CN104155652B - 一种地表冻融状态的监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种地表冻融状态的监测方法及装置，利用全球卫星导航系统的发射机发出直射信号并经冻融地表反射后形成反射信号，利用全球卫星导航系统的接收机接收所述直射信号和所述反射信号；利用去噪系统对所述接收机接收的所述直射信号和所述反射信号进行去噪处理；利用波形图生成器根据去噪处理后的所述直射信号和所述反射信号生成冻融地表的波形图；利用波形图判别器对所述波形图进行判别以确定冻融地表的冻融状态。本发明利用既有的全球卫星导航系统的直射信号作为信号源，降低了功耗和成本，时空分辨率得到提高，信号穿透性强，对积雪覆盖区的敏感性较低，提高了监测结果准确性。

Description

一种地表冻融状态的监测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种地表冻融状态的监测方法及装置。
背景技术
地表冻融现象周期性发生，覆盖面积大，动态性强，是环境和气候的重要影响因素，是陆地表面过程、区域气候、沙尘预报等环境过程的重要影响因素。如何有效监测地表冻融状态及其相关物理参数是广大科研工作者致力研究的重要课题和内容之一。
遥感技术的发展使得大面积、动态监测地表冻融状态成为可能。而微波遥感对土壤水分变化敏感，可以全天时、全天候进行工作，同时微波遥感对土壤和植被的穿透性较强，成为监测的独特手段。但目前的主动微波(雷达)或者被动微波(辐射计)存在着功耗大，成本高，时空分辨率无法满足实际应用的诸多问题，并且可能由于对积雪覆盖区的敏感性而影响监测结果的准确性，限制了地表冻融状态遥感监测的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地表冻融状态的监测方法及装置，降低功耗和成本，提高时空分辨率和监测结果准确性。
为实现上述目的，本发明提供一种地表冻融状态的监测方法，包括如下步骤：(1)利用全球卫星导航系统(GNSS)的发射机发出直射信号并经冻融地表反射后形成反射信号，利用全球卫星导航系统的接收机接收所述直射信号和所述反射信号；(2)利用去噪系统对所述接收机接收的所述直射信号和所述反射信号进行去噪处理；(3)利用波形图生成器根据去噪处理后的所述直射信号和所述反射信号生成冻融地表的波形图；(4)利用波形图判别器对所述波形图进行判别以确定冻融地表的冻融状态。
其中，所述全球卫星导航系统为全球定位系统(GPS)、格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、伽利略卫星导航系统(GALILEO)或北斗卫星导航系统(Beidou)。
其中，利用所述接收机的右旋圆极化(RHCP)天线接收所述直射信号，利用所述接收机的V极化天线接收所述反射信号。
其中，所述步骤(4)进一步包括，根据去噪处理后的所述反射信号所包含的布鲁斯诺角信息建立理论波形模拟数据库，将利用波形图生成器生成的波形图与理论波形模拟库中的理论波形图进行比对，并通过最小二乘法进行波形图匹配以得到地表冻融状态。
其中，所述步骤(3)进一步包括，根据去噪处理后的所述直射信号形成所述波形图的头文件。
其中，所述直射信号处于L波段。
其中，所述直射信号的天顶角在0～90°之间，方位角在0～360°之间。
本发明还提供一种地表冻融状态的监测装置，其包括：全球卫星导航系统，包括发射机和接收机，所述发射机用于发出直射信号并经冻融地表反射后形成反射信号，所述接收机用于接收所述直射信号和所述反射信号；去噪系统，用于对所述接收机接收的所述直射信号和所述反射信号进行去噪处理；波形图生成器，用于根据去噪处理后的所述直射信号和所述反射信号生成冻融地表的波形图；波形图判别器，用于对所述波形图进行判别以确定冻融地表的冻融状态。
其中，所述全球卫星导航系统为全球定位系统、格洛纳斯卫星导航系统、伽利略卫星导航系统或北斗卫星导航系统。
其中，所述接收机包括用于接收所述直射信号的右旋圆极化天线和用于接收所述反射信号的V极化天线。
本发明的地表冻融状态的监测方法及装置，利用既有的全球卫星导航系统的直射信号作为信号源，降低了功耗和成本，由于导航卫星群源源不断地发射直射信号，时空分辨率得到提高，并且该直射信号的观测角度丰富，穿透性强，对积雪覆盖区的敏感性较低，提高了监测结果准确性。
附图说明
图1为本发明的地表冻融状态的监测装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的特点。
GNSS-R(全球卫星导航系统反射技术)是利用GNSS的反射信号进行微波遥感的新型遥感手段，本发明将其应用到地表冻融状态的监测领域，提供一种新的地表冻融状态的监测方法及其装置。
图1示出本发明的地表冻融状态的监测装置，包括GNSS的发射机1和接收机2，去噪系统4，波形图生成器5和波形图判别器6，其中，GNSS可以是GPS、GLONASS、GALILEO或Beidou等卫星导航系统。
其中，发射机1用于发出直射信号并经冻融地表3反射后形成反射信号，接收机2利用RHCP天线接收来自发射机1的直射信号，利用V极化天线接收经冻融地表3反射后的反射信号。与现有接收机中常用的左旋圆极化(RHCP)天线相比，V极化天线可以接收反射信号中所包含的布鲁斯诺角信息，以用于后续的理论波形模拟。去噪系统4对接收机2接收到的直射信号和反射信号分别进行去噪处理，然后输入波形图生成器5。波形图生成器5根据去噪处理后的直射信号和反射信号生成冻融地表3的波形图，其中，可利用包含观测目标几何信息的直射信号作为波形图的头文件，用以提供观测目标的位置和时间信息。波形图判别器6对得到的波形图进行判别以确定地表的冻融状态，具体包括根据反射信号所包含的布鲁斯诺角信息建立理论波形模拟数据库，将利用波形图生成器生成的波形图与理论波形模拟库中的理论波形图进行比对，并通过最小二乘法进行波形图匹配以得到地表冻融状态，从而获得更加准确的监测结果。
本发明的地表冻融状态的监测方法及装置，直接采用既有的全球卫星导航系统的直射信号作为信号源，而不需研制专门的发射机，降低了功耗和成本，由于导航卫星群源源不断地发射直射信号，因此时空分辨率得到提高。该直射信号的天顶角在0～90°之间，方位角在0～360°之间，众多观测角度的丰富数据为冻融状态监测提供了便利手段，并且该直射信号工作在L波段，穿透性强，对积雪覆盖区的敏感性较低，提高了监测结果准确性。
前面提供了对较佳实施例的描述，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。对该较佳实施例，本领域内的技术人员在不脱离本发明原理的基础上，可以作出各种修改或者变换。应当理解，这些修改或者变换都不脱离本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种地表冻融状态的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用全球卫星导航系统的发射机发出直射信号并经冻融地表反射后形成反射信号，利用全球卫星导航系统的接收机接收所述直射信号和所述反射信号；
(2)利用去噪系统对所述接收机接收的所述直射信号和所述反射信号进行去噪处理；
(3)利用波形图生成器根据去噪处理后的所述直射信号和所述反射信号生成冻融地表的波形图；
(4)利用波形图判别器对所述波形图进行判别以确定冻融地表的冻融状态，其中，根据去噪处理后的所述反射信号所包含的布鲁斯诺角信息建立理论波形模拟数据库，将利用波形图生成器生成的波形图与理论波形模拟库中的理论波形图进行比对，并通过最小二乘法进行波形图匹配以得到地表冻融状态。
2.如权利要求1所述的地表冻融状态的监测方法，其特征在于，所述全球卫星导航系统为全球定位系统、格洛纳斯卫星导航系统、伽利略卫星导航系统或北斗卫星导航系统。
3.如权利要求1或2所述的地表冻融状态的监测方法，其特征在于，利用所述接收机的右旋圆极化天线接收所述直射信号，利用所述接收机的V极化天线接收所述反射信号。
4.如权利要求1或2所述的地表冻融状态的监测方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括，根据去噪处理后的所述直射信号形成所述波形图的头文件。
5.如权利要求1或2所述的地表冻融状态的监测方法，其特征在于，所述直射信号处于L波段。
6.如权利要求1或2所述的地表冻融状态的监测方法，其特征在于，所述直射信号的天顶角在0～90°之间，方位角在0～360°之间。
7.一种利用如权利要求1-6中任一项所述的监测方法监测地表冻融状态的装置，其特征在于，其包括：
全球卫星导航系统，包括发射机和接收机，所述发射机用于发出直射信号并经冻融地表反射后形成反射信号，所述接收机用于接收所述直射信号和所述反射信号；
去噪系统，用于对所述接收机接收的所述直射信号和所述反射信号进行去噪处理；
波形图生成器，用于根据去噪处理后的所述直射信号和所述反射信号生成冻融地表的波形图；
波形图判别器，用于对所述波形图进行判别以确定冻融地表的冻融状态。
8.如权利要求7所述的监测地表冻融状态的装置，其特征在于，所述全球卫星导航系统为全球定位系统、格洛纳斯卫星导航系统、伽利略卫星导航系统或北斗卫星导航系统。
9.如权利要求7或8所述的监测地表冻融状态的装置，其特征在于，所述接收机包括用于接收所述直射信号的右旋圆极化天线和用于接收所述反射信号的V极化天线。
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