專利名稱：大面積土壤濕度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其是一種對(duì)大面積裸露土壤濕度進(jìn)行測(cè)量的方 法。
背景技術(shù)：
土壤濕度即土壤含水量，是土壤的重要物理性質(zhì)。土壤濕度是土壤_植被_大氣 系統(tǒng)能量與物質(zhì)交換及土地資源和環(huán)境管理的重要參數(shù)之一，監(jiān)測(cè)地表土壤濕度的時(shí)空變 化特性對(duì)研究自然及生態(tài)環(huán)境問題有重要的意義。目前土壤濕度的測(cè)量方法主要有下面幾種，它們有著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。烘干稱重法，直觀準(zhǔn)確，但其操作復(fù)雜。電容法(電容式土壤濕度傳感器及其制作 方法，專利號(hào)200510041258)、電阻法(土壤濕度分層測(cè)量系統(tǒng)，專利號(hào)200710018822)、電 導(dǎo)率測(cè)試法(一種土壤濕度測(cè)試儀，專利號(hào)200910098049)等利用土壤中電容、電阻或電導(dǎo) 率與與含水量相關(guān)的關(guān)系，將兩個(gè)電極埋入土壤中，測(cè)定土壤塊的電容、電阻或電導(dǎo)率，求 出土壤濕度。但這些方法都是接觸式方法，需要將探頭實(shí)地插入土壤中，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。射線法包括中子散射法、Y射線法、X射線法等(土壤濕度和雪中儲(chǔ)水量測(cè)量?jī)x， 申請(qǐng)?zhí)?9103760)。這些方法價(jià)格昂貴，且存在潛在的輻射危害，近年來已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家遭 到棄用。時(shí)域反射儀法(Topp G C,Davis J L. Measurement of soil water content using Time Domain Reflectometry(TDR) :A field evaluation. Soil Sci. Soc. Am. J. 1997， 61(6) 1576-1585)目前已成為研究土壤水分的基本儀器設(shè)備。其通過測(cè)量高頻電磁脈沖 在土壤中的傳播速度求得土壤的介電常數(shù)，從而計(jì)算出土壤的含水量。但其是取樣式測(cè)量， 測(cè)管周圍的土層會(huì)受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。此外，TDR電路復(fù)雜，設(shè)備昂
蟲
貝ο專利(土壤濕度估計(jì)的系統(tǒng)和方法，專利號(hào)200910098049)提出利用自然界的閃 電等信號(hào)進(jìn)行土壤濕度的測(cè)量，則其易受到閃電的隨機(jī)性影響，效果難以保證。應(yīng)用GPS信號(hào)的反射信號(hào)測(cè)量土壤濕度是最近幾年發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)。GPS信號(hào) 位于L波段，可以直接穿透云霧，完全不受云蓋的影響而到達(dá)待測(cè)地面。利用現(xiàn)有的GPS系 統(tǒng)，可以全天候進(jìn)行試驗(yàn)，快速獲得大量數(shù)據(jù)，并在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大片區(qū)域進(jìn)行探測(cè)。此外，由 于其只需要接收機(jī)而不需要發(fā)射機(jī)，會(huì)顯著的降低系統(tǒng)費(fèi)用、復(fù)雜度和功耗。GPS信號(hào)測(cè)量 還是一種非接觸式的土壤濕度測(cè)量方式，可以大大地減少勞動(dòng)強(qiáng)度。國(guó)外研究者曾利用裝備有兩套天線系統(tǒng)的接收機(jī)在飛機(jī)上進(jìn)行了土壤濕度遙感 實(shí)驗(yàn)(參見丁金才主編的《GPS氣象學(xué)及其應(yīng)用》，氣象出版社2009年)，武漢大學(xué)電波傳 播實(shí)驗(yàn)室曾利用兩個(gè)天線和兩個(gè)接收機(jī)，通過分別接收直達(dá)信號(hào)和經(jīng)由地面反射的反射信 號(hào)，然后根據(jù)電磁反射模型和土壤濕度的半經(jīng)驗(yàn)介電常數(shù)模型來反演得到土壤濕度，具體 實(shí)施細(xì)節(jié)可見文章(嚴(yán)頌華張訓(xùn)械，基于GNSS-R信號(hào)的土壤濕度反演研究，電波科學(xué)學(xué)報(bào) 2010年第1期)。該方法可利用直達(dá)信號(hào)與反射信號(hào)的反射功率的差異，具有一定的實(shí)用價(jià)值。但這些方法需要依靠復(fù)雜的接收機(jī)設(shè)計(jì)。主要問題是需要兩個(gè)天線和兩個(gè)接收 機(jī)。由于這種方法主要利用的是接收信號(hào)功率的比值，兩個(gè)天線及接收機(jī)必須具有很好的 一致性，即具有相同的增益才不至于影響反演的結(jié)果。而完全一致的天線和接收機(jī)生產(chǎn)會(huì) 增加生產(chǎn)和調(diào)試的成本。一種替換的方法，即進(jìn)行通道校正的方法需要額外的校準(zhǔn)過程，給 應(yīng)用帶來麻煩。(嚴(yán)頌華張訓(xùn)械，基于GNSS-R信號(hào)的土壤濕度反演研究，電波科學(xué)學(xué)報(bào)2010 年第1期)?？梢姡绢I(lǐng)域亟待研究簡(jiǎn)單易實(shí)施的大面積土壤濕度測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的局限性，本發(fā)明的目的是利用GPS直達(dá)信號(hào)及由地面土壤反射回 來的信號(hào)，提供一種對(duì)于大面積裸露土壤進(jìn)行濕度遙測(cè)的方法，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種大面積土壤濕度測(cè)量方法，設(shè)置一個(gè)垂直極化接收 天線、一個(gè)GPS接收機(jī)，以及進(jìn)行信號(hào)處理的計(jì)算機(jī)，測(cè)量過程包括以下步驟，步驟1，利用垂直極化天線同時(shí)接收來自空中的直達(dá)信號(hào)和來自地面的反射信號(hào)， 形成干涉信號(hào)；所得干涉信號(hào)由GPS接收機(jī)接收后輸出至進(jìn)行信號(hào)處理的計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī) 連續(xù)采樣獲取干涉信號(hào)的功率序列。步驟2，計(jì)算機(jī)對(duì)干涉信號(hào)的功率序列進(jìn)行一階和二階微分運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果 給出干涉信號(hào)的所有峰值點(diǎn)和谷值點(diǎn)；然后通過峰值點(diǎn)的最小值和谷值點(diǎn)的最大值搜索拐占.
^ \\\ 步驟3，根據(jù)步驟2搜索所得拐點(diǎn)獲取對(duì)應(yīng)的入射角值；利用入射角值和介電常數(shù) 的關(guān)系求解此時(shí)對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)；利用介電常數(shù)與土壤濕度的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算土壤濕度。本發(fā)明提出了一種利用直達(dá)波和反射波的干涉技術(shù)以及拐點(diǎn)的搜索技術(shù)，滿足了 節(jié)省接收機(jī)成本的基本要求。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于其出色的實(shí)用性能完全不需要復(fù)雜的接 收機(jī)改造，不需要另外獲取直達(dá)通道的相干功率，節(jié)省了硬件設(shè)計(jì)與制造的費(fèi)用；利用了 GPS衛(wèi)星的自身移動(dòng)獲取不同入射角時(shí)的幅度序列，天空中多顆衛(wèi)星可利用，信息利用率較 高，具有良好的精度和穩(wěn)健性；利用了一維信號(hào)序列處理，運(yùn)算量較小，能滿足實(shí)時(shí)性要求。 實(shí)施本發(fā)明所提供技術(shù)方案，在提高探測(cè)性能的同時(shí)，大幅降低了設(shè)備的研制成本和維護(hù) 費(fèi)用。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的干涉信號(hào)及其一階與二階微分運(yùn)算結(jié)果示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的干涉信號(hào)的峰值、谷值和拐點(diǎn)判斷示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的干涉信號(hào)處理流程圖。
具體實(shí)施例方式針對(duì)現(xiàn)有方法的局限性，本發(fā)明的目的是利用GPS直達(dá)信號(hào)及由地面土壤反射回 來的信號(hào)的干涉現(xiàn)象，提供一種對(duì)于大面積裸露土壤進(jìn)行濕度遙測(cè)的方法，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。該方法利用垂直極化天線接收直達(dá)信號(hào)與土壤反射信號(hào)形成的干涉信號(hào)；利用干涉信 號(hào)的特征，即干涉信號(hào)功率序列的相位拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的信號(hào)入射角；而根據(jù)此入射 角來求取土壤表面的介電常數(shù)，從而進(jìn)一步反演土壤濕度。本發(fā)明考慮到，如果一個(gè)天線能夠同時(shí)既接收到直達(dá)波信號(hào)，又接收到反射波信 號(hào)，那么，就可以避開雙天線的要求。但此時(shí)反射功率的比值也消失了，必須利用另外的技 術(shù)。當(dāng)天線既接收到直達(dá)信號(hào)，又接收到反射信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。由于直達(dá)信號(hào)與反 射信號(hào)來自于同一個(gè)信號(hào)源，所以他們有著相同的頻率。但反射信號(hào)來自于地面的反射， 所以相比直達(dá)信號(hào)有著功率的衰減和固定的距離差引起的相移。這樣的兩列電波(直達(dá) 信號(hào)與反射信號(hào))滿足相干疊加的條件，會(huì)出現(xiàn)明顯的干涉條紋。由于兩列波的相位差和 功率差與土壤介電常數(shù)和入射角有關(guān)。所以，干涉條紋并不均勻。根據(jù)仿真和實(shí)測(cè)觀察該 圖形可知，合成信號(hào)的圖形實(shí)際上是一個(gè)調(diào)制信號(hào)，其包絡(luò)為指數(shù)函數(shù)，根據(jù)調(diào)制信號(hào)的規(guī) 律，對(duì)應(yīng)于入射角Ytl時(shí)信號(hào)整體會(huì)發(fā)生相位突變，包絡(luò)在這里出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。該拐點(diǎn)(入 射角Ytl)的位置與土壤介電常數(shù)ε有關(guān)。如果我們能夠找到這個(gè)拐點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的信號(hào) 入射角Ytl，就能夠求解得到對(duì)應(yīng)的土壤介電常數(shù)ε，然后根據(jù)介電常數(shù)與土壤濕度之間 的對(duì)應(yīng)關(guān)系如 Topp 經(jīng)驗(yàn)公式(參見 Topp G C, Davis J L, Annan A P. Electromagnetic determination of soil water content measurement in coaxial transmission lines. Water Resources Research. 1980，(2) :574 583)，來求取土壤、濕度。目前GPS衛(wèi)星星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成。GPS距離地表 20200km,這種衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間地面接收機(jī)都可觀測(cè)到4顆以上 的衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見到4顆，最多 可見到11顆。這樣就保證了接收信號(hào)的連續(xù)性。GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)為右旋圓極化波，經(jīng)過近似光滑的地表反射后，變?yōu)樽笮龍A極 化波。在左旋圓極化波和右旋圓極化波中，都存在水平極化和垂直極化的成分。在菲涅爾 假設(shè)下，直達(dá)波經(jīng)過地面散射后的極化特性改變過程可以用地面反射電場(chǎng)表示，極化電場(chǎng) 可以表示為極化矩陣與入射信號(hào)的乘積 其中，圮、￡；分別為入射復(fù)數(shù)場(chǎng)的右旋和左旋成分，瑪、拉分別為反射復(fù)數(shù)場(chǎng) 的右旋和左旋部分，極化矩陣可表示為 式中Γ\，Γ ,分別為在光滑表面電波水平極化和垂直極化分量的菲涅爾反射系 數(shù)，可由Fresnel公式給出如下 其中，γ為電波射線入射角，ε為地表相對(duì)介電常數(shù)。在本發(fā)明中，我們?cè)O(shè)置接收天線波束指向水平方向，提取天線中的垂直極化分量，裝置設(shè)置如附圖1所示，實(shí)施例設(shè)置有一個(gè)垂直極化天線1 (以下簡(jiǎn)稱天線)、一個(gè)GPS接 收機(jī)2，以及進(jìn)行信號(hào)處理的計(jì)算機(jī)3。垂直極化天線1與GPS接收機(jī)2連接，GPS接收機(jī) 2與計(jì)算機(jī)3連接。垂直極化天線1作為接收天線使用，其上不僅接收到來自空中的GPS 衛(wèi)星4的右旋直達(dá)信號(hào)，而且接收到來自地面5反射的左旋反射信號(hào)。直達(dá)信號(hào)和反射信 號(hào)都來自于GPS衛(wèi)星同時(shí)發(fā)出的信號(hào)，因此他們具有相同的初相。若設(shè)直達(dá)信號(hào)水平分量 Esh，則反射信號(hào)的水平分量的功率為rh · Esh ；若設(shè)直達(dá)信號(hào)垂直分量Esv，則反射信號(hào)的垂 直分量的功率為Γν·Ε3ν，記為Ε 。由于反射信號(hào)來源于地面的反射，根據(jù)電波反射的鏡像 原理，其路程差相比直達(dá)信號(hào)要多，為此引起相位相比直達(dá)信號(hào)的滯后。由于GPS發(fā)射信號(hào) 源距離GPS接收機(jī)2數(shù)千米以外，當(dāng)GPS信號(hào)通過兩條路徑，到達(dá)GPS接收機(jī)2時(shí)，可以視 為平面波而非球面波，這樣反射信號(hào)具有下面的幾個(gè)特點(diǎn)1、與直達(dá)信號(hào)具有相同的頻率； 2、相比直達(dá)信號(hào)，相位上多了由于路程差而增加的相位差；3、功率上增加了由于反射而引 起的衰減量。根據(jù)附圖1的圖示，若設(shè)天線假設(shè)的高度為h，直達(dá)信號(hào)的垂直極化分量為Esv，則 反射信號(hào)的垂直分量E 相比直達(dá)信號(hào)的垂直分量Esv，存在的相位延遲為φ = (2hcos γ/λ)Χ23 = 43ih*cosy/A(4)其中λ為19cm，是GPS Ll信號(hào)的波長(zhǎng)，、為信號(hào)的入射角。同時(shí)反射信號(hào)的垂 直分量E 的功率相比直達(dá)信號(hào)的衰減可以利用反射系數(shù)1\來度量，即反射信號(hào)的垂直分 量E 的功率大小為Γ vEsv，因此在t時(shí)刻天線上接收到的垂直極化信號(hào)功率為兩者的疊加 (干涉信號(hào))Sv (t) = Esv (t) +Erv (t) = Esv (t) + Γ vEsv (t) exp (j Φ t) = Esv (t) (1+ Γ vexp (j Φ t)) (5)由于我們需要獲取的是干涉信號(hào)在不同角度時(shí)的功率。一種方式是衛(wèi)星不動(dòng)，控 制接收機(jī)天線在不同角度旋轉(zhuǎn)以改變?nèi)肷浣?，顯然這個(gè)控制機(jī)構(gòu)成本是較高的。實(shí)際上我 們可以設(shè)定接收機(jī)天線靜止而利用GPS衛(wèi)星自身的運(yùn)動(dòng)。GPS衛(wèi)星在空中沿著固定的軌道 飛行，則在一天之中GPS信號(hào)會(huì)從不同角度照射到地面，且該角度變化是隨時(shí)刻t連續(xù)變化 的。因此，我們能夠獲取到干涉信號(hào)在不同角度的功率。實(shí)施例的GPS接收機(jī)2與計(jì)算機(jī)3通過USB接口連接。當(dāng)天線維持不動(dòng)時(shí)，干涉 信號(hào)被GPS接收機(jī)2連續(xù)采樣后，通過USB接口進(jìn)入計(jì)算機(jī)3，成為一個(gè)隨角度變化的功率 序列S(i)，其中i為角度變化值。接下來就是在功率序列Si中尋找拐點(diǎn)。這里首先利用五點(diǎn)滑動(dòng)平均法對(duì)功率序 列s(i)進(jìn)行平滑，以濾除各種沖擊干擾和毛刺，然后對(duì)S⑴進(jìn)行一階和二階微分處理，通 過對(duì)一階和二階處理的結(jié)果判斷來尋找功率序列的最大值和最小值；然后在最大值和最小 值中尋找拐點(diǎn)；提取該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的入射角Y O值，根據(jù)公式cos2 Y0- ε2-ε +sin2 Y0 = O來求得ε。最后利用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算土壤濕度。可見，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于其出色的實(shí)用性能1、只采用一個(gè)天線和接收機(jī)就可以 實(shí)現(xiàn)土壤濕度反演，不需要另外獲取直達(dá)通道的相干功率，節(jié)省了硬件設(shè)計(jì)與制造的費(fèi)用； 2、利用了 GPS衛(wèi)星的自身移動(dòng)獲取不同入射角時(shí)的功率序列，天空中多顆GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)可 利用，結(jié)果可互相校驗(yàn)，信息利用率較高，具有良好的精度和穩(wěn)健性；3、利用了一維信號(hào)序 列處理，運(yùn)算量較小，能滿足實(shí)時(shí)性要求。在提高探測(cè)性能的同時(shí)，大幅降低了設(shè)備的研制成本和維護(hù)費(fèi)用。本發(fā)明的關(guān)鍵在于通過接收干涉信號(hào)，將土壤濕度估計(jì)問題轉(zhuǎn)化為功率曲線中的 拐點(diǎn)搜索問題，并利用介電常數(shù)與土壤濕度之間的關(guān)系得到土壤濕度。以下分步驟對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，即天線及接收裝置為地基時(shí)進(jìn)行描述，參見 圖4 步驟1、干涉信號(hào)的接收如附圖1所示，在高度h (具體實(shí)施時(shí)可設(shè)Im < h < IOm)處設(shè)置一顆垂直放置的 微帶天線作為垂直極化天線1，其接收波束指向水平方向，則該天線接收到的是GPS衛(wèi)星4 發(fā)來的直達(dá)信號(hào)中垂直分量與經(jīng)由地面而來的反射信號(hào)中的垂直分量的干涉信號(hào)。為了增 加算法的穩(wěn)定性，從所有GPS衛(wèi)星信號(hào)中按照高信噪比和仰角分布適度的原則選擇信噪比 高，仰角處于30-60度范圍的GPS衛(wèi)星作為使用的衛(wèi)星，Sv(t) 二 max匁⑴,j為接收到的所有N顆GPS衛(wèi)星的PRN號(hào)·
H其中S((t)為利用垂直極化天線接收到的第j顆衛(wèi)星的干涉信號(hào)利用GPS接收機(jī)2采集其功率回波信號(hào)作為待用的功率序列S⑴。功率序列S⑴ 為天線上接收到的兩路垂直極化信號(hào)功率的疊加(干涉信號(hào))S(i) = Ev(i) + rv(i)Ev(i)exp(j^ (i)) = Ev(i) (1+ Γ v(i) exp (j4 Ji h ·cos y (i)/ λ)) (6)其中Θχρ(」Φ⑴)表示eJ4>a)其中Ev(i)，rv(i)，φ⑴表示在第i個(gè)入射角時(shí)直達(dá)信號(hào)功率、反射系數(shù)大小和 反射信號(hào)相移的大小。實(shí)際接收的干涉信號(hào)s(i)的圖形如附圖2所示。其中實(shí)線6為干 涉信號(hào)，虛線7為對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行一階微分運(yùn)算的結(jié)果，實(shí)線8為對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行二階微分 運(yùn)算的結(jié)果，圓圈9為一階微分運(yùn)算結(jié)果中的過零值。incident angle ()表示入射角。步驟2、干涉信號(hào)中拐點(diǎn)的搜索。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際接收到的干涉信號(hào)功率序列S(i)會(huì)存在擾動(dòng)。擾 動(dòng)的原因包括接收機(jī)中噪聲的干擾，土壤地表面的不平等等，使得接收到的包絡(luò)并非如理 想的那樣恰好服從一個(gè)平滑的分布規(guī)律，若簡(jiǎn)單的在存在干擾的情況下進(jìn)入相位突變點(diǎn)的 搜索，會(huì)引起錯(cuò)誤的估計(jì)，因此進(jìn)行平滑預(yù)處理的效果更好。實(shí)施例采用了一些低運(yùn)算量的 處理方式，即首先對(duì)其進(jìn)行平滑，然后通過一階和二階微分處理獲得干涉信號(hào)的峰值和谷 值，最后再進(jìn)行搜索拐點(diǎn)，由于維數(shù)為一維，該搜索的運(yùn)算量不大，可滿足實(shí)時(shí)性要求。具體步驟如下1)對(duì)干涉信號(hào)的樣本S(i)進(jìn)行五點(diǎn)平滑濾波。以去除功率信號(hào)中的噪聲干擾和
毛刺。實(shí)施例采用圖像處理中使用的五點(diǎn)平滑濾波法來去掉毛刺?；竟綖?1 <+2S](i)=-YS(i) (7)
5 ,-2其中S1⑴表示濾波處理后的結(jié)果。2)對(duì)S1 (i)以一階微分算子進(jìn)行計(jì)算。其一階微分運(yùn)算的結(jié)果為S2(i) = S1 (i+1)-S1(I) ,i = l, ...N (8)
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3)對(duì)S2(i)再進(jìn)行一次微分運(yùn)算，即對(duì)S1G)進(jìn)行二階微分算子計(jì)算。結(jié)果為S3(i) = s2(i+l)-s2(i) ,i = l, ...N (9)則一階微分計(jì)算結(jié)果S2 (i)為0的地方對(duì)應(yīng)著干涉信號(hào)S1 (i)的峰值和谷值點(diǎn)處， 而峰值和谷值的確定可以通過判斷s3(i)的正負(fù)號(hào)來確定，當(dāng)S3(i) < 0時(shí)，i點(diǎn)對(duì)應(yīng)干涉 信號(hào)S1⑴的波峰值，即最大值；當(dāng)S3⑴>0時(shí)，i點(diǎn)對(duì)應(yīng)干涉信號(hào)S1G)的波谷值，即最 小值。附圖2給出了入射角incident angle ()為1_50度時(shí)干涉信號(hào)及其一階與二階微分
運(yùn)算結(jié)果。求取拐點(diǎn)。拐點(diǎn)是干涉信號(hào)S1G)的所有峰值點(diǎn)中的最小點(diǎn)和所有谷值點(diǎn)中的最 大點(diǎn)。若兩者所處的角度相同，則任取一個(gè)作為入射角Yci即可。若兩者的所處的角度有 細(xì)微差別，則取其平均值作為入射角Υο。拐點(diǎn)的搜索圖示見附圖3。其中10為峰值點(diǎn)，11 為谷值點(diǎn)，12為判斷出的拐點(diǎn)。4)步驟3、根據(jù)入射角值和介電常數(shù)的關(guān)系求得土壤濕度。由公式cos2 Y。· ε 2- ε +sin2 Yq = 0來求得對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)ε步驟4、根據(jù)介電常數(shù)與土壤濕度的關(guān)系式求得土壤濕度。雖然Dobson等人在1. 4GHz到18GHz范圍內(nèi)，經(jīng)過對(duì)多種土壤實(shí)驗(yàn)，提出了針對(duì)含 水混合物的介電常數(shù)模型。在這個(gè)模型里，介電常數(shù)被描述為 其中，es> ea> ε fw和ε bw分別為土壤固體物、空氣、自由水和束縛水的介電常數(shù)。 Va, Vfw, Vbw分別是空氣、自由水和束縛水的體積比。在這一方法中，通過對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的詳盡 描述來計(jì)算自由水和束縛水。但在實(shí)際應(yīng)用中，很多要求土壤物理參數(shù)都無法準(zhǔn)確獲得，應(yīng) 用性較差。因此，實(shí)施例采用簡(jiǎn)單實(shí)用的Topp模型。該模型建立了土壤體積含水量(wv， cm3 - cm-3)與介電常數(shù)ε之間的關(guān)系，即介電常數(shù)與土壤濕度的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以用一個(gè)三 次多項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)公式表示wv =-5· 3Χ1(Γ2+2· 92Χ1(Γ2 ε-5· 5Χ1(Γ4 ε 2+4· 3Χ1(Γ6 ε 3(11)于是可根據(jù)介電常數(shù)ε反演計(jì)算土壤濕度。另外，本發(fā)明的用途除了利用GPS信號(hào)測(cè)量土壤濕度之外，還可進(jìn)一步應(yīng)用于接 收兩種以上的不同頻率不同極化的信號(hào)，例如俄羅斯GL0NASS系統(tǒng)或我國(guó)的北斗系統(tǒng)的信號(hào)。本發(fā)明以實(shí)施例，即地基土壤濕度測(cè)量為參考來描述。然而，本發(fā)明的實(shí)施還可用 于塔基，山基等固定平臺(tái)或車載等移動(dòng)平臺(tái)。
權(quán)利要求
一種大面積土壤濕度測(cè)量方法，其特征在于設(shè)置一個(gè)垂直極化天線、一個(gè)GPS接收機(jī)，以及進(jìn)行信號(hào)處理的計(jì)算機(jī)，測(cè)量過程包括以下步驟，步驟1，利用垂直極化天線同時(shí)接收來自空中的直達(dá)信號(hào)和來自地面的反射信號(hào)，形成干涉信號(hào)；所得干涉信號(hào)由GPS接收機(jī)接收后輸出至進(jìn)行信號(hào)處理的計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)連續(xù)采樣獲取干涉信號(hào)的功率序列；步驟2，計(jì)算機(jī)對(duì)干涉信號(hào)的功率序列進(jìn)行一階和二階微分運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果給出干涉信號(hào)的所有峰值點(diǎn)和谷值點(diǎn)；然后通過峰值點(diǎn)的最小值和谷值點(diǎn)的最大值搜索拐點(diǎn)；步驟3，根據(jù)步驟2搜索所得拐點(diǎn)獲取對(duì)應(yīng)的入射角值；利用入射角值和介電常數(shù)的關(guān)系求解此時(shí)對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)；利用介電常數(shù)與土壤濕度的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算土壤濕度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種大面積土壤濕度測(cè)量方法，設(shè)置一個(gè)垂直極化接收天線、一個(gè)GPS接收機(jī)，以及進(jìn)行信號(hào)處理的計(jì)算機(jī)，測(cè)量過程包括利用GPS信號(hào)及其反射信號(hào)的干涉效應(yīng)來進(jìn)行處理。這種技術(shù)方案利用廣泛存在的GPS信號(hào)作為信號(hào)源，可以全天候大面積測(cè)量且成本低廉，并利用干涉效應(yīng)更進(jìn)一步簡(jiǎn)化了接收裝置。
文檔編號(hào)G01N22/04GK101900692SQ201010207399
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者嚴(yán)頌華, 龔健雅 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)