專利名稱：土壤濕度估計的系統(tǒng)和方法
土壤濕度估計的系統(tǒng)和方法 關(guān)聯(lián)申請的交叉引用本申請涉及并要求2006年12月7日提交的題為"Systems And Methods For Soil Moisture Estimation Using Broadband, Low-Frequency Electromagnetic Signals"的60/873， 629號美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，本公布被全篇援引 包含于此。發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及土壤濕度含量的測量和表征，更具體地涉及使用電磁輻射確定 大型地理區(qū)域的土壤濕度含量的方法和系統(tǒng)。相關(guān)技術(shù)的說明地面濕度測量對于我們理解地球水系統(tǒng)是重要的。在許多可能的應(yīng)用中， 對地面濕度含量精確和最新的認(rèn)識能實現(xiàn)更準(zhǔn)確的基于模型的天氣/氣候預(yù) 測，并幫助管理例如山洪暴發(fā)預(yù)報的天氣關(guān)聯(lián)現(xiàn)象。此外，地面濕度變化的認(rèn) 識具有多種農(nóng)業(yè)應(yīng)用，例如幫助更有效的收割管理和干旱監(jiān)測。盡管已研發(fā)出小規(guī)模的局部土壤濕度管理系統(tǒng)，然而對于地方規(guī)模和大陸 規(guī)模的改善的土壤濕度估計存在無疑問的需求。在已有應(yīng)用中尤其缺少的是獲 得連續(xù)的、廣域的、近地面的(5-200cm)儲水量測量的方法和系統(tǒng)。這例如 因為北美土地數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(NLMS)依賴由氣象數(shù)據(jù)作用的多個模型來推導(dǎo) 儲水量，然而來自這些模型的推導(dǎo)結(jié)果并不理想地一致。過去已使用若干技術(shù)來獲得土壤濕度估計。一種方法包括使用局部探針以 測量固定位置的土壤濕度。這在廣域范圍內(nèi)是無法實現(xiàn)的。另外，由于對流風(fēng) 暴中的降雨量在幾公里距離的范圍內(nèi)變化明顯，因此源自點(diǎn)測量的土壤濕度估計可能無法準(zhǔn)確地反映廣闊區(qū)域情況?？赏ㄟ^將降雨估計和水文模型結(jié)合而獲 得廣域估計，但不管是模型還是降雨估計都是糟糕的，并導(dǎo)致極大的誤差。當(dāng) 前，基于空間的無源微波測量提供另一種選擇，但即使是這種方法也遭遇到由 于植被引起的有限滲透深度和/或信號衰減。另外，當(dāng)前沒有地面濕度的連續(xù) 對地同步衛(wèi)星監(jiān)測的計劃，至少在北美是如此。因此，需要改進(jìn)的系統(tǒng)和方法 以獲得廣域的、連續(xù)的土壤濕度估計。發(fā)明概述給出土壤濕度估計的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的各個方面示出使用地面?zhèn)鞑サ牡皖l(LF)和中頻(MF)電磁信號推測近地面(將近l米)儲水量變化的可能 性。更具體地，本發(fā)明的各個方面示出由云-地(CG)閃電產(chǎn)生的傳播電磁場波形的上升時間對與土壤濕度的變化相關(guān)聯(lián)的地面電導(dǎo)率的變化非常敏感。本發(fā)明可采用閃電和人造發(fā)射源(LF和MF頻率范圍內(nèi))以提供連續(xù)的土壤濕度 估計。所得到的儀器和方法可用來制造連續(xù)(例如將近每小時)廣域(例如大 陸規(guī)模)的土壤濕度信息，并提供該信息作為商業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)的一部分。在某些 實施例中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法能更好地估計土壤濕度相比絕對土壤濕度 的變化。在一個實施例中，公布一種用于估計近地面土壤濕度的方法，該方法包括 測量來自兩個或更多個接收元位置之間傳播的電磁地面波的信號；確定與多對 位置之間的平均電導(dǎo)率成正比的傳遞特征；并確定在從分析多對位置之間確定 的電導(dǎo)率和電導(dǎo)率和土壤濕度之間事先確定的地區(qū)性關(guān)系獲得的一個或更多個地區(qū)中的估計土壤濕度?？赏ㄟ^云一地閃電產(chǎn)生電磁波。在該實施例或其它 實施例中，傳遞特征取自頻域中的波形參數(shù)或多個時域參數(shù)并從信號的上升沿 特征確定。在一個實施例中，時域參數(shù)包括信號的峰值振幅、時延和上升時間 中的至少一個。在另一實施例中，提供一種用于估計近地面土壤濕度的方法，該方法包括: 在兩個或更多個接收元位置測量來自由一個或更多個人造窄帶發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的、 頻率范圍為30kHz — 5MHz的電磁地面波的信號；確定正比于兩對位置之間的平均電導(dǎo)率的傳遞特征；并確定在從多對位置之間的確定的電導(dǎo)率和獲知電導(dǎo)率 和土壤濕度之間的地區(qū)性關(guān)系而獲得的一個或更多個地區(qū)中的估計土壤濕度； 在各實施例中，傳遞特征取自時域中的波形參數(shù)。在一個實施例中，該時域參 數(shù)包括峰值振幅和相位延遲中的至少一個。傳遞特征也可取自頻域中的波形參 數(shù)。在又一實施例中，提供一種估計近地面土壤濕度的方法，該方法包括測 量來自由至少一個接收元位置的云一地閃電的一個或更多個返回行程產(chǎn)生的 電磁地面波的信號；確定與各個閃電位置以及一個或更多個接收元之間的平均 電導(dǎo)率成正比的傳遞特征；確定在從閃電放電位置和至少一個接收元位置之間 的確定的電導(dǎo)率和獲知電導(dǎo)率和土壤濕度之間的地區(qū)性關(guān)系而獲得的一個或 更多個地區(qū)中的估計土壤濕度。在該實施例和其它實施例中，從頻域的波形參 數(shù)或多個時域參數(shù)獲得傳遞特征，并從信號的上升沿特征予以確定。在一個實 施例中，時域參數(shù)包括信號的峰值振幅、時延和上升時間中的至少一個。在另一實施例中，給出一種估計近地面土壤濕度的方法，該方法包括合 成作為地面波傳播的寬帶信號；在已知時間將合成的信號從發(fā)射元位置作為耦 合于地面?zhèn)鞑ソ橘|(zhì)的電磁波發(fā)送；測量在一個或更多個接收元位置接收到的一 個或更多個信號；確定與多對位置之間的平均電導(dǎo)率成正比的傳遞特征；并確 定在從(a)發(fā)射元位置和至少一個接收元位置之間確定的電導(dǎo)率以及(b)獲知 電導(dǎo)率和土壤濕度之間的地區(qū)性關(guān)系而獲得的一個或更多個地區(qū)中的估計土 壤濕度。傳遞特征可取自該時域中的波形參數(shù)，而該波形參數(shù)可包括針對至少 一個頻率的峰值振幅和相位延遲中的至少一個。另外，傳遞特征可取自頻域中的波形參數(shù)?？僧a(chǎn)生一組代表寬帶測試信號的向量并將其適當(dāng)格式化以代表發(fā) 射源的輸入。在某些實施例中，可能無法準(zhǔn)確地知道合成信號的發(fā)射時間并可 采用兩個或更多個接收元。在其它實施例中，寬帶信號包括偽隨機(jī)噪聲信號或 寬帶高斯噪聲信號。例如，可通過規(guī)定廣播起始時間、廣播結(jié)束時間、廣播重 復(fù)間隔或廣播重復(fù)次數(shù)中的至少一個來控制廣播信號的廣播。在一個實施例中還提供一種土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，包括耦合于各自位于一 個或更多個接收元位置的一個或更多個RF接收元以及輸入存檔的數(shù)據(jù)采集和管理組件；耦合于數(shù)據(jù)采集和管理組件、乘積發(fā)生器和輸出存檔的中央處理組 件；以及耦合于處理組件并存儲指令的存儲器，當(dāng)執(zhí)行該指令時，使處理組件 獲得從在發(fā)射機(jī)和至少一個接收元位置之間作為地面波傳播的電磁波測得的 信號；確定與發(fā)射機(jī)和至少一個接收元之間的平均電導(dǎo)率成正比的傳遞特征； 并確定在通過分析多對位置之間確定的電導(dǎo)率以及電導(dǎo)率和土壤濕度之間事 先確定的地區(qū)性關(guān)系獲得的一個或更多個地區(qū)中的估計土壤濕度。 一個或更多 個RF接收元位置中的每一個彼此間隔一事先確定的最小距離，并在一個實施 例中，該事先確定的最小距離是l公里。在另一實施例中，數(shù)據(jù)采集和管理組 件進(jìn)一步耦合于(a)包含發(fā)射機(jī)的RF發(fā)射源；以及(b)另行耦合于數(shù)據(jù)采集和 管理組件的輸入發(fā)生器，該輸入發(fā)生器被配置成創(chuàng)建代表RF發(fā)射源輸入的數(shù) 據(jù)。該發(fā)射源可進(jìn)一步包括以能夠作為地面波傳播的一個或更多個頻率發(fā)送信 號的一個或更多個發(fā)射元，在本實施例中，傳遞特征可取自時域中的波形參數(shù)， 例如峰值振幅和相位延遲，或取自頻域中的波形參數(shù)。在另一實現(xiàn)方式中，上述土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)一步包括具有由一個或更多 個云一地閃電返回行程產(chǎn)生的RF能量的發(fā)射源，而傳遞特征取自時域中的波 形參數(shù)。在本實現(xiàn)方式中，從包括信號的峰值振幅、時延、上升時間的至少一 個的信號的上升沿特性確定多個時域參數(shù)，，或傳遞特征可取自頻域中的波形 參數(shù)。在上述系統(tǒng)的又一實現(xiàn)方式中，電磁波包括例如AM、 L0RAN、 ATC定向信 標(biāo)的RF源、人造寬帶電磁能量源以及這些源類型的組合。在該實現(xiàn)方式中， 傳遞特征取自時域中的波形參數(shù)，而這些參數(shù)可包括峰值振幅和相位延遲中的 至少一個。傳遞特征也可取自頻域中的波形參數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解，不管是前面的一般說明還是后面的詳細(xì)說明都僅為示例性和闡 述性的并不象權(quán)利要求書那樣構(gòu)成對本發(fā)明的限制。包含于此并構(gòu)成說明書一部分的附圖示出本發(fā)明的若干實施例并與說明 書一起用來解釋本發(fā)明的原理。附圖簡述

圖1示出土壤濕度測量系統(tǒng)的實施例的方框圖。圖2示出土壤濕度測量的示例性過程，以特征化的一部分土地作為背景。 圖3示出沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ǖ男盘査p和相位特性，針對一個電導(dǎo)率為10mS/m而傳播距離為100km的例子。圖4a示出在各種傳播條件下負(fù)極性云一地閃電的第一行程的示例性電場 波形。圖4b示出AM發(fā)射機(jī)在兩個傳播距離產(chǎn)生的示例性信號。 圖5示出發(fā)射和接收元的示例性特殊布局。圖6針對兩個不同的a值提供作為土壤濕度函數(shù)的電導(dǎo)率的圖示。 圖7是描述求解阻抗值的過程的流程圖。現(xiàn)在詳細(xì)參照本發(fā)明的示例性實施例，其示例示出于附圖中。不管在何處， 相同的附圖標(biāo)記在各附圖中用來表示相同或相似的部分。實施例的說明本發(fā)明的實施例通過使用地面?zhèn)鞑ル姶艌鰷y量地球表面附近的電導(dǎo)率變 化而提供土壤濕度的估計。參照圖l,給出本發(fā)明的示例系統(tǒng)IOO。 RF發(fā)射源 115包括一個或更多個發(fā)射元，它們以能夠作為地面波傳播的一個或更多個頻 率——例如30kHz至5MHz——發(fā)射信號(表示為TXi)。在一個實施例中，發(fā) 射元可包括例如AM、 LORAN、 ATC定向信標(biāo)的人造RF源或其它合適的電磁能量 的人造源。作為選擇，輸入發(fā)生器110創(chuàng)建可提供給發(fā)射源115的輸入的數(shù)據(jù)、 信號或數(shù)據(jù)向量，或在另一實施例中，提供給發(fā)射源的輸入包括在例如閃電行 程的RF源的特征中，在與發(fā)射元隔開且彼此隔開一適當(dāng)距離(例如至少幾公 里)的一個或更多個RF接收元或傳感器120處接收傳播的信號TXi，而接收的 信號S」被中繼至集中式數(shù)據(jù)采集/管理組件125。數(shù)據(jù)采集組件125也可與供 選擇的輸入發(fā)生器110以及RF發(fā)射源115形成鏈路，以使傳播的RF信號的產(chǎn) 生、發(fā)送和測量中涉及的所有數(shù)據(jù)和信號都存儲在輸入存檔130以供額外的檢 索和/或分析。數(shù)據(jù)采集和管理元125將信息中繼至采集并處理信息的中央處 理系統(tǒng)135，導(dǎo)致可由乘積發(fā)生器組件傳遞的信息乘積。在輸出存檔140中存 儲由乘積發(fā)生器使用的經(jīng)處理的信息。在許多實施例中，發(fā)射元115或者是云一地(CG)閃電放電、寬帶LF/MF 信號，或者是由人造發(fā)射源產(chǎn)生的窄帶傳輸，例如LF和MF范圍內(nèi)的導(dǎo)航信號 或其它無線電輻射。接收元120或者是例如用于閃電檢測的寬帶傳感器，或者 是設(shè)計成在要求頻率下工作的窄帶接收機(jī)。窄帶接收機(jī)或者具有固定的工作頻 率，或者使用可調(diào)節(jié)的工作頻率。中央處理系統(tǒng)135可確定發(fā)射機(jī)信號TXi和 由傳感器Sj接收的信號間的信號特征的差別，并因此確定這些元之間的路徑的 平均電導(dǎo)率。中央處理系統(tǒng)135隨后基于由建模和/或測量的關(guān)系產(chǎn)生的地區(qū) 性特定轉(zhuǎn)換表將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換成土壤濕度飽和性的百分比估計。由于CG閃電關(guān)聯(lián)于同樣產(chǎn)生對流降雨的雷暴，因此由閃電產(chǎn)生的高能LF 電磁場可用來"探測"土壤濕度(基于地面電導(dǎo)率變化)。許多地區(qū)接受來自 產(chǎn)生閃電以及土壤濕度變化的對流風(fēng)暴的一半以上的降雨量。雷暴不是在任何時間都出現(xiàn)在所有位置，因此本發(fā)明的實施例提供若干種 代替形式的電磁信號，這類電磁信號可用來"探測"土壤濕度的變化。例如， 但不局限于，美國通信委員會(FCC)已展示出AM無線電信號可用來推導(dǎo)廣闊 地區(qū)的土壤電導(dǎo)率。然而，由FCC采用的技術(shù)不適應(yīng)連續(xù)監(jiān)測因土壤濕度變化 引起的土壤電導(dǎo)率的變化，并且不支持從電導(dǎo)率測量推導(dǎo)出土壤濕度。相比己有用于估計土壤濕度的基于衛(wèi)星的方法，本發(fā)明的各個方面的一些 優(yōu)點(diǎn)包括(1)由l一3公里范圍內(nèi)的信號波長產(chǎn)生的地形變化的最小干擾， (2)滲透深度大于1米，(3)在地球表面長距離上的信號傳播，(4)植被 變化的最小影響，(5)人造"探針"(LORAN、 NDB、 AM……)的高密度以及 (6)連續(xù)濕度監(jiān)測(無基于軌道的采樣)。在一種實現(xiàn)方式中，通信鏈路121、 122允許將低速率數(shù)字信息(命令和 控制)發(fā)送至輸入發(fā)生器110和發(fā)射源115。除了命令和控制功能，鏈路123 提供足夠的帶寬以及時地(例如在幾分鐘內(nèi))將波形信息從接收傳感器120傳 至數(shù)據(jù)采集組件125。可接受的通信包括，但不局限于，數(shù)字蜂窩(CDMA)通信( 64-128kbps) 或雙向衛(wèi)星(VSAT)通信( 9. 6-38.4kbps)。在一個實施例中，傳感器120可包括響應(yīng)30kHz — 5MHz頻率范圍(或該范 圍的子集)內(nèi)的電場或磁場的天線元、信號放大器、信號處理子系統(tǒng)以及通信接口。信號處理子系統(tǒng)在時間上同步于基準(zhǔn)時鐘以允許通過中央處理系統(tǒng)識別 和處理時間匹配的信號。傳感器的信號處理子系統(tǒng)可處理代表電場或磁場波形的模擬或數(shù)字信號。在較佳實施例中，采用包含5MHz 14比特ADC和基于FPGA 的信號處理的數(shù)字處理。利用與GPS以20毫微秒RMS精度同步的數(shù)字時鐘來 對信號進(jìn)行采樣和時間采樣。信號處理期間提取的信息或者是感興趣的短時間波形(需要在中央處理器進(jìn)一步處理)、瞬時波形特征或要求頻率下的窄帶f'士號特性，如下文中進(jìn)一步說明的那樣。中央處理系統(tǒng)135可使用下述的一種或多種方法周期地(每隔幾分鐘)接 收、存儲和處理由傳感器120提供的信息。圖2中示出本發(fā)明的一般測量和處理方法的應(yīng)用。發(fā)射元(表示在Tx處) 位于離一個或更多個接收元(Sa、 Sb、 S。)若干公里的位置。發(fā)射的信號在以發(fā) 射機(jī)位置Tx為中心的徑向圖案(虛線曲線)上沿地球表面(其一部分被圖示 為平行四邊形200)傳播。如果發(fā)射信號的特性(例如波形形狀參數(shù)和相關(guān)的 時序，或感興趣頻率的大小和相位)是已知的，則接收機(jī)Sc處對接收的信號 特征的測量允許計算沿發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的路徑——圖示為d。(發(fā)射機(jī)和接 收機(jī)S。之間的距離)的土壤的平均電導(dǎo)率。如果發(fā)射信號的特征不是已知的， 則人們可確定兩接收機(jī)之間的平均電導(dǎo)率。這被圖示為路徑dab，其中接收機(jī)Sa提供信號的基準(zhǔn)特征，而接收機(jī)Sb則用來確定信號特征沿路徑dab的變化。低頻(IF)和中頻(MF)范圍(大約30kHz— 5MHz)的電磁場可以適度但可測的損耗在有限導(dǎo)電率地面上傳播幾百公里。這些損耗(對于垂直電場和水平磁場，這也被稱為垂直偏振波)可由衰減函數(shù)和相移表述，并且兩者都隨著角頻率(co)的增加而增加。對高于地面的高度z處的偶極源，具有表面電導(dǎo)率o、電容率e以及傳播距離R,復(fù)合衰減函數(shù)F表示為<formula>formula see original document page 13</formula>作為頻率的函數(shù)300的衰減的表征例示出于圖3中，其中假設(shè)電導(dǎo)率為 10mS/m，傳播距離為100公里，而高度z = 0。實線曲線310表示作為頻率的函 數(shù)的衰減(作為最初信號振幅的分?jǐn)?shù))，而虛線曲線320表示相位變化(以弧 度表示)。該函數(shù)類似于雙極模擬低通濾波器，其截止頻率唯一地由o/R比確 定。對于本例，衰減和相位關(guān)聯(lián)于電導(dǎo)率的明顯變化發(fā)生在100kHz — lMHz的 頻率范圍內(nèi)。地面上的信號傳輸，例如圖2所示的200，在時域波形的最初上升時間產(chǎn) 生復(fù)雜的變化，如圖4a中的400那樣，該最初上升時間對應(yīng)于由第一次負(fù)極 性CG閃電行程產(chǎn)生的電場。 一般認(rèn)識到云一地閃電為或者正極性或者負(fù)極性， 由有效地下降至地的電荷的極性確定。該電荷在(至少)第一次返回行程中傳 遞，并在典型地發(fā)生在5 — 200mS范圍內(nèi)的時間間隔的一次或更多次繼發(fā)行程 期間或之間頻繁傳遞。圖4a所示水平軸是相對于任意起始時間的時間("s 表示)，而垂直軸是相對于振幅單元的范圍歸一化的輻射電場。第一波形410 示出短( 50km)傳播距離，因此在500kHz以下具有非常小的衰減。第二波 形(420)和第三波形(430)分別對應(yīng)于20和4mS/m表面電導(dǎo)率的200km距 離的傳播。在這三個條件下的高頻分量的損耗增加形成額外的延遲、更慢的上 升時間以及更小的峰值振幅。更慢的上升時間和增幅減小之間的折衷是由潛在 的寬帶信號的持續(xù)時間確定的——窄帶信號針對給定的o /R比將經(jīng)歷更明顯 的振幅減小，在下文中將其稱為"傳遞特征"。本特定示例中的CG行程異乎 尋常地窄，它對上升時間產(chǎn)生相當(dāng)小的影響并隨電導(dǎo)率減小使振幅更明顯地衰 減。上述傳播效果產(chǎn)生閃電場波形的上升時間的真實、可測的變化，且該上升 值取決于表面電導(dǎo)率。這已使用源自美國國家閃電檢測網(wǎng)的閃電數(shù)據(jù)例證過。 人們可使用閃電波形特征中的其它關(guān)聯(lián)于傳播的變化來跟蹤電導(dǎo)率的變化，所 有這些都產(chǎn)生自圖3所示的傳遞特征。示例包括瞬時脈沖到達(dá)時間的延遲增大 以及不同位置的兩傳感器記錄的波形的峰值振幅比的增大，它們都關(guān)聯(lián)于電導(dǎo) 率的減小。由人造發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的信號也表現(xiàn)出關(guān)聯(lián)于傳播的變化。圖4b中的 第一曲線460代表在離AM發(fā)射機(jī)一特定距離處測得的來自經(jīng)振幅調(diào)制(AM)的信號的500kHz載波信號。信號振幅規(guī)模是任意的。第二曲線470代表在平 均電導(dǎo)率10mS/m的路徑上傳播額外的100km后的信號460。如曲線圖450所示， 信號已被衰減6dB，而相位(4>)已被延遲將近2弧度(為額外的傳播時間作 出校正)。已知表面?zhèn)鞑サ碾姶挪ǖ臐B透深度反比于頻率和電導(dǎo)率的平方根，例如電 導(dǎo)率為10mS/m，貝U lMHz下的滲透深度的示例為10米。在本發(fā)明的其它方面， 可利用不同頻率來評估不同深度下的電導(dǎo)率(并由此評估濕度)。本發(fā)明的各個方面可通過設(shè)置與多個發(fā)射元相協(xié)同使用的多個接收元而 在廣闊區(qū)域上提供土壤濕度的本地(地區(qū)性)估計。可從測得的電導(dǎo)率變化推 導(dǎo)土壤濕度。傳感器的空間布置將影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和空間分辨率。圖5示出當(dāng)發(fā)射元處于固定位置時的典型配置。 一般來說，發(fā)射元(例如 在位置TXa、 TXb處示出的那些)和接收元(例如在位置Sa、 Sb、 S。和Sd處示出 的那些)不一定限制在固定位置，只要它們的位置在任何具體信號組的測量期 間是已知的即可。在該實施例中，系統(tǒng)的空間域被表示為規(guī)則的柵格以便于說 明。發(fā)射元(在TXa、 TXb處表示為帶叉的小正方形)和接收元(在Sa、 Sb、 Sc 和Sd處表示為小圓)位于柵格中x-y元的交匯處。該網(wǎng)絡(luò)具有25種可能的位 置，由組合項(yi， xi)表示，其中i在0—4之間。位于交匯柵格點(diǎn)之間的地面區(qū)域的電導(dǎo)率由電導(dǎo)率值Ojj表示(或等于電阻率值Pi」^l/Oij)。任何兩個元(發(fā)射機(jī)—接收機(jī)或接收機(jī)一接收機(jī))之間的路徑長度(距離)被表示為 d"，其中I和m是兩個符號，其第一字符或者為X (發(fā)射機(jī))或者為S (接收 機(jī)/傳感器)，而第二字符為字母標(biāo)志(a、 b、 c……)。由發(fā)射元產(chǎn)生的信號 或者具有未知的頻譜(大小和相位)特征或者是"同步的"，表示大小和相位 特征是己知的，或者表示發(fā)射元是具有快速上升信號的CG閃電放電。在一個實施例中，電導(dǎo)率的估計取自一個同步的發(fā)射機(jī)和在一個柵格區(qū)角 落處的接收機(jī)，在圖5中表示為0 。如果TXa是同步的，則接收機(jī)S。能夠測量 傳播路徑上的信號的變化。信號變化或者是如圖4a所示的時域上的波形變化， 或者是如圖3和圖4b所示的在一個或更多個頻率下的大小和相位變化。在任 何一種情形下，信號變化可使用圖3所示傳播特征唯一地關(guān)聯(lián)于已知路徑長度 (dxa.s。)上的平均電導(dǎo)率。更具體地，信號變化如下地反映路徑(L.s。上的傳遞特征Hxa, s。o 11線3. s,dxa. sc (la) 其中"*"表示乘。可使用傳播脈沖型信號的變化(圖4a所示)或圖3和圖4b所示的大小和 /或相位的頻率規(guī)定變化以多種方法推導(dǎo)出傳遞特征(正比于o /R)。推導(dǎo)o /R 的具體方法記載于Murphy等人的美國專利6, 961， 662中(參見第10欄，40 — 60行)，其公布內(nèi)容與本公布不一致的地方被全部援引包含于此。為了數(shù)學(xué)上的方便，后面的公式將利用作為電導(dǎo)率倒數(shù)的電阻率(P)。 等式(la)就電阻率而言可重寫如下P u = l/ (Hxa. s,dxa, sc) (lb)當(dāng)發(fā)射元和接收元之間的距離大于一個柵格的尺寸時，數(shù)學(xué)表達(dá)式更為復(fù)雜。這是使用TXa和Sd之間的路徑(L.sd表述的。在這種情形下，該路徑上的有 效電導(dǎo)率等于Hxa, sd*dxa. sd，但該值由兩個不同的電導(dǎo)率(0 ， 012)構(gòu)成，這兩個電導(dǎo)率分別作用于路徑cL.sd的單獨(dú)分段上的信號?？墒褂煤唵蔚木嚯x加權(quán)表示有效電阻率，形成等式(p"*5 (1， l)xa.sd+p 12*S (l，2)xa,sd)^l〃Hxa,sd*dM.sd) (2)其中S (i， j)xa,s。是(i， j)柵格元中的路徑(L.s。的一部分。等式(lb)和(2)中未知的僅為P 和P 12——所有其它參數(shù)可從發(fā)射元和接收元的位置和測得的傳遞特征獲知。假設(shè)這形成具有兩個未知量的兩個線性等 式，人們能夠使用簡單的代數(shù)法求解這兩個電阻率值。在發(fā)射和接收的信號具有統(tǒng)計偏差(或因為噪聲或因為固有偏差)的情形下，需要在形成(lb)和(2)所示代數(shù)等式前對一組接收的信號上的波形特征求平均。在一個實施例中，從一組接收的信號計算出參數(shù)的平均值、中值或特定 百分比值。也可用至發(fā)射元具有共同直線路徑的兩接收元之間的傳遞特征來確定電阻率。這使用Sa和Sd之間的路徑dsa,sb表述。在這種情形下，TXa是兩接收元的共同源。即使TXa是不同步的，也可確定傳遞特征Hsa,sb。關(guān)聯(lián)于該路徑的等式 為(P 32* 5 (3， 2)sa,sb+ P 42* 5 (4, 2)sa,sb) ^l/(Hsa,sb*dsa,sb) (3)16遵照如上所述的用于表達(dá)發(fā)射元和接收元之間關(guān)系的方法，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù) 人員可以理解，對于發(fā)射元和接收元的所有組合可寫出相似的等式。完整的線 性等式組可表示成矩陣記法<formula>formula see original document page 17</formula>其中向量[Md]的元是傳遞特征與所選發(fā)射元和接收元之間的路徑長度的 乘積的倒數(shù)，[P ]是包含對應(yīng)于一條路徑所穿過的空間柵格區(qū)的電阻率值(Pij) 的列向量，而[S P]是包含關(guān)聯(lián)于[P]元的部分路徑長度的矩陣。注意，路徑并不是穿過所有柵格元的(圖5)，并且沒有足夠的等式(例如每條路徑至少一個等式)來確定路徑所穿過的所有地區(qū)的電阻率。這些電阻 率值中的一些可使用最近鄰域電阻率值的距離加權(quán)平均來估算，并且無法獨(dú)立 地確定。當(dāng)將CG閃電用作發(fā)射元時，接收元的配置不依賴于任何具體的發(fā)射元位 置。在這種情形下，由每次閃電放電產(chǎn)生的信號可能具有傳播至離閃電放電位 置幾百公里之外的接收元的足夠能量。由于各小型雷暴產(chǎn)生的閃電一般橫越過 幾十至幾百公里的距離擊打地面幾百個位置，因此關(guān)聯(lián)于一次雷暴，可存在幾 千條傳播路徑。這樣一大組測量將產(chǎn)生高的空間分辨率的電導(dǎo)率變化的準(zhǔn)確特 征。在一個示例性實施例中，可通過下面圖7所示的多步驟程序700并如下所 述地確定[P]元。也可以使用其它程序求解這些等式。步驟1 (圖7， 710)。使用等式(l一3)構(gòu)建等式(4)中描述的一組線 性等式。步驟2 (圖7， 720)。將線性獨(dú)立等式的數(shù)目大于未知電阻率值數(shù)目的等 式子集分到一起(可能沒有這樣的集)。使用任何求解無解等式的技術(shù)求解這 些等式的子集，例如線性最小二乘差方法。步驟3 (圖7， 730)。確定等式中線性獨(dú)立等式的數(shù)目等于未知電阻率值 的數(shù)目的剩余(未解)子集(可能沒有這樣的集)。使用任何求解滿秩等式的 技術(shù)求解這些等式的子集，例如LU分解(Noble和Daniel， 1977)。步驟4 (圖7， 740)。確定等式中線性獨(dú)立等式數(shù)目比未知電阻率值的數(shù) 目少一個或兩個的剩余(未解)子集(可能沒有這樣的子集)。通過添加不確定地區(qū)中的電阻率被表達(dá)為最近鄰域電阻率值的線性組合的等式來確定等式 的數(shù)目是否增加至大于或等于未知量的數(shù)目。根據(jù)未知量的數(shù)目和線性獨(dú)立等 式，使用步驟2或3描述的方法求解這些等式子集。一旦確定所有可能的電阻率值，將它們轉(zhuǎn)換成相應(yīng)地區(qū)的估計土壤濕度。 這是通過獲知影響電阻率和土壤濕度之間關(guān)系的土壤性質(zhì)而完成的。在本發(fā)明的實施例中，可利用被稱為Archie等式的這種關(guān)系的一種形式，該等式表示 特定土壤類型的電導(dǎo)率正比于水含量crs奮。'41 =%薩" (5)其中o是電導(dǎo)率，XW是百分比水含量，cj)是土壤的孔隙率，而參數(shù)e代表相 關(guān)土壤性質(zhì)和水的電阻率。不同的柵格點(diǎn)具有不同的a和e值。指數(shù)a典型地 在1.5-2. 2的范圍內(nèi)。如圖6所示，對于0 =10和a (1.5(曲線610))和2.0(曲 線620))的兩個值，可使用該等式為任何地區(qū)性電導(dǎo)率值o (電阻率的倒數(shù)) 確定XW的唯一值。適當(dāng)?shù)腦W值是通過"檢索"等式而確定的。圖6的例子 示出當(dāng)a為2. 0時，0. 34的百分比水含量關(guān)聯(lián)于2. OmS/m的電導(dǎo)率。一般來說，電導(dǎo)率和土壤濕度之間的關(guān)系取決于土壤溫度和各個深度處 (最上面的幾米)的土壤性質(zhì)，以及各個深度處的濕度飽和性(濕度梯度)。 這種信息可例行地從已有地表模型(LSM)計算中得出，例如用于北美地區(qū)再 分析的N0AHLSM。這種信息可用于本發(fā)明的各實施例以將土壤濕度的估計提煉 為深度的函數(shù)。本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員從說明書和本文披露的本發(fā)明的實踐中可以清楚理解 本發(fā)明的其它實施例。本說明書及其示例應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為僅為示例性的，本發(fā)明的 真實范圍和精神由下述權(quán)利要求書指定。
權(quán)利要求
1.一種用于估計近地面土壤濕度的方法，所述方法包括測量來自作為地面波在兩個或更多個接收元位置之間傳播的電磁波的信號；確定在多對位置之間正比于平均電導(dǎo)率的傳遞特征；以及確定在從通過分析多對位置之間確定的電導(dǎo)率以及電導(dǎo)率和土壤濕度之間預(yù)定的地區(qū)性關(guān)系而獲得的一個或更多個地區(qū)中的估計土壤濕度。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測量來自電磁波的信號還包 括測量由電磁波的垂直偏振輻射場分量產(chǎn)生的信號。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述電磁場由云地閃電產(chǎn)生。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自時域中的 波形參數(shù)。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，多個時域參數(shù)確定自信號的 上升沿特征。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，時域參數(shù)是信號的峰值振幅、 時延和上升時間中的至少一個。
7. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自頻域中的 波形參數(shù)。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電磁波是通過窄帶發(fā)射 機(jī)產(chǎn)生的。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自時域中的 波形參數(shù)。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述波形參數(shù)包括峰值振幅 和相位延遲中的至少一個。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自頻域中的 波形參數(shù)。
12. —種估計近地面土壤濕度的方法，所述方法包括 測量來自位于兩個或更多個接收元位置處的頻率范圍為30kHz—5MHz的一個或更多個人造窄帶發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的作為地面波傳播的電磁波中的信號； 確定正比于多對位置之間的平均電導(dǎo)率的傳遞特征；以及 確定在從多對位置之間確定的電導(dǎo)率和電導(dǎo)率和獲知土壤濕度之間的地區(qū)性關(guān)系而獲得一個或多個地區(qū)中的估計土壤濕度。
13. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自時域中 的波形參數(shù)。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述波形參數(shù)包括峰值振 幅和相位延遲中的至少一個。
15. 如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自頻域中的波形參數(shù)。
16. —種估計近地面土壤濕度的方法，所述方法包括測量由來自至少一個接收元位置的云一地閃電的一個或更多個返回行程 產(chǎn)生的作為地面波傳遞的電磁波的信號；確定與閃電位置和一個或更多個接收元之間的平均電導(dǎo)率成正比的傳遞特征；確定在從:閃電打擊位置和至少一個接收元位置之間的確定的電導(dǎo)率獲得 的一個或更多個地區(qū)中的估計土壤濕度；以及 獲知電導(dǎo)率和土壤濕度之間的地區(qū)性關(guān)系。
17. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自時域中 的波形參數(shù)。
18. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，多個時域參數(shù)確定自信號 的上升沿特征。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述時域參數(shù)包括信號的 峰值振幅、時延和上升時間中的至少一個。
20. 如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自頻域中 的、波形參數(shù)。
21. —種估計近地面土壤濕度的方法，所述方法包括 合成作為地面波傳播的寬帶信號；在已知時間將合成的信號從發(fā)射元位置作為耦合于地面?zhèn)鞑ソ橘|(zhì)的電磁波發(fā)遂；測量在一個或更多個接收元位置的一個或更多個接收信號； 確定與多對位置之間的平均電導(dǎo)率成正比的傳遞特征；以及 確定在從發(fā)射元位置和至少一個接收元位置之間確定的電導(dǎo)率以及獲知電導(dǎo)率和土壤濕度之間的地區(qū)性關(guān)系而獲得的一個或更多個地區(qū)中的估計土壤濕度。
22. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自時域中 的波形參數(shù)。
23. 如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述波形參數(shù)包括針對至 少一個頻率的峰值振幅和相位延遲中的至少一個。
24. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自頻域中 的波形參數(shù)。
25. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，還包括產(chǎn)生一組代表寬帶 測試信號的向量。
26. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，無法精確地獲知同步信號 的傳輸時間并采用兩個或更多個接收元。
27. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述寬帶信號包括偽隨機(jī) 噪聲信號。
28. 如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述寬帶信號包括寬帶高 斯噪聲信號。
29. 如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，還包括通過規(guī)定廣播起始 時間、廣播結(jié)束時間、廣播重復(fù)間隔或廣播重復(fù)次數(shù)中的至少一個來控制廣播 信號的廣播。
30. —種土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，包括 數(shù)據(jù)采集和管理組件，其耦合于各自位于一個或更多個接收元位置處的一個或更多個RF接收元；和 輸入存檔；以及 中央處理組件，其耦合于 數(shù)據(jù)采集和管理組件；乘積發(fā)生器；和 輸出存檔以及耦合于處理組件并存儲指令的存儲器，當(dāng)該指令執(zhí)行時，使處理組件； 獲得從發(fā)射機(jī)和至少一個接收元位置之間作為地面波傳播的電磁波測得 的信號；確定與發(fā)射機(jī)和至少一個接收元之間的平均電導(dǎo)率成正比的傳遞特征以及確定在通過分析多對位置之間確定的電導(dǎo)率以及電導(dǎo)率和土壤濕度之間 事先確定的地區(qū)性關(guān)系而獲得的一個或更多個地區(qū)中的估計土壤濕度。
31. 如權(quán)利要求30所述的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述一個或 更多個RF接收元位置中的每一個彼此間隔一事先確定的最小距離。
32. 如權(quán)利要求31所述的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述事先確 定的最小距離是l公里。
33. 如權(quán)利要求30所述的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采 集和管理組件進(jìn)一步耦合于包含發(fā)射機(jī)的RF發(fā)射源；以及耦合于RF發(fā)射源和數(shù)據(jù)采集和管理組件的輸入發(fā)生器，所述輸入發(fā)生器 被配置成創(chuàng)建代表RF發(fā)射源輸入的數(shù)據(jù)。
34. 如權(quán)利要求33所述的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射源 進(jìn)一步包括以能夠作為地面波傳播的一個或更多個頻率發(fā)射信號的一個或更 多個發(fā)射元。
35. 如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，傳遞特征取自時域中的波 形參數(shù)。
36. 如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，所述波形參數(shù)包括峰值振 幅和相位延遲中的至少一個。
37. 如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自頻域中 的波形參數(shù)。
38. 如權(quán)利要求30所述的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，還包括由云 一地閃電的一個或更多個返回行程產(chǎn)生的RF能量的發(fā)射源。
39. 如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自時域中 的波形參數(shù)。
40. 如權(quán)利要求39所述的方法，其特征在于，所述多個時域參數(shù)確定自 信號的上升沿特征。
41. 如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，所述時域參數(shù)包括信號的 峰值振幅、時延和上升時間中的至少一個。
42. 如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自頻域中 的波形參數(shù)。
43. 如權(quán)利要求30所述的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁波 包括選自包含AM、 L0RAN、 ATC定向信標(biāo)、寬帶電磁能量的人造源及其組合的 RF源。
44. 如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自時域中 的波形參數(shù)。
45. 如權(quán)利要求44所述的方法，其特征在于，所述波形參數(shù)包括峰值振 幅和相位延遲中的至少一個。
46. 如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，所述傳遞特征取自頻域中 的波形參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明的實施例通過使用地面?zhèn)鞑ル姶艌鰷y量地球表面附近電導(dǎo)率變化而提供土壤濕度估計。提供一種用于估計近地面土壤濕度的方法，包括測量來自一個或更多個接收元位置之間傳播的電磁地面波的信號，確定與多對位置之間的平均電導(dǎo)率成正比的傳遞特征，并確定在通過分析所確定的多對位置之間的電導(dǎo)率以及電導(dǎo)率和土壤濕度之間事先確定的地區(qū)性關(guān)系獲得的一個或更多個地區(qū)中的估計土壤濕度。
文檔編號G01V3/12GK101583886SQ200780045460
公開日2009年11月18日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月7日
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