CN111521650A - 土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

土壤湿度测量中直射信号和反射信号的相位提取方法
技术领域
本发明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领域。
背景技术
全球卫星导航系统反射信号(Global Navigation Satellite SystemReflection,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。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明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。
本发明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：
Figure RE-GDA0002554674870000021
Figure RE-GDA0002554674870000022
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，
Figure RE-GDA0002554674870000023
表示本地载波的初相；
对式(1)和式(2)计算结果如下：
Figure RE-GDA0002554674870000024
Figure RE-GDA0002554674870000025
其中，
Figure RE-GDA0002554674870000026
Figure RE-GDA0002554674870000031
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，
Figure RE-GDA0002554674870000032
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：
Figure RE-GDA0002554674870000033
代入式(5)和式(6)，得到
Figure RE-GDA0002554674870000034
同时，P1的表达式为
P1(i)＝Ad，R 2(i)D2(i)sinc2(feTc)R2(τe) (9)
其中：
Figure RE-GDA0002554674870000035
Figure RE-GDA0002554674870000036
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：
Figure RE-GDA0002554674870000041
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：
Figure RE-GDA0002554674870000042
由此可得
Figure RE-GDA0002554674870000043
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。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明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为本发明实施例的步骤流程图；
图2为本发明实施例中GNSS接收机应用场景图；
图3为本发明实施例中天线方向图；
图4为本发明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发明作进一步的说明：
实施例1：
如图1所示，本发明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，两天线之间有一定距离。地基GNSS信号接收机的应用场景如图2所示，接收机包含LHCP天线及RHCP天线，其中RHCP天线接收GNSS卫星的直射信号，而GNSS卫星的反射信号则由LHCP天线接收；
其中，在步骤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；
其中，在步骤3中相干运算的运算方法如下：
Figure RE-GDA0002554674870000061
Figure RE-GDA0002554674870000062
其中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，
Figure RE-GDA0002554674870000063
表示本地载波的初相。
通常情况下，在忽略高斯白噪声的情况下，计算结果如下：
Figure RE-GDA0002554674870000064
Figure RE-GDA0002554674870000065
其中，
Figure RE-GDA0002554674870000066
Figure RE-GDA0002554674870000067
在上述公式中，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，
Figure RE-GDA0002554674870000071
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。
其中，在步骤4中所述的“功率计算”，其计算过程如下：
Figure RE-GDA0002554674870000072
代入式(5)和式(6)，得
Figure RE-GDA0002554674870000073
同时，P1的表达式为
P1(i)＝Ad，R 2(i)D2(i)sinc2(feTc)R2(τe) (9)
其中
Figure RE-GDA0002554674870000074
Figure RE-GDA0002554674870000075
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，ΓRR是GNSS卫星仰角θ、土壤介电常数εr的函数，用下式表示：
Figure RE-GDA0002554674870000081
其中，在步骤5中相位提取的计算过程如下，
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：
Figure RE-GDA0002554674870000082
由此可得
Figure RE-GDA0002554674870000083
其中，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，通过上述实施方法完成相位提取过程。
上述相位提取过程在实施过程中可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。
图3是一种可能采用的接收机天线的方向图，并且相干积分时间小于1ms，非相干积分时间固定为1s。图3中的实线表示RHCP天线的RHCP增益以及LHCP天线的LHCP增益，而虚线表示LHCP天线的RHCP增益以及RHCP天线的LHCP增益。
使用图1所示的方法以及方向图如图3所示的天线，可得到两路信号的归一化相关功率如图4所示。图4得到的是归一化相关功率P2(i)/P1(i)与卫星高度角正弦值sinθ、土壤介电常数εr和左旋圆极化天线等效高度H的关系。图4中图例描述了各条图线的含义，其中P＝P2(i)/P1(i)为归一化相关功率，E[P]为归一化相关功率的均值。通过对上述数据按照实施例中记载的公式进行计算，得到直反射信号的相位差，可以在一定程度上消除偶然误差，提高相位提取的精确度。提取到的相位信息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，从而提高土壤湿度测量的精度。在本实施例中，通过上述相位提取过程，计算得出相位差为0.281rad。
采用以上结合附图描述的本发明的实施例的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。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围。

Claims (7)

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：
Figure RE-FDA0002554674860000011
Figure RE-FDA0002554674860000021
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，
Figure RE-FDA0002554674860000022
表示本地载波的初相；
对式(1)和式(2)计算结果如下：
Figure RE-FDA0002554674860000023
Figure RE-FDA0002554674860000024
其中，
Figure RE-FDA0002554674860000025
Figure RE-FDA0002554674860000026
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，
Figure RE-FDA0002554674860000027
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。
5.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4中功率计算的过程具体包括以下：
Figure RE-FDA0002554674860000028
代入式(5)和式(6)，得到
Figure RE-FDA0002554674860000031
同时，P1的表达式为
P1(i)＝Ad，R 2(i)D2(i)sinc2(feTc)R2(τe) (9)
其中：
Figure RE-FDA0002554674860000032
Figure RE-FDA0002554674860000033
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。
6.根据权利要求5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：所述的反射系数ΓRR的计算公式用下式表示：
Figure RE-FDA0002554674860000034
式中：ΓRR是GNSS卫星仰角θ、土壤介电常数εr的函数。
7.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：
Figure RE-FDA0002554674860000041
由此可得
Figure RE-FDA0002554674860000042
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。
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