[发明专利]利用GNSS-R信号监测土壤水分变化的装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用GPS地面反射信号监测土壤水分变化的装置与方法，尤其是能监测识别裸露地表土壤水分的变化。能够应用在气象、农业、环境监测和旱情监测等遥感部门。

背景技术

目前，公知的监测土壤水分的方法有两种[田国良，土壤水分的遥感监测方法，环境遥感，1991，6(2)：89-98；钟若飞，神州四号微波辐射计数据处理与地表参数反演研究，博士论文，中科院遥感所，2005.6；王建明，基于ERS散射计的青藏高原地表土壤水分估算方法研究，中科院遥感应用研究所，2005.8.；Njoku E.G.，and Li L.，Retrieval of land surface parameters using passive microwave measurements at 6-18 GHz.IEEE Trans.Geosci.Remote Sens.，1999，37(1)：79-93；Kebiao Mao，HuaJun Tang，L.X.Zhang，Li M.C.，Guo Y.，Zhao D.Z.，A Method for Retrieving Soil Moisture in Tibet Region By Utilizing Microwave Index from TRMM/TMI Data，International Journal of Remote Sensing，2008，29(10)：2905-2925.]：一种方法是利用电磁脉冲方法，根据电磁波在介质中传播速度来测试介质的介电常数从而测定土壤水分的仪器。通常是在地下埋设探头或者测试时用手将探头扎入地下。这样方法是单点时效性非常好，但缺点是不能反映区域(面)土壤水分的变化情况；另外一种方法是通过遥感数据反演土壤水分，这种方法的优点是能获取大面积土壤水分变化的趋势，但时效性比较差，受卫星运行周期的影响。当天空有云或者降雨时候，热红外和可见光遥感无法监测地表土壤水分变化。星载主动微波受频率的影响，而且对地表粗糙度比较敏感。被动微波虽然受云和大气的影响很小，但分辨率太低(一般一个像元30公里*30公里)，而且目前对于大尺度的土壤水分反演算法验证也存在困难，主要是地面实测数据缺乏代表性。GPS(Global Positioning System)系统是20世纪90年代发展起来的卫星导航系统。欧空局(European Space Agency(ESA))提出GPSL波段信号可以作为海洋散射计，Hall and Cordey 1988年在国际地理与遥感学会上第一次强调了这一点，后来人们把基于GPS反射信号的遥感技术简称为GNSS-R(global navigation satellite system-reflection)技术。现在GPS海面反射信号在海洋上的应用研究已经取得了很大的进展[刘经南，邵连军，张训械，GNSS-R研究进展及其关键技术，武汉大学学报(信息科学版)，2007(11)：955-960.]。GPS卫星广播频率中民用导航信号L1(1.58GHz)对土壤水分非常敏感，因此非常适合用来监测土壤水分的变化。但GPS地面反射信号在陆面上的应用研究还不是很多，Masters等利用机载GPS接收机接收地面反射信号对土壤水分变化的敏感性做过一些初步的研究，研究结果表明GPS地面反射信号可以用来监测土壤水分变化[Masters D.，Axelrad P.，Katzberg S.，Initial results of land-reflected GPS bistatic radar measurements in SMEX02，remote sensing of environment，2004，92：507-520.]。由于GPS卫星具有全天候的特点，其同一个地方至少可以收到4颗卫星的信号。因此，利用GPS地面反射信号监测土壤水分变化具有很大的潜力。

发明内容

为了克服现有土壤水分变化监测不能同时反应区域(面)上平均变化和时效性的缺点，本发明提供一种监测土壤水分变化的装置，该土壤水分变化监测装置不仅能监测土壤水分区域(面)变化，而且能够保证时效性。单个GPS地面反射信号接收机接收地面反射信号强度缺乏一致性，不能准确地反映土壤水分变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：利用右旋接收天线直接接收GPS信号。利用左旋接收天线接收GPS地面反射信号，通过GNSS-R微波遥感器处理右旋天线和左旋天线接收到的信号，输出左旋天线和右旋天线接收的信号比值，这个比值就可以用来判断土壤水分的变化情况。