土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法技术

本发明专利技术公开一种土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，属于土壤湿度测量技术领域，通过对直射信号与反射信号的叠加进行相关运算，并参考直射信号的参量，达到直反射信号相位提取的目的；相位提取过程在实施过程中可以以计算机软件的形式运行，将天线接收到的数据按照上述步骤进行处理，完成相位提取；也可以烧写至FPGA等硬件中进行处理，输出提取后的相位，应用形式多样，用途较广，易于推广。解决了现有技术中出现的问题。

【技术实现步骤摘要】
土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法
本专利技术涉及一种土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，属于土壤湿度测量

技术介绍
全球卫星导航系统反射信号(GlobalNavigationSatelliteSystemReflection,GNSS-R)利用地面反射的GNSS信号(如GPS卫星信号、北斗卫星信号等)，使用地基、空基或星基的GNSS接收器对直射信号和反射信号进行处理，由于反射信号对土壤湿度敏感，因此可以用于土壤湿度的反演。对于通过GNSS-R对土壤湿度进行测量的方法，目前主要是双天线法和单天线法。双天线法分别用左旋圆极化天线和右旋圆极化天线接收GNSS直射信号和反射信号进行反演，而单天线法则是仅使用一根右旋圆极化天线接收干涉信号进行反演。在信号反射的过程中，由于反射系数的原因会带来反射信号与直射信号之间的相移。因此直反射信号的相位提取就至关重要。现有的相位提取技术通常都基于快速傅立叶变换(FFT)，根据具体需求进行调整，但是FFT计算量较大，且信号处理的实时性难以保证。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，通过对直射信号与反射信号的叠加进行相关运算，并参考直射信号的参量，达到直反射信号相位提取的目的，解决了现有技术中出现的问题。本专利技术所述的土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，包括以下步骤：步骤1：信号射频接收处理，设置双极性信号接收机，将信号接收机中两天线接收到的信号分别通过带通滤波器得到直射信号与反射信号，将直射信号与反射信号的和记为u2(t)，将直射信号记为u1(t)；步骤2：信号基带接收处理，将步骤1的到的两路信号u1(t)与u2(t)通过模数转换器，再进行捕获、跟踪、载波移除和码移除操作；步骤3：相干运算，对步骤2得到的两路信号分别进行相干运算，得到相干和Y1和Y2。步骤4：功率计算，取步骤3的Y1和Y2的模再求平方，得到其功率P1(i)和P2(i)；步骤5：相位提取，取步骤4得到的P2(i)与P1(i)做比较，得到直射信号与反射信号的相位差，完成相位提取过程。进一步的，步骤1中双极性信号接收机为地基GNSS信号接收机，具有RHCP和LHCP两根天线，两根天线之间设有一定距离。进一步的，步骤1中直射信号与反射信号为RHCP天线与LHCP天线接收到的信号经过带通滤波等处理之后得到的两路信号。进一步的，步骤3中相干运算具体包括以下：式中：Y为相干和，t0为积分起始时间，Tc为相干积分时间，a(t)为PRN码的复制，f0为本地载波频率，表示本地载波的初相；对式(1)和式(2)计算结果如下：其中，式中：Ad，R(i)是RHCP天线接收到的直射信号的幅度，Ar，R(i)是RHCP天线接收到的反射信号的幅度，D(i)是导航电文，R(τe)为导航卫星PRN码的自相关函数，是载波相位跟踪误差，φd是直射信号的相位，φr，R是RHCP天线接收到的反射信号的相位，H为左旋圆极化天线的有效高度，h为两个天线相位中心的高度差，θ为GNSS卫星的仰角，λ为GNSS信号的波长。进一步的，步骤4中功率计算的过程具体包括以下：代入式(5)和式(6)，得到同时，P1的表达式为P1(i)＝Ad，R2(i)D2(i)sinc2(feTc)R2(τe)(9)其中：得到功率P1(i)和P2(i)；式中：Pt是GNSS发射功率，Gt是发射天线增益，λ是GNSS信号波长，Gd，R和Gr，R分别为直射信号接收天线的RHCP增益和反射信号接收天线的RHCP增益，R0是发射天线与直射信号接收天线的相位中心的距离，R1是发射天线的相位中心与镜面反射点的距离，R2是反射信号接收天线与镜面反射点的距离，ΓRR是反射系数。进一步的，反射系数ΓRR的计算公式用下式表示：式中：ΓRR是GNSS卫星仰角θ、土壤介电常数εr的函数。进一步的，步骤5中相位提取的过程具体包括以下：由于时延Δτ非常小，在此期间没有发生比特位翻转，因此将P2(i)与P1(i)相除，可得：由此可得式中：Δφr,R为求得的直反射信号的相位差，P1(i)和P2(i)为步骤4中得到的两路信号的相干和的功率值，Ad,R为直射信号接收天线的右旋圆极化增益，Ar,R为反射信号接收天线的右旋圆极化增益，H为左旋圆极化天线的有效高度，h为两个天线相位中心的高度差，θ为GNSS卫星的仰角，λ为GNSS信号的波长；完成相位提取过程。本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：本专利技术所述的土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，可以为捕获微弱的反射信号提供先验信息，能够进一步提高反射信号捕获的精确度和灵敏度。通过对直射信号与反射信号的叠加进行相关运算，并参考直射信号的参量，达到直反射信号相位提取的目的；相位提取过程在实施过程中可以以计算机软件的形式运行，将天线接收到的数据按照上述步骤进行处理，完成相位提取；也可以烧写至FPGA等硬件中进行处理，输出提取后的相位。本方法在时域对直反射信号进行处理，无需进行FFT等运算，运算量大为减小，实时性好，应用形式多样，用途较广，易于推广。解决了现有技术中出现的问题。附图说明图1为本专利技术实施例的步骤流程图；图2为本专利技术实施例中GNSS接收机应用场景图；图3为本专利技术实施例中天线方向图；图4为本专利技术实施例中两路信号的归一化相关功率图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明：实施例1：如图1所示，本专利技术所述的土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，包括以下步骤：步骤1：GNSS信号射频接收处理设置好双极性GNSS信号接收机，如图2所示，将RHCP天线与LHCP天线接收到的信号分别通过带通滤波器得到直射信号与反射信号。将直射信号与反射信号的和记为u2(t)，将直射信号记为u1(t)。步骤2：GNSS信号基带接收处理将步骤1的到的u1(t)与u2(t)通过模数转换器，再进行捕获、跟踪、载波移除、码移除等操作。步骤3：相干运算对步骤2得到的两路信号分别进行相干运算，得到相干和Y1和Y2。步骤4：功率计算取步骤3的Y1和Y2的模再求平方，得到其功率P1(i)和P2(i)；步骤5：相位提取取步骤4得到的P2(i)与P1(i)做比较，得到直射信号与反射信号的相位差，完成相位提取过程。其中，在步骤1中双极性GNSS信号接收机为地基GNSS信号接收机，具有RHCP和LHCP两根天线，两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：/n步骤1：信号射频接收处理，/n设置双极性信号接收机，将信号接收机中两天线接收到的信号分别通过带通滤波器得到直射信号与反射信号，将直射信号与反射信号的和记为u

【技术特征摘要】
1.一种土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1：信号射频接收处理，
设置双极性信号接收机，将信号接收机中两天线接收到的信号分别通过带通滤波器得到直射信号与反射信号，将直射信号与反射信号的和记为u2(t)，将直射信号记为u1(t)；
步骤2：信号基带接收处理，
将步骤1的到的两路信号u1(t)与u2(t)通过模数转换器，再进行捕获、跟踪、载波移除和码移除操作；
步骤3：相干运算，
对步骤2得到的两路信号分别进行相干运算，得到相干和Y1和Y2；
步骤4：功率计算，
取步骤3的Y1和Y2的模再求平方，其功率P1(i)和P2(i)；
步骤5：相位提取，
取步骤4得到的P2(i)与P1(i)做比较，得到直射信号与反射信号的相位差，完成相位提取过程。


2.根据权利要求1所述的土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，其特征在于：所述的步骤1中双极性信号接收机为地基GNSS信号接收机，具有RHCP和LHCP两根天线，两根天线之间设有一定距离。


3.根据权利要求1所述的土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，其特征在于：所述的步骤1中直射信号与反射信号为RHCP天线与LHCP天线接收到的信号经过带通滤波等处理之后得到的两路信号。


4.根据权利要求1所述的土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法，其特征在于：所述的步骤3中相干运算具体包括以下：






式中：Y为相干和，t0为积分起始时间，Tc为相干积分时间，a(t)为PRN码的复制，f0为本地载波频率，表示本地载波的初相；
对式(1)和式(2)计算结果如下：






其中，






式中：Ad，R(i)是RHCP天线接收到的直射信号的幅度，Ar，R(i)是RHCP天线接收到的反射信号的幅度，D(i)是导航电文，R(τe)为导航卫星PRN码的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东凯，洪学宝，武尚玮，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