CN104698150A - 基于gnss-r的面域土壤湿度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土壤湿度测量技术领域，具体涉及一种基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，包括机箱，机箱内设置GNSS反射信号接收天线、GNSS直射信号接收天线和GNSS-R土壤湿度测量主机，GNSS-R土壤湿度测量主机通过支架I固定，结构紧凑，使用方便，实现信号接收处理、土壤湿度反演和湿度数据传输一体化。本发明还提供一种土壤测量方法，采用ICF比值计算法将GNSS反射信号接收天线的覆盖区按照不同码延迟进行分区，根据分区大小将对应该区域的相关功率进行加权求和后估算土壤表面反射率，进而算得土壤介电常数，得到平稳、可靠的土壤湿度测量结果，最后通过3G技术实时传输土壤湿度数据，实现测量结果的实时观测。

Description

基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及土壤湿度测量技术领域，具体涉及一种基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置及测量方法。

背景技术

在基于GNSS-R的土壤湿度测量技术领域中，目前一般通过土壤反射信号与直射信号的相关功率峰值比完成土壤表面反射率的估计，进而计算土壤介电常数，从而得到土壤湿度。但是由于反射信号相关功率峰值仅仅代表镜面反射点附近区域反射信号的功率强度，也就是说得到的土壤湿度值仅能代表反射点附近土壤湿度，并不能体现整个探测区域的土壤湿度整体水平。

发明内容

为解决上述技术中的不足，本发明的目的在于：提供一种基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，将各模块集成到一个球状机箱内，实现信号接收处理、土壤湿度反演和湿度数据传输一体化，提供一种土壤湿度测量方法，对大范围内土壤湿度平均水平进行有效测量，提升了现有算法的测量范围，并实现实时观测。

为解决其技术问题，本发明所采取的技术方案为：

所述基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，包括机箱，机箱内设置GNSS反射信号接收天线、GNSS直射信号接收天线和GNSS-R土壤湿度测量主机，机箱朝向地面设置开口，支架I一端固定在地面上，另一端竖直插入机箱内部并固定GNSS-R土壤湿度测量主机，GNSS-R土壤湿度测量主机顶端固定GNSS直射信号接收天线，GNSS-R土壤湿度测量主机与机箱开口之间的支架I上固定支架II，支架II固定GNSS反射信号接收天线，GNSS-R土壤湿度测量主机包含顺次连接的射频前端、中频信号采集模块、FPGA采样信号预处理模块、FPGA土壤湿度反演模块和网络模块，电源模块为前述GNSS-R土壤湿度测量主机的五个模块供电，电源模块电源线通过开口延伸至机箱外部。

本发明核心技术在于GNSS-R遥感技术，将GNSS反射信号接收天线、GNSS直射信号接收天线和GNSS-R土壤湿度测量主机共同集成在一个机箱内，实现信号接收处理、土壤湿度反演和所测湿度数据传输的一体化。在GNSS直射信号接收天线接收导航卫星直射信号的同时，GNSS反射信号接收天线接收地球表面的反射信号，并抑制大部分与传输路径不相关的多径信号；然后射频前端分别对直射信号和反射信号进行下变频，将变频得到的两路模拟中频信号输入到中频信号采集模块；中频信号采集模块对两路中频信号进行采样和量化，得 到两路数字中频信号；数字中频信号输入到FPGA采样信号预处理模块进行预处理后传输给FPGA土壤湿度反演模块，通过FPGA土壤湿度反演模块求解面域土壤湿度；最后所述网络模块采将结果传送至用户终端，实现实时观测。

其中，优选方案为：

所述机箱为球形，外形美观、防水并且不会对信号造成很大的衰减。

所述支架I设为空心结构，电源模块电源线穿过过支架I空心与外部电源相连接，一方面，支架I可以将电源线与外界隔绝，延长其使用寿命，另一方面，支架I可以对电源线进行固定，防止其流窜。

所述GNSS-R土壤湿度测量主机对应网络模块设置网口，可以外接网线，进行数据传输。

所述GNSS-R土壤湿度测量主机设有外壳，各模块设置在外壳内部，GNSS直射信号接收天线固定在外壳顶端，网口嵌入在外壳上，将GNSS-R土壤湿度测量主机各模块进行集成，位置固定，不会在机箱内随便流窜。

所述网络模块采用3G模块，3G模块属于现阶段非常成熟的通信模块，应用普遍，覆盖范围广，适用性强。

所述GNSS直射信号接收天线安置方式为水平放置，天线方向图的轴线垂直于水平面，其主瓣最大增益方向朝向天顶；在GNSS反射信号接收天线波束角为θ时，所述GNSS反射信号接收天线的安置方式为朝向地面，其主瓣最大增益方向与水平面的夹角在到90°之间。

本发明还提供一种上述基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

第一步，GNSS直射信号与反射信号分别通过GNSS直射信号接收天线和GNSS反射信号接收天线接收，抑制大部分与传输路径不相关的多径信号；

第二步，射频前端分别对直射信号和反射信号进行下变频，得到分别对应直射信号和反射信号的两路模拟中频信号；

第三步，中频信号采集模块对两路模拟中频信号进行采样和量化，得到两路数字中频信号；

第四步，分别对应直射信号和反射信号的两路数字中频信号输入到FPGA采样信号预处理模块进行预处理，利用直射信号和本地复现信号的相关函数计算得到直射信号的相关功率值；利用接收到的反射信号和本地复现信号的相关函数计算得到GNSS反射信号的相关功率值，由多个不同时刻的相关功率值构成相关功率曲线；

这里的相关功率是相关函数的值，具体如下：

在GNSS信号处理中，任意t₀时刻的本地PRN码复制码a(t₀)与t₀+τ时刻接收到的直射信号u_D(t₀+τ)的时延一维相关函数定义为：

$Y_D(t_0,\mathrm{\τ})={\∫}_0^{T_i}{u}_D(t_0+t^{\′}+\mathrm{\τ})a(t_0+t^{\′})e^{2\mathrm{\πj}(f_L+f_D)(t_0+t^{\′})}{\mathrm{dt}}^{\′}$

这里T_i为积分时间；f_L为接收信号中心频率；f_D为直射信号的多普勒估计值，用于补偿接收信号的多普勒频移；

类似地，定义在某一多普勒频移f₀下，任意t₀时刻的本地PRN码复制码a(t₀)与t₀+τ时刻接收到的反射信号u_R(t₀+τ)的时延一维相关函数定义为：

$Y_R(t_0,\mathrm{\τ})={\∫}_0^{T_i}{u}_R(t_0+t^{\′}+\mathrm{\τ})a(t_0+t^{\′})e^{2\mathrm{\πj}(f_L+f_R+f_0)(t_0+t^{\′})}{\mathrm{dt}}^{\′}$

其中f_R为镜面反射点处多普勒估计值；

对与给定的t₀，取不同τ值可以得到不同相关函数值，这些相关函数值也称为相关功率，这些相关函数值构成的曲线称为相关功率曲线；

第五步，将GNSS直射信号和GNSS反射信号的相关功率曲线传输至FPGA土壤湿度反演模块，利用ICF比值计算法求解面域土壤湿度；

第六步，通过网络模块将求得的面域土壤湿度传送至用户终端。

上述ICF比值计算法包括以下步骤：

第一步，根据GNSS反射信号接收天线的架设高度、卫星位置和天线波束角估算天线覆盖区位置和面积，并估算反射区内各点的反射信号相对于镜面反射点反射信号的最大延迟时间Δτ_max；

其中Δτ_max的计算方法为：

假设GNSS反射信号接收天线架设高度为H，卫星高度角为α、方位角为β，GNSS反射信号接收天线波束角为θ。

首先，估计镜面反射点位置，以GNSS反射信号接收天线中心在地面的投影为参考点，镜面反射点相对参考点的方位角为β，镜面反射点与参考点的地面距离为

其次，确定GNSS反射信号接收天线覆盖区，以GNSS反射信号接收天线中心为顶点、主瓣最大增益方向为轴线、从顶点出发与轴线成角度的射线为母线构成圆锥面，该圆锥面与地面相交所得的椭圆即为天线覆盖区，镜面反射点为天线覆盖区的一个焦点；

再次，计算天线覆盖区的长轴和短轴的长度，由此求出天线覆盖区面积；

最后，计算“卫星——天线覆盖区内各点——反射天线”与“卫星——镜面反射点——反射天线”的路径差，并将路径差除以光速后得到时延，取时延最大值作为Δτ_max；

第二步，对接收到反射信号相关功率曲线上的由峰值对应的延迟时刻τ_min到反射信号最大延迟时刻τ_min+Δτ_max之间各采样点的相关功率值进行加权求和得到平均反射相关功率，各采样点相关功率的加权系数与该采样点码延迟对应的反射区面积相对应；

假设反射信号相关功率曲线上相邻采样点之间的码延迟为△τ，峰值对应延迟时刻τ_min到反射信号最大延迟时刻τ_min+△τ_max之间有i个采样点([]为取整函数)，由于反射区上的不同点对应不同码延迟，那么可以将反射区划分为i个区域，按照延迟大小记为区0～i-1，分别记各区面积为S₀～S_i-1，各采样点的相关功率可以视为各小区内的平均相关功率，设反射区总反射相关功率为P_r，平均反射相关功率为可以得到：

${\stackrel{\‾}{P}}_r=\frac{P_r}{\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j}=\frac{\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{P}}_r^j{S}_j}{\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j}=\underset{m=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_m}{\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j}{\stackrel{\‾}{P}}_r^m$

这里令即为加权系数；

第三步，利用平均反射相关功率与直射信号相关功率峰值比值作为反射率，根据反射天线极化方式确定的反射率与介电常数之间的关系算得土壤介电常数，再利用土壤介电常数与土壤湿度之间的映射关系求得土壤湿度。

反射率与介电常数关系需要根据反射天线极化方式确定，对于反射天线为左旋圆极化时，反射率为：

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{rl}}=\frac{{(\mathrm{\ϵ}-1)}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}(\mathrm{\ϵ}-{\cos }^2\mathrm{\θ})}{{(\mathrm{\ϵ}\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{\mathrm{\ϵ}-{\cos }^2\mathrm{\θ}})}^2{(\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{\mathrm{\ϵ}-{\cos }^2\mathrm{\θ}})}^2}$

土壤湿度m_V与土壤介电常数ε关系：

m_V＝-0.0053+0.00292ε-0.00055ε²+0.0000043ε³

优选地，FPGA采样信号预处理模块预处理过程中通过多条直射通道完成不同卫星直射信号的捕获和跟踪后，在直射通道和反射通道中分别计算得到不同卫星直射信号和反射信号的相关功率曲线，再将上述多通道信号数据传递给FPGA土壤湿度反演模块分别计算土壤湿度，最后将获得的多个土壤湿度取平均值作为最终结果并输出，如此得到的面域土壤湿度测 量值会更为准确。

需要说明的是，本发明技术方案中所述的网络模块、射频前端、中频信号采集模块、FPGA采样信号预处理模块和FPGA土壤湿度反演模块的硬件结构在现有技术中均已公开，属于本领域技术人员公知技术，在此不再赘述。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明结构紧凑，使用方便，基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置将各模块集成到一个球状机箱内，实现信号接收处理、土壤湿度反演和湿度数据传输一体化，创新土壤湿度测量方法，将GNSS反射信号接收天线的覆盖区按照不同码延迟进行分区，并根据分区大小将对应该区域的相关功率进行加权求和，然后用来估计土壤表面反射率，进而完成土壤介电常数计算，从而得到更为平稳、可靠的土壤湿度测量结果，最后通过3G技术实时传输土壤湿度数据，实现测量结果的实时观测。

附图说明

图1本发明实施例1结构示意图。

图2本发明GNSS-R土壤湿度测量主机内部结构图。

图3本发明天线架设示意图。

图4本发明土壤测量方法流程图。

图5ICF比值计算法流程图。

图1中：1、机箱；2、GNSS反射信号接收天线；3、GNSS直射信号接收天线；4、GNSS-R土壤湿度测量主机；5、支架I；6、支架II；7、电源线；8、GNSS直射信号接收天线主瓣最大增益方向；9、水平线；10、GNSS反射信号接收天线主瓣最大增益方向；11、地面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1-2示，本发明所述基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，包括机箱1，机箱1内设置GNSS反射信号接收天线2、GNSS直射信号接收天线3和GNSS-R土壤湿度测量主机4，机箱1朝向地面设置开口，支架I5一端固定在地面上，另一端竖直插入机箱1内部并固定GNSS-R土壤湿度测量主机4，GNSS-R土壤湿度测量主机4顶端固定GNSS直射信号接收天线3，GNSS-R土壤湿度测量主机4与机箱1开口之间的支架I5上固定支架II6，支架II6固定GNSS反射信号接收天线2，GNSS-R土壤湿度测量主机4包含顺次连接的射频前端、中频信号采集模块、FPGA采样信号预处理模块、FPGA土壤湿度反演模块和网络模块，电源模块为前述GNSS-R土壤湿度测量主机的五个模块供电，电源模块电源线7通过开口延 伸至机箱外部。

其中，所述机箱1为球形，美观、防水并且不会对信号的造成很大衰减；支架I5设为空心结构，电源模块电源线7穿过支架I5空心与外部电源相连接，一方面，支架I5可以将电源线7与外界隔绝，延长其使用寿命，另一方面，支架I5可以对电源线7进行固定，防止其流窜；GNSS-R土壤湿度测量主机4对应网络模块设置网口，可以外接网线，进行数据传输；GNSS-R土壤湿度测量主机4设有外壳，各模块设置在外壳内部，GNSS直射信号接收天线3固定在外壳顶端，网口嵌入在外壳上，将GNSS-R土壤湿度测量主机4各模块进行集成，位置固定，不会在机箱1内随便流窜；网络模块采用3G模块，3G模块属于现阶段非常成熟的通信模块，应用普遍，覆盖范围广，适用性强；如图3示，GNSS直射信号接收天线安置方式为水平朝上放置，GNSS直射信号接收天线主瓣最大增益方向8朝向天顶；在GNSS反射信号接收天线波束角为θ时，所述GNSS反射信号接收天线安置方式为倾斜朝下放置，GNSS反射信号接收天线主瓣最大增益方向10与水平线9的夹角在到90°之间。

本发明核心技术在于GNSS-R遥感技术，将GNSS反射信号接收天线2、GNSS直射信号接收天线3和GNSS-R土壤湿度测量主机4共同集成在一个机箱1内，实现信号接收处理、土壤湿度反演和所测湿度数据传输的一体化。在GNSS直射信号接收天线3接收导航卫星直射信号的同时，GNSS反射信号接收天线2接收地球表面的反射信号，并抑制大部分与传输路径不相关的多径信号；然后射频前端分别对直射信号和反射信号进行下变频，将变频得到的两路模拟中频信号输入到中频信号采集模块；中频信号采集模块对两路中频信号进行采样和量化，得到两路数字中频信号；数字中频信号输入到FPGA采样信号预处理模块进行预处理后传输给FPGA土壤湿度反演模块，通过FPGA土壤湿度反演模块求解面域土壤湿度；最后所述网络模块采将结果传送至用户终端，实现实时观测。

实施例2：

如图4所示，本实施例为实施例1所述基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

第一步，GNSS直射信号与反射信号分别通过GNSS直射信号接收天线和GNSS反射信号接收天线接收，抑制大部分与传输路径不相关的多径信号；

第二步，射频前端分别对直射信号和反射信号进行下变频，得到分别对应直射信号和反射信号的两路模拟中频信号；

第三步，中频信号采集模块对两路模拟中频信号进行采样和量化，得到两路数字中频信号；

第四步，分别对应直射信号和反射信号的两路数字中频信号输入到FPGA采样信号预处理模块进行预处理，利用直射信号和本地复现信号的相关函数计算得到直射信号的相关功率值；利用接收到的反射信号和本地复现信号的相关函数计算得到GNSS反射信号的相关功率值，有多个不同时刻的相关功率值构成相关功率曲线；

相关功率为相关函数的值，具体如下：

在GNSS信号处理中，任意t₀时刻的本地PRN码复制码a(t₀)与t₀+τ时刻接收到的直射信号u_D(t₀+τ)的时延一维相关函数定义为：

$Y_D(t_0,\mathrm{\τ})={\∫}_0^{T_i}{u}_D(t_0+t^{\′}+\mathrm{\τ})a(t_0+t^{\′})e^{2\mathrm{\πj}(f_L+f_D)(t_0+t^{\′})}{\mathrm{dt}}^{\′}$

这里T_i为积分时间；f_L为接收信号中心频率；f_D为直射信号的多普勒估计值，用于补偿接收信号的多普勒频移。

类似地，定义在某一多普勒频移f₀下，任意t₀时刻的本地PRN码复制码a(t₀)与t₀+τ时刻接收到的反射信号u_R(t₀+τ)的时延一维相关函数定义为：

$Y_R(t_0,\mathrm{\τ})={\∫}_0^{T_i}{u}_R(t_0+t^{\′}+\mathrm{\τ})a(t_0+t^{\′})e^{2\mathrm{\πj}(f_L+f_R+f_0)(t_0+t^{\′})}{\mathrm{dt}}^{\′}$

其中f_R为镜面反射点处多普勒估计值；

对与给定的t₀，取不同τ值可以得到不同相关函数值，这些相关函数值也称为相关功率，这些相关函数值构成的曲线称为相关功率曲线。

第五步，将GNSS直射信号和GNSS反射信号的相关功率曲线传输至FPGA土壤湿度反演模块，利用ICF比值计算法求解面域土壤湿度；

第六步，通过网络模块将求得的面域土壤湿度传送至用户终端。

如图5所示，上述ICF比值计算法包括以下步骤：

第一步，根据GNSS反射信号接收天线的架设高度、卫星位置和天线波束角估算天线覆盖区位置和面积，并估算反射区内各点的反射信号相对于镜面反射点反射信号的最大延迟时间Δτ_max；

其中Δτ_max的计算方法为：

假设GNSS反射信号接收天线架设高度为H，卫星高度角为α、方位角为β，GNSS反射信号接收天线波束角为θ。

首先，估计镜面反射点位置，以GNSS反射信号接收天线中心在地面的投影为参考点，镜面反射点相对参考点的方位角为β，镜面反射点与参考点的地面距离为

其次，确定GNSS反射信号接收天线覆盖区，以GNSS反射信号接收天线中心为顶点、主瓣最大增益方向为轴线、从顶点出发与轴线成角度的射线为母线构成圆锥面，该圆锥面与地面相交所得的椭圆即为天线覆盖区，镜面反射点为天线覆盖区的一个焦点；

再次，计算天线覆盖区的长轴和短轴的长度，由此求出天线覆盖区面积；

最后，计算“卫星——天线覆盖区内各点——反射天线”与“卫星——镜面反射点——反射天线”的路径差，并将路径差除以光速后得到时延，取时延最大值作为Δτ_max；

第二步，对接收到反射信号相关功率曲线上由峰值对应的延迟时刻τ_min到反射信号最大延迟时刻τ_min+Δτ_max之间采样点的相关功率值进行加权求和得到平均反射相关功率，各采样点相关功率的加权系数与该采样点码延迟对应的反射区面积相对应；

假设反射信号相关功率曲线上相邻采样点之间的码延迟为△τ，峰值对应延迟时刻τ_min到反射信号最大延迟时刻τ_min+△τ_max之间有i个采样点([]为取整函数)，由于反射区上的不同点对应不同码延迟，那么可以将反射区划分为i个区域，按照延迟大小记为区0～i-1，分别记各区面积为S₀～S_i-1，各采样点的相关功率可以视为各小区域内的平均相关功率，设反射区总反射相关功率为P_r，平均反射相关功率为可以得到：

${\stackrel{\‾}{P}}_r=\frac{P_r}{\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j}=\frac{\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{P}}_r^j{S}_j}{\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j}=\underset{m=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{S_m}{\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_j}{\stackrel{\‾}{P}}_r^m$

这里令即为加权系数。

第三步，利用平均反射相关功率与直射信号相关功率峰值比值作为反射率，根据反射天线极化方式确定的反射率与介电常数之间的关系算得土壤介电常数，再利用土壤介电常数与土壤湿度之间的映射关系求得土壤湿度。

反射率与介电常数关系需要根据反射天线极化方式确定，对于反射天线为左旋圆极化时，反射率为：

${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{rl}}=\frac{{(\mathrm{\ϵ}-1)}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}(\mathrm{\ϵ}-{\cos }^2\mathrm{\θ})}{{(\mathrm{\ϵ}\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{\mathrm{\ϵ}-{\cos }^2\mathrm{\θ}})}^2{(\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{\mathrm{\ϵ}-{\cos }^2\mathrm{\θ}})}^2}$

土壤湿度m_V与土壤介电常数ε的关系：

m_V＝-0.0053+0.00292ε-0.00055ε²+0.0000043ε³

FPGA采样信号预处理模块预处理过程中通过多条直射通道完成不同卫星直射信号的捕获和跟踪后，在直射通道和反射通道中分别计算得到不同卫星直射信号和反射信号的相关功率曲线，再将上述多通道信号数据传递给FPGA土壤湿度反演模块分别计算土壤湿度，最后将获得的多个土壤湿度取平均值作为最终结果并输出，得到的面域土壤湿度测量值会更为准确。

需要说明的是，本发明技术方案中所述的网络模块、射频前端、中频信号采集模块、FPGA采样信号预处理模块和FPGA土壤湿度反演模块的硬件结构在现有技术中均已公开，属于本领域技术人员公知技术，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，包括机箱(1)，机箱内设置GNSS反射信号接收天线(2)、GNSS直射信号接收天线(3)和GNSS-R土壤湿度测量主机(4)，机箱(1)朝向地面设置开口，支架I(5)一端固定在地面上，另一端竖直插入机箱(1)内部并固定GNSS-R土壤湿度测量主机(4)，GNSS-R土壤湿度测量主机(4)顶端固定GNSS直射信号接收天线(3)，GNSS-R土壤湿度测量主机(4)与机箱(1)开口之间的支架I(5)上固定支架II(6)，支架II(6)固定GNSS反射信号接收天线(2)，GNSS-R土壤湿度测量主机(4)包含顺次连接的射频前端、中频信号采集模块、FPGA采样信号预处理模块、FPGA土壤湿度反演模块和网络模块，电源模块为前述GNSS-R土壤湿度测量主机(4)的五个模块供电，电源模块电源线(7)通过开口延伸至机箱(1)外部。

2.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所述机箱(1)为球形。

3.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所述支架I(5)设为空心结构，电源模块电源线(7)穿过支架I(5)空心与外部电源相连接。

4.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所述GNSS-R土壤湿度测量主机(4)对应网络模块设置网口。

5.根据权利要求1或4所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所述GNSS-R土壤湿度测量主机(4)设有外壳，各模块设置在外壳内部，GNSS直射信号接收天线(3)固定在外壳顶端，网口嵌入在外壳上。

6.根据权利要求1或4所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所述网络模块采用3G模块。

7.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置，其特征在于，所述GNSS直射信号接收天线(3)安置方式为水平放置，其主瓣最大辐射方向朝向天顶；在GNSS反射信号接收天线(2)波束角为θ时，所述GNSS反射信号接收天线(2)的安置方式为朝向地面，其主瓣最大增益方向与水平面的夹角在到90°之间。

8.一种如权利要求1所述的基于GNSS-R的面域土壤湿度测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，GNSS直射信号与反射信号分别通过GNSS直射信号接收天线(3)和GNSS反射信号接收天线(2)接收，抑制大部分与传输路径不相关的多径信号；

第二步，射频前端分别对直射信号和反射信号进行下变频，得到分别对应直射信号和反射信号的两路模拟中频信号；

第三步，中频信号采集模块对两路模拟中频信号进行采样和量化，得到两路数字中频信号；

第四步，分别对应直射信号和反射信号的两路数字中频信号输入到FPGA采样信号预处理模块进行预处理，利用直射信号和本地复现信号的相关函数计算得到直射信号的相关功率值；利用接收到的反射信号和本地复现信号的相关函数计算得到GNSS反射信号的相关功率值，由多个不同时刻的相关功率值构成相关功率曲线；

第五步，将GNSS直射信号和GNSS反射信号的相关功率曲线传输至FPGA土壤湿度反演模块，利用ICF比值计算法求解面域土壤湿度；

第六步，通过网络模块将求得的面域土壤湿度传送至用户终端。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述ICF比值计算法包括以下步骤：

第一步，根据GNSS反射信号接收天线(2)的架设高度、卫星位置和天线波束角估算天线覆盖区位置和面积，并估算反射信号相对于镜面反射点的最大延迟时间Δτ_max；

第二步，对接收到反射信号相关功率曲线上由峰值对应的延迟时刻τ_min到反射信号最大延迟时刻τ_min+Δτ_max之间各采样点的相关功率值进行加权求和得到平均反射相关功率，各采样点相关功率的加权系数与该采样点码延迟对应的反射区面积相对应；

第三步，利用平均反射相关功率与直射信号相关功率峰值比值作为反射率，根据反射天线极化方式确定的反射率与介电常数之间的关系得到土壤介电常数，再利用土壤介电常数与土壤湿度之间的映射关系求得土壤湿度。

10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述FPGA采样信号预处理模块预处理过程中通过多条直射通道完成不同卫星直射信号的捕获和跟踪后，在直射通道和反射通道中分别计算得到不同卫星直射信号和反射信号的相关功率曲线，再将上述多通道信号数据传递给FPGA土壤湿度反演模块分别计算土壤湿度，最后将获得的多个土壤湿度取平均作为最终结果并输出。