多模式兼容GNSS-R土壤湿度微波遥感装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及土壤湿度测量技术领域，具体涉及一种多模式兼容GNSS‑R土壤湿度微波遥感装置及其使用方法，包括以下部件：直射RHCP天线、反射RHCP天线、反射LHCP天线、合路器、开关、前置放大模块、下变频模块、采样量化模块、捕获与闭环跟踪模块、开环跟踪模块、定位解算与控制模块、土壤湿度反演模块；本发明专利技术所述的一种多模式兼容GNSS‑R土壤湿度微波遥感装置实现了不同的GNSS‑R土壤湿度微波遥感工作模式的灵活切换，使得土壤遥感可以充分利用不同工作模式的优点实现多模式兼容观测。实现了利用GNSS反射信号进行多模式、非接触、大面积的土壤湿度测量。

Multi mode compatible GNSS-R microwave remote sensing device for soil moisture and its application

【技术实现步骤摘要】
多模式兼容GNSS-R土壤湿度微波遥感装置及其使用方法
本专利技术涉及土壤湿度测量
，具体涉及一种多模式兼容GNSS-R土壤湿度微波遥感装置及其使用方法。
技术介绍
土壤水分是水循环平衡的重要组成部分，土壤水分影响地表到大气的感热和潜热通量。在大尺度范围内，这些通量会影响天气模式，在局部地区，地表水分的可获得性对植物生长至关重要。土壤水分也影响干旱和降雨，在气候变化中起着重要作用。因此监测土壤水分的长期变化对碳循环和农业具有重要意义。现有土壤湿度监测手段主要可分为接触式测量手段与非接触式测量手段。其中接触式测量手段最精确、稳定，但其测量过程会破坏土壤结构，并且通常情况下这些测量仅能够代表测量点周围十几平方厘米面积范围的土壤湿度，无法代表大面积的土壤湿度；非接触式测量手段主要包括主动与被动星载微波遥感手段，其实现了大面积非接触式测量，但是时间空间分辨率较差，且研制与维护成本很高。随着全球导航卫星系统(GNSS)的发展，诞生了GNSS-R(GNSS-Reflectometry)遥感技术，该技术利用的是GNSS卫星发射的导航信号与经土壤反射后的导航信号进行土壤湿度测量。由于GNSS导航卫星众多，因此信号源众多，并且导航信号可以在全球范围内免费获取，同时直反射信号接收处理装置的研制可以在现有成熟的GNSS接收机的基础上进行，因此GNSS-R技术可以实现低成本、高时空分辨率的土壤湿度监测。目前GNSS-R土壤湿度测量技术有两种模式，一种为分立模式，一种为干涉模式。其中，在分立模式下，接收处理装置使用两支或以上的独立的天线分别接收GNSS直射信号与土壤反射信号，每支天线占用一个单独的处理通道，通过对所有天线接收的信号进行处理便可反演出土壤湿度，如专利“基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置及测量方法”(申请号：2014108164014)、“一种温度传感器辅助的GNSS-R土壤湿度探测装置”(申请号：2015100723626)，这种模式在卫星仰角较高时测量性能较好，因为高仰角时反射信号的信噪比高。在干涉模式下，接收处理装置只使用一支天线同时接收直射与土壤反射信号，其利用的是直射信号与土壤反射信号之间的干涉效应，如专利“一种基于GNSS干涉功率峰谷值的土壤湿度测量方法”(申请号：2016103438553)、“基于GNSS-IR多波段融合土壤湿度监测方法及装置”(申请号：2018103444498)、“一种利用GPS信噪比等级数据进行土壤湿度估计的方法”(申请号：2015108193933)、“基于北斗基准站接收的低仰角信号的土壤湿度反演方法”(申请号：2014102755487)，这种模式在卫星仰角较低时测量性能较好，因为低仰角时干涉信号的信噪比较高。因此单一模式的GNSS-R接收处理装置对卫星数据的利用率较低。同时由于卫星的高仰角运行与低仰角运行分别位于不同的时段，因此单一模式的GNSS-R接收处理装置的时间分辨率不够高，无法实现无缝的土壤湿度测量。
技术实现思路
为了解决上述技术问题中的不足，本专利技术的目的在于：提供一种多模式兼容GNSS-R土壤湿度微波遥感装置及其使用方法,能够利用不同工作模式的优点实现多模式兼容观测的功能。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案为：所述多模式兼容GNSS-R土壤湿度微波遥感装置，包括以下部件：直射RHCP天线，用于接收GNSS直射信号；反射RHCP天线，用于接收土壤反射的GNSS信号的右旋分量；反射LHCP天线，用于接收土壤反射的GNSS信号的左旋分量；合路器，用于将来自直射RHCP天线、反射RHCP天线以及反射LHCP天线的信号进行加和；开关，用于实现受控开合与受控切换，从而能使能直射RHCP天线、反射RHCP天线以及反射LHCP天线与相应的处理通道；前置放大器，用于对直射RHCP天线、反射RHCP天线以及反射LHCP天线捕捉到的模拟射频信号进行功率放大与噪声抑制；下变频模块，用于将模拟射频信号下变频至模拟中频信号；采样量化模块，用于将模拟中频信号转换为数字中频信号；捕获与闭环跟踪模块，用于处理GNSS直射数字中频信号，实现对接收信号参数的测量与导航电文的解调，同时将测得的信号参数如频率、相位等输出给开环跟踪模块以辅助反射信号跟踪；开环跟踪模块，实现对GNSS反射数字中频信号的跟踪与相关功率的测量；定位解算与控制模块，利用捕获与闭环跟踪模块的输出信息进行装置位置计算与卫星位置计算、根据预设参数控制开关的开合与切换实现不同工作模式的灵活切换；土壤湿度反演模块，利用测得的干涉信号或者分立信号实现土壤湿度测量。优选的，直射RHCP天线为全向天线，反射RHCP天线为高增益窄波束天线,反射LHCP天线为高增益窄波束天线。采用多模式兼容GNSS-R土壤湿度微波遥感装置的使用方法，包括以下工作模式：单天线干涉模式，在该模式下定位解算与控制模块控制相关的开关以禁用反射RHCP天线与反射LHCP天线，仅使能直射RHCP天线工作，此时干涉信号依次经过前置放大模块、下变频模块、采样量化模块、捕获与闭环跟踪模块而得到干涉信号功率信息，此后定位解算与控制模块利用干涉信号进行定位解算得到装置的位置信息与可见导航卫星的仰角、方位角信息，最后土壤湿度反演模块对干涉信号功率信息进行处理从而反演土壤湿度；双天线干涉模式，在该模式下定位解算与控制模块控制相关的开关以使能反射LHCP天线与直射RHCP天线，此时直射信号与反射信号LHCP分量首先经过合路器形成干涉信号，然后依次经过前置放大模块、下变频模块、采样量化模块、捕获与闭环跟踪获模块而得到干涉信号功率信息，此后定位解算与控制模块利用干涉信号进行定位解算得到装置的位置信息与可见导航卫星的仰角、方位角信息，最后土壤湿度反演模块可利用现有技术对干涉信号功率信息进行处理从而反演土壤湿度；双天线分立模式，在该模式下定位解算与控制模块控制相关的开关以使能反射LHCP天线与直射RHCP天线，此时直射信号依次经过前置放大模块、下变频模块、采样量化模块、捕获与闭环跟踪获模块得了直射信号的码相位、载波相位、相关功率信息，其中码相位与载波相位信息用于辅助开环跟踪模块以实现对反射信号LHCP分量的开环跟踪进而获得反射信号LHCP分量的相关功率信息，此后定位解算与控制模块利用直射信号进行定位解算得到装置的位置信息与可见导航卫星的仰角、方位角信息，最后土壤湿度反演模块可利用现有技术对直射信号相关功率信息与反射信号LHCP分量的相关功率信息进行处理从而反演土壤湿度；三天线分立模式，在该模式下定位解算与控制模块控制相关的开关以使能直RHCP天线、反射LHCP天线和反射RHCP天线，此时直射信号依次经过前置放大模块、下变频模块、采样量化模块、捕获与闭环跟踪模块获得了直射信号的码相位、载波相位、相关功率信息，其中码相位与载波相位信息用于辅助开环跟踪模块以实现对反射信号LHCP分量和反射信号RHCP分量的开环跟踪进而获得反射信号LHCP分量与反射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多模式兼容GNSS-R土壤湿度微波遥感装置，其特征在于，包括以下部件：/n直射RHCP天线，用于接收GNSS直射信号；/n反射RHCP天线，用于接收土壤反射的GNSS信号的右旋分量；/n反射LHCP天线，用于接收土壤反射的GNSS信号的左旋分量；/n合路器，用于将来自直射RHCP天线、反射RHCP天线以及反射LHCP天线的信号进行加和；/n开关，用于实现受控开合与受控切换，从而能使能直射RHCP天线、反射RHCP天线以及反射LHCP天线与相应的处理通道；/n前置放大器，用于对直射RHCP天线、反射RHCP天线以及反射LHCP天线捕捉到的模拟射频信号进行功率放大与噪声抑制；/n下变频模块，用于将模拟射频信号下变频至模拟中频信号；/n采样量化模块，用于将模拟中频信号转换为数字中频信号；/n捕获与闭环跟踪模块，用于处理GNSS直射数字中频信号，实现对接收信号参数的测量与导航电文的解调，同时将测得的信号参数如频率、相位等输出给开环跟踪模块以辅助反射信号跟踪；/n开环跟踪模块，实现对GNSS反射数字中频信号的跟踪与相关功率的测量；/n定位解算与控制模块，利用捕获与闭环跟踪模块的输出信息进行装置位置计算与卫星位置计算、根据预设参数控制开关的开合与切换实现不同工作模式的灵活切换；/n土壤湿度反演模块，利用测得的干涉信号或者分立信号实现土壤湿度测量。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多模式兼容GNSS-R土壤湿度微波遥感装置，其特征在于，包括以下部件：
直射RHCP天线，用于接收GNSS直射信号；
反射RHCP天线，用于接收土壤反射的GNSS信号的右旋分量；
反射LHCP天线，用于接收土壤反射的GNSS信号的左旋分量；
合路器，用于将来自直射RHCP天线、反射RHCP天线以及反射LHCP天线的信号进行加和；
开关，用于实现受控开合与受控切换，从而能使能直射RHCP天线、反射RHCP天线以及反射LHCP天线与相应的处理通道；
前置放大器，用于对直射RHCP天线、反射RHCP天线以及反射LHCP天线捕捉到的模拟射频信号进行功率放大与噪声抑制；
下变频模块，用于将模拟射频信号下变频至模拟中频信号；
采样量化模块，用于将模拟中频信号转换为数字中频信号；
捕获与闭环跟踪模块，用于处理GNSS直射数字中频信号，实现对接收信号参数的测量与导航电文的解调，同时将测得的信号参数如频率、相位等输出给开环跟踪模块以辅助反射信号跟踪；
开环跟踪模块，实现对GNSS反射数字中频信号的跟踪与相关功率的测量；
定位解算与控制模块，利用捕获与闭环跟踪模块的输出信息进行装置位置计算与卫星位置计算、根据预设参数控制开关的开合与切换实现不同工作模式的灵活切换；
土壤湿度反演模块，利用测得的干涉信号或者分立信号实现土壤湿度测量。


2.根据权利要求1所述的多模式兼容GNSS-R土壤湿度微波遥感装置，其特征在于，直射RHCP天线为全向天线，反射RHCP天线为高增益窄波束天线,反射LHCP天线为高增益窄波束天线。


3.一种采用多模式兼容GNSS-R土壤湿度微波遥感装置的使用方法，其特征在于，包括以下工作模式：
单天线干涉模式，在该模式下定位解算与控制模块控制相关的开关以禁用反射RHCP天线与反射LHCP天线，仅使能直射RHCP天线工作，此时干涉信号依次经过前置放大模块、下变频模块、采样量化模块、捕获与闭环跟踪模块而得到干涉信号功率信息，此后定位解算与控制模块利用干涉信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东凯，汉牟田，常海宁，
申请(专利权)人：山东航向电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37