[发明专利]一种温度传感器辅助的GNSS‑R土壤湿度探测装置

权利要求书

1.一种温度传感器辅助的GNSS-R土壤湿度探测装置，其特征在于：该装置由天线、GNSS反射信号接收机模块、土壤成分设定模块、土壤温度探测及判定模块和土壤湿度反演模块五个部分组成；它们之间的关系为：天线与GNSS反射信号接收机模块相连接，位于GNSS反射信号接收机模块前端；GNSS反射信号接收机模块与土壤湿度反演模块相连接，位于土壤湿度反演模块前端；同时，土壤成分设定模块和土壤温度探测及判定模块分别与土壤湿度反演模块相连接，处理过程均位于土壤湿度反演模块之前，土壤湿度反演模块接收GNSS反射信号接收机模块、土壤成分设定模块和土壤温度探测及判定模块的输出结果，将输出结果作为输入参数，进行土壤湿度的反演；所述温度传感器辅助的GNSS-R土壤湿度探测装置有三个输入参数，分别为：天线接收的GNSS直射信号和反射信号、土壤成分设定模块设定的土壤沙土含量和黏土含量、土壤温度探测及判定模块探测到的土壤的温度值；温度传感器辅助的GNSS-R土壤湿度探测装置有一个输出参数，输出为土壤湿度反演模块反演的土壤湿度值结果；

所述天线部分由右旋圆极化天线和左旋圆极化天线组成，它们之间的关系为：右旋圆极化天线放置于天线架上端，左旋圆极化天线放置于天线架下端；该右旋圆极化天线垂直向上放置，接收GNSS直射信号，该左旋圆极化天线对准探测区域放置，接收GNSS反射信号；

所述GNSS反射信号接收机模块由射频前端、A/D转换器、FPGA多通道相关器以及DSP信号处理器中的直射信号相关处理及反射通道模式配置部分组成，它们之间的关系是：射频前端位于最前方，其后连接的是A/D转换器，A/D转换器后连接FPGA多通道相关器，另外DSP信号处理器中的直射信号相关处理及反射通道模式配置部分也与FPGA多通道相关器连接；该射频前端为双射频前端；该A/D转换器为双通道高速A/D变换器；该FPGA多通道相关器用于直射信号和反射信号的相关处理；该DSP信号处理器中的直射信号相关处理及反射通道模式配置部分辅助FPGA实现直射信号相关处理及反射通道模式配置工作；所述GNSS反射信号接收机模块即完成GNSS反射信号接收机对直射和反射信号的处理过程；

所述土壤成分设定模块为软件处理模块，首先要求进行土壤成分测定，然后依据测定结果在模块中设置土壤成分含量，并将结果输出至土壤湿度反演模块；

其中，土壤成分测定方法具体为：对探测区域边缘处的土样进行采集，分别取12.5cm、7cm和5cm三种深度处的土壤样品各四组，分别对12组土壤样品进行成分分析，得到每组中的沙土含量和黏土含量，对沙土含量和黏土含量进行均值操作，得到的平均值作为沙土和黏土的含量的测定结果；

所述土壤温度探测及判定模块由土壤温度传感器和温度判定模块组成，它们之间的关系为：土壤温度传感器连接温度判定模块，其输出温度值作为温度判定模块的输入；该土壤温度传感器选用市场上现成的产品，温度范围为-40℃～120℃，数量为4个，完成温度探测工作；该温度判定模块为软件处理模块，在DSP信号处理器中实现；

其中，温度探测及判定的具体方法为：在探测区域内沿正方形插入4个温度传感器，工作范围为-40℃～120℃，以5℃为步长对上述工作温度进行区间划分，共划分为32个区间，即[-40℃,-35℃]，[-35℃，-30℃]…[110℃，115℃]，[115℃，120℃]，分别读取4个温度传感器的温度测量值，对温度测量值进行平均得到平均温度值，在上述已划分的区间内判定平均温度值所属的区间，得到所属区间值，将平均温度值及所属区间值作为模块输出；

所述土壤湿度反演模块为软件处理模块，该模块由反射系数计算、介电常数计算、反演土壤湿度以及土壤湿度值输出四个部分组成；

其中，反射系数计算部分的具体方法为：提取反射信号接收机处理结果中的直射和反射信号的相关功率峰值，反射和直射信号的相关功率峰值比即为反射系数；

其中，介电常数计算部分的具体方法为：提取反射信号接收机处理结果中的卫星高度角信息，并结合反射系数的计算结果，根据如下公式计算土壤湿度：

${\mathrm{\Γ}}_{rl}(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\θ})=\frac{{(\mathrm{\ϵ}-1)}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}(\mathrm{\ϵ}-{\cos }^2\mathrm{\θ})}{{(\mathrm{\ϵ}sin\mathrm{\θ}+\sqrt{\mathrm{\ϵ}-{\cos }^2\mathrm{\θ}})}^2{(sin\mathrm{\θ}+\sqrt{\mathrm{\ϵ}-{\cos }^2\mathrm{\θ}})}^2}---\left(1\right)$

上述公式中Γ_rl为反射系数，ε为介电常数，θ为卫星高度角；

根据土壤成分设定模块输入的土壤沙土含量和土壤黏土含量的值由公式绘制土壤湿度-介电常数关系曲线组，曲线组中包含了33条不同温度值时关系曲线，33个温度值为步骤温度探测及判定模块中的温度区间边界值，具体公式如下：

土壤湿度分为重量湿度m_g和体积湿度m_V两种，两者之间的换算关系为：

$m_g=m_V\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{{\mathrm{\ρ}}_b}---\left(2\right)$

式中ρ_w＝1g/cm³为水的密度，ρ_b为干土壤样品的密度，由式(3)、(4)计算

ρ_b＝3.4355/R^0.3018 (3)

R＝25.1-0.21s+0.22c (4)

潮湿土壤中的水分为束缚水和自由水，紧紧粘附于土壤泥土上的水分子称为束缚态水，否则称为自由态水；当土壤重量湿度m_g超过某一值m_T时水分子恢复其自由液体状态，成为自由态水；土壤的介电常数ε_r表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_r=\left\{\begin{array}{cc}{m}_g{\mathrm{\ϵ}}_x+(p-m_g){\mathrm{\ϵ}}_a+(1-p){\mathrm{\ϵ}}_{rock}& m_g\<m_T\\ m_g{\mathrm{\ϵ}}_x+(p-m_g){\mathrm{\ϵ}}_w+(p-m_g){\mathrm{\ϵ}}_a+(1-p){\mathrm{\ϵ}}_{rock}& m_g\≥m_T\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中

${\mathrm{\ϵ}}_x=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ϵ}}_{ice}+({\mathrm{\ϵ}}_w-{\mathrm{\ϵ}}_{ice})\frac{m_g}{m_T}\mathrm{\β}& m_g\<m_T\\ {\mathrm{\ϵ}}_{ice}+({\mathrm{\ϵ}}_w-{\mathrm{\ϵ}}_{ice})\mathrm{\β}& m_g\≥m_T\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中p为积孔率，它表示干土壤中孔隙体积所占的比例，其表达式为：

$p=1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_b}{{\mathrm{\ρ}}_{rock}}---\left(7\right)$

ρ_rock为土壤中岩石密度，典型值为2.6g/cm³；ε_a为空气的介电常数，ε_a＝1，ε_w为水的介电常数，由如下Debye公式计算

${\mathrm{\ϵ}}_w={\mathrm{\ϵ}}_{w\mathrm{\∞}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{w0}-{\mathrm{\ϵ}}_{w\mathrm{\∞}}}{1+j2{\mathrm{\πf\τ}}_w}---\left(8\right)$

式中ε_w∞＝4.9，

ε_w0＝88.045-0.4147T+6.295×10⁴T²+1.075×10^-5T³ (9)

2πτ_W＝1.1109×10^-10-3.824×10^-12T+6.938×10^-14T²-5.096×10^-16T³ (10)

其中，T为土壤的物理温度，单位为℃，f的单位为Hz，ε_rock为岩石的介电常数；取ε_rock＝5+0.1j，ε_ice为冰的介电常数，取ε_ice＝3.2+j0.1，β和m_T分别用下面公式计算：

β＝-0.57wp+0.481 (11)

m_T＝0.49wp+0.165 (12)

wp为土壤结构参数，

wp＝0.06774-0.00064S+0.00478C (13)

式中S为土壤沙土含量，C为土壤黏土含量；

在给定土壤成分信息S、C含量后，在33种温度情况下对应任意一个介电常数值ε_r就有一个土壤湿度值m_V，因此画出对应的土壤湿度-介电常数关系曲线组；

其中，根据土壤温度探测及判定模块输出的平均温度值和所属区间的中点值进行比较以确定土壤湿度-介电常数关系曲线组中的温度，若平均温度大于区间中点温度则令平均温度等于区间下边界值，反之则令平均温度等于区间上边界值；

根据所得的平均温度值在土壤湿度-介电常数关系曲线组中选择对应温度下的关系曲线并提取该关系曲线；

由介电常数计算部分得到的介电常数值和土壤湿度-介电常数关系曲线进行比对，即得到最终的土壤湿度反演结果；

其中，土壤湿度值输出部分将反演土壤湿度部分得到的土壤湿度值作为最后的结果进行输出。