[发明专利]高精度信噪比拟合模型及基于该模型的土壤湿度反演方法

说明书

本发明公开一种高精度信噪比拟合模型及基于该模型的土壤湿度反演方法，属于土壤湿度测量技术领域，基于GNSS‑IR技术来实现高精度信噪比拟合模型，该模型对直射信号功率与反射信号功率的变化进行建模，将模型中的其他与土壤湿度有关的特征参量全部使用拟合参数进行替换，最后为模型加上约束条件得到关于信噪比数据的高精度拟合模型，该模型仅需一步拟合即可得到所有特征参量，利用该模型对接收机信噪比数据进行直接拟合，建立拟合参数与土壤湿度之间的反演模型进行土壤湿度反演，不需要事先对信噪比数据进行去趋势项操作，实现了对信噪比数据的直接、高精度拟合建模，提高了土壤湿度反演的灵活性；解决了现有技术中出现的问题。

技术领域

本发明涉及一种高精度信噪比拟合模型及基于该模型的土壤湿度反演方法，属于土壤湿度测量技术领域。

背景技术

土壤湿度是研究地球水循环的重要参数，准确、连续的监测土壤湿度变化对于研究局部气象条件变化、调整农业生产、防灾减灾具有重要意义。目前的土壤湿度测量技术主要分为两类，一类为接触式土壤湿度测量方法，一类为非接触式土壤湿度测量方法。接触式测量方法需将土壤湿度传感器填埋到土壤中，填埋过程容易破坏土壤结构，且该测量方法只能测量传感器周围几厘米范围内的土壤湿度，属于点测量，由于土壤湿度在空间中的具有较高的异质性，不同点处的测量结果可能相差较大，因此测量结果的代表性较差。而遥感方法是利用土壤自身的微波辐射或者经土壤表面散射的微波信号进行非接触式大面积土壤湿度测量的方法。近年来随着全球卫星导航系统的发展，人们提出利用经土壤散射的卫星导航信号进行遥感的技术，该技术被称为GNSS-R技术。与传统主动微波遥感器自发自收的工作方式不同，GNSS-R技术中信号的发射与散射信号的接收是分离的，其中微波发射器导航卫星，接收器为位于地面或者搭载于其他飞行器平台的GNSS-R接收机，发射器与接收器的距离较远，因此该技术主要利用了卫星导航信号的前向散射信号进行遥感。

GNSS-R技术按工作模式可分为协同模式(也即常规模式，conventional GNSS-R,简称cGNSS-R)与干涉模式(GNSS-Interferometric Reflectometry,简称GNSS-IR)。GNSS-R干涉模式进行土壤湿度测量主要利用GNSS接收机记录的信噪比数据呈类正弦函数变化的特征。研究表明，信噪比数据的类正弦函数变化正是由于卫星运动导致的直反射信号干涉强度的周期性变化导致的，这种信噪比数据随时间变化产生的图样被称为干涉图样。利用不同的极化的天线接收干涉信号可以得到不同的干涉图样。

如专利公开号为：CN101900692A，公开的一种大面积土壤湿度测量方法涉及一种利用垂直线极化天线接收干涉信号的土壤湿度测量方法，这种方法利用信噪比数据中“峰值点的最小值和谷值点的最大值搜索拐点”，拐点位置与土壤湿度有关，据此可以反演土壤湿度。但这种方法使用线极化天线改变了GNSS接收机的常规硬件配置，难以广泛使用。专利公开号为：CN101900692A，公开的一种基于北斗基准站接收的低仰角信号的土壤湿度反演方法，涉及一种常规接收机硬件配置—使用右旋圆极化天线接收干涉信号用于测量土壤湿度的方法。该方法首先对信噪比进行去趋势项等预处理操作，然后使用标准正弦函数拟合模型与去趋势项后的干涉图样进行拟合，得到信噪比振荡的初始相位，并建立初始相位与土壤湿度间的经验模型进行土壤湿度测量。然而该技术使用的幅度恒定的标准正弦函数模型对于实际的信噪比建模而言，其精度较低，因为实际信噪比的振荡幅度不是恒定的，而且其通过两次独立的拟合对信噪比进行建模的方法，无法准确的描述直反射信号间的耦合效应，无法对直反射信号间的耦合效应进行建模。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度信噪比拟合模型及基于该模型的土壤湿度反演方法，利用该模型对接收机信噪比数据进行直接拟合，然后建立拟合参数与土壤湿度之间进行土壤湿度反演，解决了现有技术中出现的问题。

本发明所述的高精度信噪比拟合模型，包括：