微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括探測(cè)臂，搭載于探測(cè)臂上的信號(hào)接收天線和熱紅外溫度計(jì)，與信號(hào)接收天線和熱紅外溫度計(jì)電性連接的微波探測(cè)系統(tǒng)，以及與微波探測(cè)系統(tǒng)電性連接的數(shù)據(jù)處理裝置，所述監(jiān)測(cè)方法為數(shù)據(jù)處理裝置中的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)根據(jù)微波探測(cè)系統(tǒng)獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合根據(jù)熱紅外溫度計(jì)得到的土壤表面的物理溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步處理，對(duì)土壤水分信息進(jìn)行精確評(píng)價(jià)。本發(fā)明提供的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法，采用被動(dòng)方式獲取土壤微波輻射信號(hào)，工作模型簡(jiǎn)單、精度高、效率高，且不受觀測(cè)頻率的限制。
【專利說(shuō)明】
微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及微波遙感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān) 測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水文學(xué)、氣象學(xué)以及農(nóng)業(yè)科學(xué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)就是土壤水分，土 壤水分在當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展中也起到了非常重要的作用。精確、實(shí)時(shí)的土壤水分監(jiān)測(cè)與反演在 水資源的合理利用、農(nóng)業(yè)灌溉以及旱澇災(zāi)害預(yù)報(bào)等農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域中具有重要意義，對(duì)農(nóng)作 物的生長(zhǎng)善信息獲取、土壤墑情監(jiān)測(cè)分析、天氣和徑流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面都有很大的影響。農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)中，每年由干旱災(zāi)害帶來(lái)的損失非常嚴(yán)重，準(zhǔn)備掌握土壤水分情況有利于及時(shí)采取 相應(yīng)的對(duì)策和措施，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失，對(duì)于提高和保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率、保障糧食 安全等具有重要意義。因而，土壤水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反演是當(dāng)今科學(xué)研究的重要課題。
[0003] 在土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，傳統(tǒng)的方法是建立田間的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)人工或者觀測(cè) 儀器在網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上獲得具有較高精度的土壤水分信息。當(dāng)前，田間土壤水分實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)方法很多，其中較為常見(jiàn)的有以下幾種：
[0004] (1)烘干稱重法
[0005] 該方法是將野外采集到的原狀土樣，放置在溫度為105°C的恒溫箱中烘干6~8小 時(shí)至恒重，然后再對(duì)烘干后的土樣進(jìn)行稱重。失去的部分代表原土壤樣品中的水分質(zhì)量，由 此得到土壤的質(zhì)量含水量。
[0006] 烘干稱重法被認(rèn)為是測(cè)定土壤含水量最準(zhǔn)確和最普遍的標(biāo)準(zhǔn)方法。該方法簡(jiǎn)單、 直觀，針對(duì)采集的土樣而言其結(jié)果比較可靠。但是，由于土壤水分在田間的分布往往是不均 勻的，因此所采土樣不具有區(qū)域代表性;另外，田間采樣會(huì)破壞作物的部分根系，擾亂土壤 水分分布。
[0007] (2)電阻測(cè)定法
[0008] 該方法是通過(guò)測(cè)量石膏、尼龍和玻璃纖維等的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先把由這些物質(zhì) 制成的電阻塊放置在待測(cè)的土壤中，然后測(cè)量這些電阻塊的電阻值，由此得到土壤含水量。 其中土壤的含水量與電阻大小之間的關(guān)系是通過(guò)標(biāo)定的方法來(lái)確定的。
[0009] 電阻測(cè)定法成本低、操作簡(jiǎn)單，可以多次重復(fù)，而且不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，可以制成 手持式儀器，也可以置于田間實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。其缺點(diǎn)是靈敏度不高，具有一定的滯后 性，在土壤含水量比較高時(shí)的可靠性差。
[0010] ⑶中子儀法
[0011]該方法是基于由中子源輻射出的快速運(yùn)動(dòng)中子在遇到氫原子時(shí)其運(yùn)動(dòng)速度會(huì)變 慢，將這部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能而形成熱中子的原理，通過(guò)土壤水分與熱中子數(shù)量之間的關(guān) 系來(lái)確定土壤水分含水量的。
[0012]中子儀法不會(huì)破壞土壤，能夠與自動(dòng)記錄儀器相連接，適用于田間土壤水分的動(dòng) 態(tài)監(jiān)測(cè)。其缺點(diǎn)是設(shè)備儀器比較昂貴，需要進(jìn)行田間校準(zhǔn)，對(duì)表層土壤含水量測(cè)量比較困 難。
[0013] (4)TDR法
[0014] 全稱為時(shí)域反射儀(Time Domain Reflectometry，TDR)法，該方法通過(guò)測(cè)定土壤 的介電特性來(lái)得到土壤水分的方法。土壤中高頻電磁脈沖沿導(dǎo)體傳播的速度與土壤介電常 數(shù)有關(guān)，而土壤水分與土壤介電特性密切相關(guān)，通過(guò)測(cè)量脈沖傳播時(shí)間來(lái)確定脈沖的傳播 速度，就可以到土壤含水量。
[0015] 該方法具有方便、準(zhǔn)確和安全的特點(diǎn)，因此自20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來(lái)迅速得到 了推廣和應(yīng)用。但該方法屬于主動(dòng)微波方法，由于需要較大功率的微波發(fā)射源，設(shè)備儀器比 較昂貴、笨重;相對(duì)來(lái)說(shuō)，存在數(shù)據(jù)反演困難，容易被地面電磁反射式假目標(biāo)所欺騙等問(wèn)題。
[0016] 目前，尚缺乏基于被動(dòng)微波遙感技術(shù)的土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。被動(dòng)微波遙感對(duì) 土壤含水量非常敏感，是進(jìn)行土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的最佳手段之一。被動(dòng)微波遙感反演土壤 水分主要是基于輻射傳輸方程展開(kāi)的，即通過(guò)傳感器獲得的地表能量和地表輻射能量建立 能量平衡方程來(lái)進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，通常是由微波輻射計(jì)獲得表示地物輻射信號(hào)強(qiáng)度的 土壤亮溫，再利用輻射傳輸方程或者與土壤水分之間建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)反演土壤水分。研究 表明：微波輻射測(cè)量土壤含水量的有效采樣深度約為2至5厘米，且選較長(zhǎng)波長(zhǎng)更為有利。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0017] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種模型簡(jiǎn)單、精度高、效率高且不受觀測(cè)頻率 限制的土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本發(fā)明提供了一種微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括：
[0018] 探測(cè)臂，包括相互連接的呈垂直狀的第一金屬桿和第二金屬桿，用于搭載信號(hào)接 收天線和熱紅外溫度計(jì)以及選擇待觀測(cè)土壤的位置；
[0019] 信號(hào)接收天線，搭載于探測(cè)臂上，用于獲取土壤微波輻射信號(hào)；
[0020] 熱紅外溫度計(jì)，搭載于探測(cè)臂上，用于獲得土壤表面的物理溫度；
[0021] 微波探測(cè)系統(tǒng)，與信號(hào)接收天線和熱紅外溫度計(jì)電性連接，用于將信號(hào)接收天線 獲取的土壤微波輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化為亮溫?cái)?shù)據(jù)；
[0022] 數(shù)據(jù)處理裝置，與微波探測(cè)系統(tǒng)電性連接，用于接收微波探測(cè)系統(tǒng)的亮溫?cái)?shù)據(jù)及 土壤表面的物理溫度，并結(jié)合理論模型，實(shí)現(xiàn)土壤水分信息的實(shí)時(shí)獲取。
[0023] 其中，所述第一金屬桿和第二金屬桿一體成型，且材質(zhì)均為鋁材質(zhì)。
[0024]其中，所述微波探測(cè)系統(tǒng)包括依次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、直射信號(hào)處理模塊、回波信 號(hào)處理模塊和任務(wù)監(jiān)控機(jī)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理裝置之間分別依次連接有差分過(guò)濾器、 放大器、延遲線、均衡器、定位誤差時(shí)間序列分析器和卡爾曼濾波器。
[0025]其中，所述微波探測(cè)系統(tǒng)為微波探測(cè)儀。
[0026]本發(fā)明另外提供了一種微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0027] S1:信號(hào)接收天線被動(dòng)接受地表發(fā)射的土壤微波輻射信號(hào)，并將信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給 微波探測(cè)系統(tǒng)；
[0028] S2:經(jīng)過(guò)定標(biāo)的微波探測(cè)系統(tǒng)，直接將土壤微波輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為亮溫?cái)?shù)據(jù)，并將接 收到的亮溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳遞到數(shù)據(jù)處理裝置；
[0029] S3:數(shù)據(jù)處理裝置中的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)根據(jù)微波探測(cè)系統(tǒng)獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié) 合根據(jù)熱紅外溫度計(jì)得到的土壤表面的物理溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步處理，對(duì)土壤水分信 息進(jìn)行精確評(píng)價(jià)。
[0030] 其中，所述步驟S1中，信號(hào)接收天線在接受地表發(fā)射的土壤微波輻射信號(hào)時(shí)，觀測(cè) 模式為垂直向下，并處于無(wú)植被覆蓋的區(qū)域。
[0031] 其中，所述步驟S1中，信號(hào)接收天線將所接收的土壤微波輻射信號(hào)，經(jīng)增益放大和 濾波處理后形成去極化信號(hào)輸出給射頻前端，再傳送給微波探測(cè)系統(tǒng)；
[0032] 其中，所述步驟S2還包括如下步驟：
[0033] S21:模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收信號(hào)接收天線發(fā)送的信號(hào)，將直射數(shù)字采樣信號(hào)和回波數(shù)字 采樣信號(hào)分別傳送至直射信號(hào)處理模塊和回波信號(hào)處理模塊；
[0034] S22:直射信號(hào)處理模塊對(duì)接收的直射數(shù)字采樣信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤，并輸出導(dǎo)航 定位信息給任務(wù)監(jiān)控機(jī)，同時(shí)，直射信號(hào)處理模塊將直射通道的數(shù)字中頻信號(hào)輸出給回波 信號(hào)處理模塊；
[0035] S23:回波信號(hào)處理模塊根據(jù)任務(wù)監(jiān)控機(jī)中的任務(wù)規(guī)劃定制的通道信息對(duì)其進(jìn)行 通道配置，然后將數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲和多普勒頻移后的信號(hào)與回波數(shù)字采樣信號(hào)進(jìn) 行二維相關(guān)運(yùn)算得到時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率輸出給任務(wù)監(jiān)控機(jī)。
[0036] 其中，所述步驟S2還包括如下步驟：
[0037] S21:模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收信號(hào)接收天線發(fā)送的信號(hào)，將直射數(shù)字采樣信號(hào)和回波數(shù)字 采樣信號(hào)傳送給差分過(guò)濾器處理；
[0038] S22:將步驟S21獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)放大器進(jìn)行信號(hào)放大，并將放大后的信號(hào)輸送至 延遲線對(duì)信號(hào)進(jìn)行延遲；
[0039] S23:均衡器對(duì)信號(hào)因延遲造成的幅度畸變進(jìn)行校正；
[0040] S24:將步驟S23獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)定位誤差時(shí)間序列分析器分析處理，建立定位誤 差的AR模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；
[0041] S25:將步驟S24獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)卡爾曼過(guò)濾器進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；
[0042] S26:將步驟S25獲取的數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)處理裝置。
[0043]其中，所述步驟S3中，數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)通過(guò)將從微波探測(cè)系統(tǒng)接收到的亮溫?cái)?shù) 據(jù)和從熱紅外溫度計(jì)獲得土壤表面的物理溫度整合為小尺度目標(biāo)區(qū)域的土壤水分信息，對(duì) 土壤水分信息進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。
[0044]其中，所述步驟S3中，所述數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)的錄入?yún)?shù)為土壤表面的物理溫度 和土壤砂土含量;其輸出參數(shù)為土壤含水量。
[0045] 其中，所述步驟S3還包括如下步驟：
[0046] S31:建立土壤微波輻射傳輸模型，根據(jù)微波探測(cè)系統(tǒng)得到的亮溫?cái)?shù)據(jù)及熱紅外溫 度計(jì)獲得的土壤表面的物理溫度計(jì)算得到土壤表面反射率；
[0047] S32:建立土壤表面反射率模型，根據(jù)土壤表面反射率計(jì)算得到土壤有效介電常 數(shù)；
[0048] S33:建立土壤介電常數(shù)模型，根據(jù)土壤有效介電常數(shù)計(jì)算得到土壤含水量。
[0049] 其中，所述土壤微波輻射傳輸模型為
[0050] Τβ= (Ι-Γρ?)Το
[0051] 其中，To為土壤表面的物理溫度，ΤΒ為土壤微波輻射亮溫?cái)?shù)據(jù)，^為土壤表面反射 率。
[0052]其中，所述土壤表面反射率模型為
[0054] 其中，￡:為土壤有效介電常數(shù)，ri為土壤表面反射率。
[0055] 本發(fā)明提供的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法，采用被動(dòng)方式獲取土壤 微波輻射信號(hào)，工作模型簡(jiǎn)單、精度高、效率高，且不受觀測(cè)頻率的限制。
【附圖說(shuō)明】
[0056]圖1:本發(fā)明的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0057]圖2:本發(fā)明的微波探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058]圖3:本發(fā)明的土壤中的被動(dòng)微波輻射傳輸模擬圖。
【具體實(shí)施方式】
[0059]為讓本發(fā)明的上述及其他目的、特征及優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉本發(fā)明的一 較佳實(shí)施例，并配合附圖，做詳細(xì)說(shuō)明如下：
[0060] 圖1為本發(fā)明的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本發(fā)明提 供了一種微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括：
[0061] 探測(cè)臂3,包括相互連接的呈垂直狀的第一金屬桿和第二金屬桿，用于搭載信號(hào)接 收天線1和熱紅外溫度計(jì)2以及，選擇待觀測(cè)土壤含水量的位置；
[0062] 較優(yōu)的，所述第一金屬桿和第二金屬桿一體成型，以形成探測(cè)臂4,探測(cè)臂4的材質(zhì) 設(shè)為鋁質(zhì)材質(zhì)，使其具有質(zhì)量輕、易攜帶且容易操作的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，不會(huì)干擾微波探測(cè)系統(tǒng) 的熱輻射；
[0063] 信號(hào)接收天線1，搭載于探測(cè)臂3上，用于獲取土壤微波輻射信號(hào)；
[0064]熱紅外溫度計(jì)2，搭載于探測(cè)臂3上，用于獲得土壤表面的物理溫度；
[0065]較優(yōu)的，所述信號(hào)接收天線1和熱紅外溫度計(jì)2均通過(guò)固定裝置4搭載于探測(cè)臂3 上；
[0066] 微波探測(cè)系統(tǒng)，與信號(hào)接收天線和熱紅外溫度計(jì)電性連接，用于將信號(hào)接收天線 獲取的土壤微波輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化為亮溫?cái)?shù)據(jù)；
[0067] 較優(yōu)的，所述微波探測(cè)系統(tǒng)為微波探測(cè)儀；
[0068] 數(shù)據(jù)處理裝置，與微波探測(cè)系統(tǒng)電性連接，用于接收微波探測(cè)系統(tǒng)的亮溫?cái)?shù)據(jù)及 土壤表面的物理溫度，并結(jié)合理論模型，實(shí)現(xiàn)土壤水分信息的實(shí)時(shí)獲取。
[0069] 本發(fā)明中，為方便攜帶及選擇待探測(cè)的土壤的位置，在設(shè)置信號(hào)接收天線時(shí)，也選 擇較輕的材質(zhì)。
[0070] 較優(yōu)的，所述信號(hào)接收天線1的方向?yàn)榇怪毕蛳?，從而避免了土壤表面粗糙性?duì)數(shù) 值模擬和土壤水分反演結(jié)果的影響。
[0071] 圖2為本發(fā)明的微波探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，本發(fā)明的微波探測(cè)系統(tǒng) 包括依次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、直射信號(hào)處理模塊、回波信號(hào)處理模塊和任務(wù)監(jiān)控機(jī)，模數(shù)轉(zhuǎn) 換器和數(shù)據(jù)處理裝置之間分別依次連接有差分過(guò)濾器、放大器、延遲線、均衡器、定位誤差 時(shí)間序列分析器和卡爾曼濾波器。
[0072]本發(fā)明另外提供了一種微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0073] S1:信號(hào)接收天線被動(dòng)接受地表發(fā)射的土壤微波輻射信號(hào)，并將信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給 微波探測(cè)系統(tǒng)；
[0074] S2:經(jīng)過(guò)定標(biāo)的微波探測(cè)系統(tǒng)，直接將土壤微波輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為亮溫?cái)?shù)據(jù)，并將接 收到的亮溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳遞到數(shù)據(jù)處理裝置；
[0075] S3:數(shù)據(jù)處理裝置中的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)根據(jù)微波探測(cè)系統(tǒng)獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié) 合根據(jù)熱紅外溫度計(jì)得到的土壤表面的物理溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步處理，對(duì)土壤水分信 息進(jìn)行精確評(píng)價(jià)。
[0076] 較優(yōu)的，所述步驟S1中，信號(hào)接收天線在接受地表發(fā)射的土壤微波輻射信號(hào)時(shí)，觀 測(cè)模式為垂直向下，并處于無(wú)植被覆蓋的區(qū)域，因此，信號(hào)接收天線獲取的土壤微波輻射信 號(hào)不受地表粗糙度、植被覆蓋等因素的影響。
[0077] 較優(yōu)的，所述步驟S1中，信號(hào)接收天線所接收的土壤微波輻射信號(hào)，經(jīng)增益放大和 濾波處理后形成去極化信號(hào)輸出給射頻前端，再傳送給微波探測(cè)系統(tǒng)；
[0078] 較優(yōu)的，所述步驟S2還包括如下步驟：
[0079] S21:模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收信號(hào)接收天線發(fā)送的信號(hào)，將直射數(shù)字采樣信號(hào)和回波數(shù)字 采樣信號(hào)分別傳送至直射信號(hào)處理模塊和回波信號(hào)處理模塊；
[0080] S22:直射信號(hào)處理模塊對(duì)接收的直射數(shù)字采樣信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤，并輸出導(dǎo)航 定位信息給任務(wù)監(jiān)控機(jī)，同時(shí)，直射信號(hào)處理模塊將直射通道的數(shù)字中頻信號(hào)輸出給回波 信號(hào)處理模塊；
[0081] S23:回波信號(hào)處理模塊根據(jù)任務(wù)監(jiān)控機(jī)中的任務(wù)規(guī)劃定制的通道信息對(duì)其進(jìn)行 通道配置，然后將數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲和多普勒頻移后的信號(hào)與回波數(shù)字采樣信號(hào)進(jìn) 行二維相關(guān)運(yùn)算得到時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率輸出給任務(wù)監(jiān)控機(jī)。
[0082]較優(yōu)的，所述步驟S2還包括如下步驟：
[0083] S21:模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收信號(hào)接收天線發(fā)送的信號(hào)，將直射數(shù)字采樣信號(hào)和回波數(shù)字 采樣信號(hào)傳送給差分過(guò)濾器處理；
[0084] S22:將步驟S21獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)放大器進(jìn)行信號(hào)放大，并將放大后的信號(hào)輸送至 延遲線，對(duì)信號(hào)進(jìn)行延遲；
[0085] S23:均衡器對(duì)信號(hào)因延遲造成的幅度畸變進(jìn)行校正；
[0086] S24:將步驟S23獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)定位誤差時(shí)間序列分析器分析處理，建立定位誤 差的AR模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；
[0087] S25:將步驟S24獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)卡爾曼過(guò)濾器進(jìn)行參數(shù)估計(jì)；
[0088] S26:將步驟S25獲取的數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)處理裝置。
[0089] 較優(yōu)的，所述步驟S3中，數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)通過(guò)將從微波探測(cè)系統(tǒng)接收到的亮溫 數(shù)據(jù)和從熱紅外溫度計(jì)獲得土壤表面的物理溫度整合為小尺度目標(biāo)區(qū)域的土壤水分信息， 對(duì)土壤水分信息進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。
[0090] 較優(yōu)的，所述步驟S3中，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，錄入?yún)?shù)為土壤表面的物理 溫度和土壤砂土含量;輸出參數(shù)為土壤含水量。
[0091 ]較優(yōu)的，所述步驟S3還包括如下步驟：
[0092] S31:建立土壤微波輻射傳輸模型，根據(jù)微波探測(cè)系統(tǒng)得到的亮溫?cái)?shù)據(jù)及熱紅外溫 度計(jì)獲得的土壤表面的物理溫度計(jì)算得到土壤表面反射率；
[0093] S32:建立土壤表面反射率模型，根據(jù)土壤表面反射率計(jì)算得到土壤有效介電常 數(shù)；
[0094] S33:建立土壤介電常數(shù)模型，根據(jù)土壤有效介電常數(shù)計(jì)算得到土壤含水量。
[0095]較優(yōu)的，所述土壤微波輻射傳輸模型為
[0096] Τβ=(1-γρι)Το
[0097] 其中，To為土壤表面的物理溫度，ΤΒ為土壤微波輻射亮溫?cái)?shù)據(jù)，^為土壤表面反射 率。
[0098]較優(yōu)的，所述土壤表面反射率模型為 [
[0100]其中，^為土壤有效介電常數(shù)，η為土壤表面反射率。
[0101]具體的，所述土壤微波輻射傳輸模型、土壤表面反射率模型以及土壤介電常數(shù)模 型的具體構(gòu)建思路如下：
[0102] 1、土壤微波輻射傳輸模型
[0103] 用于建立土壤微波輻射亮溫與土壤介電常數(shù)之間的關(guān)系。
[0104] 根據(jù)前人對(duì)土壤物性特征的研究結(jié)果，建立了考慮土壤溫度、介電常數(shù)分布、界面 粗糙性的土壤模型，并根據(jù)該模型進(jìn)行土壤中的被動(dòng)微波輻射傳輸模擬。
[0105] 圖3為本發(fā)明的土壤中的被動(dòng)微波輻射傳輸模擬圖，如圖3所示，根據(jù)測(cè)量要求，信 號(hào)接收天線的觀測(cè)方向?yàn)榇怪毕蛳?，探測(cè)目標(biāo)為裸露土壤，因此，可用圖3來(lái)模擬土壤層的 微波輻射。
[0106] 根據(jù)被動(dòng)微波輻射傳輸原理，來(lái)自土壤層的微波輻射亮溫ΤΒ為：
[0107] 7S = I (1 - r^k^T^z) secQe 0 dz (.1.): o
[0108] 微波探測(cè)計(jì)探測(cè)亮溫是土壤厚度d、表面反射率rpl (p = h，v是極化方式:h為水平極 化，v為垂直極化）、吸收系數(shù)kal(z)、溫度T(z)和觀測(cè)角θ〇的函數(shù)，同時(shí)， rpl又受到表面粗糙 度和植被覆蓋的影響。如果嚴(yán)格控制觀測(cè)條件:儀器觀測(cè)角為0° ;介質(zhì)層表面平滑，且無(wú)植 被覆蓋。另外，受土壤體積含水量的影響，微波在土壤中的穿透深度較小，土壤可視為一層 均勻無(wú)限介質(zhì)，溫度分布均勻，假定為To,且不隨深度變化。則式(1)可簡(jiǎn)化為 ：ο?' 石=f (1 -~:化朵―m
[0109] \ (2) =& - ΓΡ?)Γ〇
[0110] 其中，Το可以由熱紅外溫度計(jì)測(cè)量得到。由此，建立土壤微波輻射亮溫Τβ與表面反 射率rPi的關(guān)系(p = h或V，表示極化方式的不同，p = h時(shí)，表示水平極化，表面反射率為水平 極化反射率;P = v時(shí)，表示垂直極化，表面反射率為垂直極化反射率），進(jìn)而根據(jù)微波探測(cè)儀 得到的TB，計(jì)算得到土壤表面反射率rpl。
[0111] 2、土壤表面反射率模型
[0112]用于建立土壤表面反射率rpl與土壤有效介電常數(shù)ει之間的關(guān)系。
[0113] rpl為空氣一土壤界面的表面反射率，假定土壤介電常數(shù)為，根據(jù)Snell定律，由 Fresnel反射系數(shù)得到土壤表面反射率模型：
(3 a) (爾
[0116]根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)條件，儀器觀測(cè)角為0°，可以避免表面粗糙度的影響。由此，式(3)可 改為
(4)
[0118]由此，建立土壤表面反射率ri (也即垂直觀測(cè)條件下的表面反射率)和土壤有效介 電常數(shù)^之間的關(guān)系，進(jìn)而結(jié)合所得到的土壤有效反射率Π，計(jì)算得到土壤有效介電常數(shù) ει，其中，ri表示垂直觀測(cè)條件下的土壤表面反射率。
[0119] 3、土壤介電常數(shù)模型
[0120]用于建立土壤有效介電常數(shù)^與土壤體積含水量mv之間的關(guān)系。
[0121] 對(duì)于一般的干燥土壤來(lái)說(shuō)，其復(fù)介電常數(shù)實(shí)部的范圍大約在2~4之間，虛部的值 往往小于0.05，實(shí)部要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于虛部(Ulaby等，1986)。土壤的含水量越高，其復(fù)介電常數(shù)也 越大。Dobson等（1985)借助微波自由空間傳播技術(shù)和波導(dǎo)介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，針對(duì)5種不同 類型的土壤分析了電磁波的頻率、土壤體積含水量，土壤質(zhì)地(砂土和粘土粒的比例）及土 壤溫度等與土壤復(fù)介電常數(shù)的關(guān)系，建立了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜谟?jì)算由土壤顆粒、空氣和 水分組成的介電混合物的復(fù)介電常數(shù)，稱為D 〇 b s ο η模型。模型適用的頻率范圍為1.4~ 18GHz，在該頻率范圍內(nèi)模型的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好。
[0122] 模型的具體形式表達(dá)如下：
[0123] = 1 + ipb f psl ? - 1) + mfs'；： (5)
[0124] 其中，ε'Η為土壤的有效介電常數(shù)的實(shí)部，為自由水的介電常數(shù)，pb為土壤的體 密度，一般為1.56g/cm 3，Ps為土壤顆粒的密度，一般取2.66g/cm3，es為干燥土壤的介電常 數(shù)，根據(jù)p s取值可以定為4.7 ;mv為土壤的體積水含量，參數(shù)α-般取〇. 65。
[0125] 土壤介電常數(shù)的虛部e〃rl的計(jì)算公式為
[0126] ε'^ = ιη^ε"/ (6)
[0127] β為與土壤質(zhì)地有關(guān)的參數(shù)，其實(shí)部f和虛部β〃都是由土壤砂土含量(S%)和粘土 含量(C%)計(jì)算得到：
[0128] β7 =1.2748-0.519S-0.152C (7a)
[0129] 0〃 = 1.33797-〇.6O3S-〇.166C (7b)
[0130]參數(shù)^^和一^分別為土壤中自由水介電常數(shù)的實(shí)部和虛部，通過(guò)下面公式計(jì)算 得到：
[0133] 其中，為純水介電常數(shù)在高頻段的上限；ewQ為純水靜態(tài)時(shí)的介電常數(shù)；tw為純 水的弛豫時(shí)間，是溫度T的函數(shù);ε〇表示自由空間的電導(dǎo)率。
[0134] 由此，建立土壤體積含量與土壤有效介電常數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而結(jié)合。
[0135] 由此，建立土壤有效介電常數(shù)ει與土壤體積含水量mv之間的關(guān)系，進(jìn)而結(jié)合得到的 土壤有效介電常數(shù)，計(jì)算得到土壤體積含水量m v。
[0136] 綜上，本發(fā)明提供的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0137] (1)通過(guò)被動(dòng)方式獲取土壤微波輻射信號(hào)，工作模型簡(jiǎn)單；
[0138] (2)精度高:可以根據(jù)土壤地質(zhì)選擇工作模式，基于理論模型引入了先進(jìn)的Dobson 豐旲型；
[0139] (3)效率高:可在一定距離之外監(jiān)測(cè)，可以得到一定深度范圍內(nèi)的土壤含水量。
[0140] 雖然本發(fā)明已利用上述較佳實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，然其并非用以限定本發(fā)明的保護(hù)范 圍，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)，相對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行各種變 動(dòng)與修改仍屬本發(fā)明所保護(hù)的范圍，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書(shū)所界定的為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括： 探測(cè)臂，包括相互連接的呈垂直狀的第一金屬桿和第二金屬桿，用于搭載信號(hào)接收天 線和熱紅外溫度計(jì)以及選擇待觀測(cè)土壤的位置； 信號(hào)接收天線，搭載于探測(cè)臂上，用于獲取土壤微波輻射信號(hào)； 熱紅外溫度計(jì)，搭載于探測(cè)臂上，用于獲得土壤表面的物理溫度； 微波探測(cè)系統(tǒng)，與信號(hào)接收天線和熱紅外溫度計(jì)電性連接，用于將信號(hào)接收天線獲取 的土壤微波輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化為亮溫?cái)?shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)處理裝置，與微波探測(cè)系統(tǒng)電性連接，用于接收微波探測(cè)系統(tǒng)的亮溫?cái)?shù)據(jù)及土壤 表面的物理溫度，并結(jié)合理論模型，實(shí)現(xiàn)土壤水分信息的實(shí)時(shí)獲取。2. 如權(quán)利要求1所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一金屬桿和第 二金屬桿一體成型，且材質(zhì)均為鋁材質(zhì)。3. 如權(quán)利要求1所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述微波探測(cè)系統(tǒng)包 括依次連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、直射信號(hào)處理模塊、回波信號(hào)處理模塊和任務(wù)監(jiān)控機(jī)，模數(shù)轉(zhuǎn)換 器和數(shù)據(jù)處理裝置之間分別依次連接有差分過(guò)濾器、放大器、延遲線、均衡器、定位誤差時(shí) 間序列分析器和卡爾曼濾波器。4. 如權(quán)利要求1所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述微波探測(cè)系統(tǒng)為 微波探測(cè)儀。5. -種微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟： SI:信號(hào)接收天線被動(dòng)接受地表發(fā)射的土壤微波輻射信號(hào)，并將信號(hào)數(shù)據(jù)傳送給微波 探測(cè)系統(tǒng)； S2:經(jīng)過(guò)定標(biāo)的微波探測(cè)系統(tǒng)，直接將土壤微波輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為亮溫?cái)?shù)據(jù)，并將接收到 的亮溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳遞到數(shù)據(jù)處理裝置； S3:數(shù)據(jù)處理裝置中的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)根據(jù)微波探測(cè)系統(tǒng)獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合根 據(jù)熱紅外溫度計(jì)得到的土壤表面的物理溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)同步處理，對(duì)土壤水分信息進(jìn) 行精確評(píng)價(jià)。6. 如權(quán)利要求5所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟Sl中，信號(hào) 接收天線在接受地表發(fā)射的土壤微波輻射信號(hào)時(shí)，觀測(cè)模式為垂直向下，并處于無(wú)植被覆 蓋的區(qū)域。7. 如權(quán)利要求5所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟Sl中，信號(hào) 接收天線將所接收的土壤微波輻射信號(hào)，經(jīng)增益放大和濾波處理后形成去極化信號(hào)輸出給 射頻前端，再傳送給微波探測(cè)系統(tǒng)。8. 如權(quán)利要求5所述的微波遙感土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟S2還包 括如下步驟： S21:模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收信號(hào)接收天線發(fā)送的信號(hào)，將直射數(shù)字采樣信號(hào)和回波數(shù)字采樣 信號(hào)分別傳送至直射信號(hào)處理模塊和回波信號(hào)處理模塊； S22:直射信號(hào)處理模塊對(duì)接收的直射數(shù)字采樣信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤，并輸出導(dǎo)航定位 信息給任務(wù)監(jiān)控機(jī)，同時(shí)，直射信號(hào)處理模塊將直射通道的數(shù)字中頻信號(hào)輸出給回波信號(hào) 處理模塊； S23:回波信號(hào)處理模塊根據(jù)任務(wù)監(jiān)控機(jī)中的任務(wù)規(guī)劃定制的通道信息對(duì)其進(jìn)行通道 配置，然后將數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)時(shí)間延遲和多普勒頻移后的信號(hào)與回波數(shù)字采樣信號(hào)進(jìn)行二 維相關(guān)運(yùn)算得到時(shí)延多普勒二維相關(guān)功率輸出給任務(wù)監(jiān)控機(jī)。9. 如權(quán)利要求5所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟S2還包括 如下步驟： S21:模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收信號(hào)接收天線發(fā)送的信號(hào)，將直射數(shù)字采樣信號(hào)和回波數(shù)字采樣 信號(hào)傳送給差分過(guò)濾器處理； S22:將步驟S21獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)放大器進(jìn)行信號(hào)放大，并將放大后的信號(hào)輸送至延遲 線對(duì)信號(hào)進(jìn)行延遲； S23:均衡器對(duì)信號(hào)因延遲造成的幅度畸變進(jìn)行校正； S24:將步驟S23獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)定位誤差時(shí)間序列分析器分析處理，建立定位誤差的 AR模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理； S25:將步驟S24獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)卡爾曼過(guò)濾器進(jìn)行參數(shù)估計(jì)； S26:將步驟S25獲取的數(shù)據(jù)輸出至數(shù)據(jù)處理裝置。10. 如權(quán)利要求5所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟S3中，數(shù)據(jù) 分析處理系統(tǒng)通過(guò)將從微波探測(cè)系統(tǒng)接收到的亮溫?cái)?shù)據(jù)和從熱紅外溫度計(jì)獲得土壤表面 的物理溫度整合為小尺度目標(biāo)區(qū)域的土壤水分信息，對(duì)土壤水分信息進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。11. 如權(quán)利要求5所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟S3中，所述 數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)的錄入?yún)?shù)為土壤表面的物理溫度和土壤砂土含量;其輸出參數(shù)為土壤 含水量。12. 如權(quán)利要求5所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟S3還包括 如下步驟： S31:建立土壤微波輻射傳輸模型，根據(jù)微波探測(cè)系統(tǒng)得到的亮溫?cái)?shù)據(jù)及熱紅外溫度計(jì) 獲得的土壤表面的物理溫度計(jì)算得到土壤表面反射率； S32:建立土壤表面反射率模型，根據(jù)土壤表面反射率計(jì)算得到土壤有效介電常數(shù)； S33:建立土壤介電常數(shù)模型，根據(jù)土壤有效介電常數(shù)計(jì)算得到土壤含水量。13. 如權(quán)利要求12所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述土壤微波輻射 傳輸模型為 Tb= (l-rpi)To 其中，To為土壤表面的物理溫度，Tb為土壤微波輻射亮溫?cái)?shù)據(jù)，rpl為土壤表面反射率。14. 如權(quán)利要求12所述的微波遙感土壤水分監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，所述土壤表面反射 率模型為其中，ε i為土壤有效介電常數(shù)，η為土壤表面反射率。
【文檔編號(hào)】G01N22/04GK106018439SQ201610518976
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月5日
【發(fā)明人】孟治國(guó), 楊國(guó)東, 蔡占川, 平勁松
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)