，镜面反射点也会变化，由此，可以对一片区域内的多个不同地点进行土壤湿度的估计；

根据上述分析可知，在垂直极化天线和水平极化天线接收到的干涉信号中，极大值点的幅度值为1+|rq(θelev，∈r)|，出现在δφ+φrq(θelev，∈r)＝2kπ时；极小值点的幅度值为1-rq(θelev，∈r)|，出现在δφ+φrq(θelev，∈r)＝(2k+1)π时；

为了计算水平或垂直极化方向天线接收到的ipt的相位差，首先应该分别计算uv和uh的相位，可以统一选择每一个极化方向的第一个极大值点或第一个极小值点作为参考相位点，相邻的极大值和极小值之间的相位差为π，两极值点之间的各点相位可视为依高度角线性均匀增加，这样就得到了uv和uh的相位与高度角之间的关系，记为φv和φh，记φhv＝φh-φv为uh与uv的相位差，对其进行相位解缠操作，使φhv落在[0，2π)内，至此，完成双极化天线相位差提取。

优选的，步骤3的具体实施方式如下：

对于步骤2得到的双线极化天线接收信号相位差φhv，观测到φhv由一较小值逐渐增大的过程，φhv刚好等于90°的时候，其对应的卫星高度角θelev即为布儒斯特角θb，如φhv有多次等于90°，则应将其对应的几个卫星高度角求平均值，记为布儒斯特角θb，

布儒斯特角θb与土壤表面相对介电常数∈r的关系如下：

利用上式可通过布儒斯特角θb得到土壤表面相对介电常数∈r，通过∈r反演得到土壤湿度；

土壤湿度与土壤介电常数的三次经验公式为：

ωv＝-5.3×10-2+2.92×10-2∈-5.5×10-4∈2+4.3×10-6∈3#(6)

上式中，ωv为土壤湿度，∈为土壤介电常数。根据上式，可由相对介电常数反演出土壤湿度。

本发明的有益效果：

本发明具有土壤湿度测量过程，计算量较小，可用计算机进行运算，也可烧写至fpga中或使用其他廉价的嵌入式设备进行运算，具有成本低、应用范围广、易于操作等优点。

附图说明

图1本发明测量方法流程框图。

图2本发明gnss接收机应用场景示意图。

图3本发明双线极化天线接收到的干涉信号示意图。

图4本发明双线计划天线接收信号相位差示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

如图1-4所示，本发明所述双线极化天线gnss土壤湿度测量方法，包含以下步骤：

步骤1：gnss信号接收处理,设置好双线极化天线gnss信号接收机，所述双线极化天线gnss信号接收机为地基gnss信号接收机，具有垂直极化和水平极化两副天线，均可以接收直射信号和反射信号形成的干涉信号，gnss信号接收机的垂直极化天线和水平极化天线分别接收到gnss直射信号和反射信号形成的干涉信号，记为uv和uh；

步骤2：双线极化天线接收信号相位差提取，计算步骤1得到的uh和uv的相位，提取uh和uv的相位差；

具体的，对于水平或垂直极化天线，其接收到的干涉信号的功率用下式表示：

上式中，fn(θelev)表示天线方向图；表示入射电场幅度；|rq(θelev，∈r)|表示在极化方向为q(垂直或水平)的菲涅尔反射系数的模值；表示由于直射信号和反射信号路径差造成的相位差；其中，h为接收天线的高度，φrq(θelev，∈r)表示极化方向为q的菲涅尔反射系数的相位，∈r为土壤表面的相对介电常数；

水平或垂直极化天线接收到的最大功率和最小功率分别为：

当天线高于3米时，干涉信号相邻的两个极值点之间的距离小于1°，可以忽略不计，因此菲涅尔反射系数可用下式来估计：

由上式可知，菲涅尔反射系数与卫星高度角和土壤介电常数均有关系，通过得到的菲涅尔反射系数以及卫星高度角可以得到镜面反射点的介电常数，而通过介电常数即可反演出该点的土壤湿度，由于gnss卫星时刻在运动，镜面反射点也会变化，由此，可以对一片区域内的多个不同地点进行土壤湿度的估计；

根据上述分析可知，在垂直极化天线和水平极化天线接收到的干涉信号中，极大值点的幅度值为1+|rq(θelev，∈r)|，出现在δφ+φrq(θelev，∈r)＝2kπ时；极小值点的幅度值为1-|rq(θelev，∈r)|，出现在δφ+φrq(θelev，∈r)＝(2k+1)π时；

为了计算水平或垂直极化方向天线接收到的ipt的相位差，首先应该分别计算uv和uh的相位，可以统一选择每一个极化方向的第一个极大值点或第一个极小值点作为参考相位点，相邻的极大值和极小值之间的相位差为π，两极值点之间的各点相位可视为依高度角线性均匀增加，这样就得到了uv和uh的相位与高度角之间的关系，记为φv和φh，记φhv＝φh-φv为uh与uv的相位差，对其进行相位解缠操作，使φhv落在[0，2π)内，至此，完成双极化天线相位差提取。

步骤3：土壤湿度反演，利用步骤2得到的双线极化天线接收信号的相位差，对土壤湿度进行反演。

具体的，对于步骤2得到的双线极化天线接收信号相位差φhv，观测到φhv由一较小值逐渐增大的过程，φhv刚好等于90°的时候，其对应的卫星高度角θelev即为布儒斯特角θb，如φhv有多次等于90°，则应将其对应的几个卫星高度角求平均值，记为布儒斯特角θb，

布儒斯特角θb与土壤表面相对介电常数∈r的关系如下：

利用上式可通过布儒斯特角θb得到土壤表面相对介电常数∈r，通过∈r反演得到土壤湿度；

土壤湿度与土壤介电常数的三次经验公式为：

ωv＝-5.3×10-2+2.92×10-2∈-5.5×10-4∈2+4.3×10-6∈3#(6)

上式中，ωv为土壤湿度，∈为土壤介电常数。根据上式，可由相对介电常数反演出土壤湿度。

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