专利名称：深层土壤湿度微波遥感探测方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波遥感技术领域，是一种深层土壤湿度微波遥感探测方法与装置。
背景技术：
深层土壤湿度在农业、林业、水文、气候、生态等领域是一个重要的参数。各国对土壤湿度探测设备已有大量的投入。土壤水分在时间、空间范围变化较大，土壤水分的传统测量方法，如重量法测量和时域反射计测量都是基于点的测量方法，需要实地操作和烦杂的后处理过程，不仅费时费力，而且无法在要求的时间内获得大范围内土壤水分的时空分布信息，因此很难将这种传统的土壤水分测量方法推广到大范围、动态变化应用中，这种基于 点的传统方法在水文学、气候学、生态学等方面的应用显得越来越不足了。深层土壤特别是植物根部土壤的含水量能够控制植物的生长，与植物的蒸腾作用密切相关，也是联系表层土壤水和地下水的纽带。研制快速高效的根区土壤湿度测量系统有重要意义。因此，在要求的精度范围内如何获取大范围、动态的土壤时空分布信息是一个迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是公开一种深层土壤湿度微波遥感探测方法与装置，可以实现非接触式、无损地检测不同类型土壤在0. I-IOm深度的土壤介电常数和湿度参数。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种深层土壤湿度微波遥感探测方法，其包括a)由发射机发射VHF/UHF频段的射频信号到测试区域的土壤目标，利用VHF/UHF频段射频信号的穿透性，使射频信号射入地表下0. I-IOm深度；b)再由接收机接收到目标的回波信号；c)对目标回波信号进行数据处理，通过深层土壤散射模型用遗传算法反演土壤的介电常数，通过土壤介电模型计算出土壤的湿度。所述的深层土壤湿度微波遥感探测方法，其获取被测试目标的多频率、多极化、多角度的回波数据，测试的具体步骤如下I)设定天线的极化和设定一个入射角；2)测试区域的两个方向分别为方位向和距离向，测试系统移动方向为方位向，天
线侧视的方向为距离向；测试系统沿方位向移动时，天线的位置为1，2，......i，i+l，......，
n的n个位置，在某位置i进行以下步骤；3)定标测试放置角反射器，信号源及天线于目标区域用于定标，分别用于幅度定标测试和相位定标测试；4)测试该位置的目标回波；5)数据采集与数据存储；6)重复2)至5)步，直至选定的目标位置全部测试结束；7)再回到I)，进行下一组观测。8)将数据传输到数据处理�？榻惺荽恚玫侥勘昵虿煌恢貌煌疃鹊慕榈绯Ｊ褪龋�9)形成二维或三维的灰度图像输出、显示。所述的深层土壤湿度微波遥感探测方法，其所述I)步中，天线的极化为HH，VV,VH, HV，天线的入射角是在15-60度内选若干点。所述的深层土壤湿度微波遥感探测方法，其通过测试获取目标的多极化、多角度、多频率的回波数据组合，步骤I)与2)的先后顺序视方便操作而定，如采用一步一停方法测试，则在每个位置i进行多角度、多极化测试完毕，再进行下一位置的测定。所述的深层土壤湿度微波遥感探测方法，其所述8)步，包括I)调整数据格式，从目标观测位置1，2，……i，i+l，……，n的观测数据中，提取天线位置i的一组观测数据极化和入射角的组合；2)将定标数据做FFT变换； 3)将目标回波数据做FFT变换；4)做数据校准；5)得到频域的观测数据并对观测数据存储；6)回到I)步，下一组观测数据处理；7)计算目标处的不同深度的介电常数和湿度；8)回到I)步，下一天线位置。所述的深层土壤湿度微波遥感探测方法，其所述目标，包括裸土，农林植被下土壤，沙漠，永久冻土。一种所述的探测方法使用的装置，包括发射机、接收机和控制�？椋黄浞⑸浠ǚ⑸淠？楹头⑸涮煜撸环⑸淠？榘ㄐ藕旁矗糯笃鳎瞬ㄆ鳎藕旁床鶹HF/UHF频段的射频信号；放大器包括增益可调放大器，功率放大器；接收机包括接收�？�、数据采集模块、数据处理�？楹徒邮仗煜撸唤邮漳？榘ㄏ薹鳎驮肷糯笃鳎瞬ㄆ鳎鲆婵傻鞣糯笃鳎琁，Q解调器；控制�？楦隹刂菩藕趴刂品⑸淇亍⒔邮湛�、数据采集，实现收发分时工作，并在接收回波时采集数据。所述的装置，其所述发射、接收天线是对数周期天线、八木天线或贴片天线其中的一种或组合；信号源产生的射频信号是VHF/UHF频段的载波脉冲、步进频率信号、线性调频信号或多频点连续波信号其中的一种；增益可调放大器是AGC放大器、或为可调衰减器和放大器组成。所述的装置，其所述天线是一个收发一体天线，发射�？橥ü沸纹鹘邮辗⒁惶逄煜叻⑸銿HF/UHF频段的射频信号；收发一体天线接收目标回波信号，通过环形器到接收�？椋涣铰肥莶杉？榇咏邮漳？椴杉莸绞荽砟？椋皇荽砟？榇踊夭ㄐ藕胖屑扑愠鐾寥赖慕榈绯Ｊ褪取�、
所述的装置，其所述控制�？椴捎肍PGA给出控制信号，控制发射接收分时工作，限制直达波，控制�？榭刂剖莶杉跎偈荽娲⒘浚徊捎孟薹鳎越邮涨岸嗽俦；�。所述的装置，其适用于地基、空基和天基遥感监测平台。本发明的优点在于采用的频率范围使发射的电磁波有穿透性，能测试植被下的土壤湿度，能测试深层土壤(根据土壤类型不同，湿度不同，深度范围为0.1-10米)湿度；采用本发明装置与技术，可以实现获取大范围、动态的土壤时空分布信息。系统可采用收发分时工作，限制了直达波，降低了接收前端的难度，采用限幅器，对接收前端再保护。
图I为一种深层土壤湿度微波遥感探测装置的原理示意图；图2为另一种深层土壤湿度微波遥感探测装置的原理示意图；图3为地基深层土壤湿度微波遥感探测装置的工作原理示意图，其中标示的天线 距离地面的高度仅为示例，不局限于此高度，但要保证探测在远场条件下进行；图4为测试流程图；图5为数据处理流程图；图6为本发明装置的测试结果示意图。
具体实施例方式本发明利用电磁波在VHF/UHF频段的穿透性，发明一种深层土壤湿度雷达遥感测试系统测量深层土壤(根据不同土壤类型，不同湿度，不同植被覆盖等情况，深度为0. I-IOm)的介电常数和湿度。土壤的湿度与土壤的介电常数有特定的关系，由土壤的介电模型确定；VHF/UHF频段的电磁波发射到目标土壤，一部分能量被粗糙土壤表面散射，另一部分能量穿透进入土壤，在非均匀媒质中传播；回波信号中包括粗糙面表层的散射分量和土壤散射分量。本发明深层土壤湿度测试装置中发射机发射VHF/UHF频段的射频信号到土壤目标，电磁信号与土壤相互作用产生回波，接收机接收到回波信号，基于深层土壤散射模型，从回波数据中计算不同深度土壤的介电常数，基于介电模型求出不同深度土壤的含水量分布。本发明的一种深层土壤湿度微波遥感探测装置，如图I所示，由发射机，接收机，控制�？樽槌桑黄渲械囊恢址⑸浠钩晌⑸淠？�24与天线8组成，接收机由接收天线9和接收�？�22，双通道采样器20，数据处理PC机21组成。发射�？�24由信号源10给出VHF/UHF频段射频信号，通过功分器11分两路，一路通接接收通道中的I，Q解调器18，另一路接增益可调放大器12，再接功放13和滤波器14，增益可调放大器通过增益调节使系统工作在最佳状态。接收�？�25由限幅器15接低噪声放大器16，接滤波器17，增益可调放大器18，I，Q解调器19，限幅器15保护接收机，限制直达波或发射端耦合到接收端的大信号，增益可调放大器18通过增益调节使系统工作在最佳状态。接收�？槭涑鯥，Q两路信号，由双通道采样器20采样，传输数据到数据处理PC机21，计算出测试目标的土壤介电常数和湿度信息。控制�？橥ü鼺PGA实现，给出发射、接收控制信号分别控制发射开关和接收开关实现分时工作，给出数据采集控制信号实现接收回波信号时采集数据。本发明中发射模块24，接收�？�25中的元器件通过集成电路实现，控制部分采用FPGA实现，数据采集�？�20通过ADC，FPGA，DSP实现数据采集、存储和上传。
发射天线8的类型包括对数周期天线，八木天线，贴片天线。增益可调放大器12可以是AGC放大器，也可以由放大器和可调衰减器组成。接收天线9的类型包括对数周期天线，八木天线，贴片天线。增益可调放大器18可以是AGC放大器，也可以由放大器和可调衰减器组成。图I中信号源10给出的射频信号包括VHF/UHF频段的脉冲信号，步进频率信号，线性调频信号或多频点连续波。本发明的另一种深层土壤湿度微波遥感探测装置，如图2所示，其中的发射机由发射�？�24给出VHF/UHF频段射频信号，通过环形器接收发一体天线22发射信号26到测试目标，目标回波信号27由收发一体天线22接收后通过环形器6接入接收�？�25，输出I，Q两路信号，由双通道采样器20采样，传输数据到数据处理PC机21，计算出测试目标的土壤介电常数和湿度信息。 图3是地基测试装置的测试原理图，将测试装置安装在吊车的顶部，吊车高度为10-40米；系统采用脉冲工作制，系统发射功率为2W，天线极化为HH，VV, HV, VH，脉冲宽度为30ns，脉冲重复频率为2kHz，入射角在15-60度间选择，获取独立测试的若干组数据，进行数据处理，获得土壤参数。脉冲信号由FPGA产生，调制到信号源产生的VHF/UHF频段的点频连续波上；系统采用收发分时工作制，通过FPGA产生控制信号控制发射通道和接收通道的开关，使得发射和接收实现分时工作。用本发明中的测试装置测试目标回波，测试装置可以基于车载平台，机载平台或星载平台，测试方法如图4的测试流程图，包括以下步骤I)设定天线的极化(W，HH, VH, HV)和入射角(15-60度内选若干点)；2)测试装置沿方位向运动，天线的位置为1，2，……i，i+l，……，11的11个位置，在某位置i进行以下步骤；3)定标测试放置角反射器，信号源及天线于目标区域用于定标，角反射器用于幅度定标测试，信号源及天线用于相位定标测试；4)测试该位置的目标回波；5)数据采集与数据存储；6)重复2)至5)步，直至选定的目标位置全部测试结束；7)再回到I)，进行下一组观测。测试得到被测区域的每个位置的不同极化和入射角的若干组观测数据，存储数据并传输到数据处理机。数据处理流程如图5所示，步骤如下I)调整数据格式，天线的位置为1，2，……i，i+l，……，11的11个位置，提取天线位置i的一组观测数据(极化和入射角的组合)；2)将定标数据做FFT变换；3)将目标回波数据做FFT变换；4)做数据校准；5)得到频域的观测数据并存储；6)回到I)，下一组观测数据处理；
7)计算天线位置i对应目标位置的不同深度的介电常数和湿度；8)回到I)，下一天线位置9)获取测试区域不同位置的土壤沿深度的介电常数和湿度的变化；10)形成二维或三维的灰度图像。在数据处理流程中的第7)步，计算目标处的不同深度的介电常数和湿度；测试属于远场测试，入射波为平面波，平面波 入射到粗糙土壤表面，一部分能量散射，另一部分能量穿透进入土壤，在分层非均匀媒质中传播；在观测的一个口径或一个分辨点，土壤为粗糙表面，沿土壤深度介电常数或湿度是渐变的，采用粗糙面任意分层散射模型其中遞樣飘議事
2/j§cos#IX ’—f；i == K{^^)sm0anff +B|)(1+Rj)e — M^zfAms — cos (I — a；*) (I — E;) <其中Rvm和圮为广义反射系数。对于分层明显的土壤类型，采用粗糙面分层散射模型其计算公式如下 =4< cos2 Os^wXk-KV^wXk -^4。刺[_2] =4< COS2 es^\wf{k-KV\ahg\wg{k -K%m
_3]= 4< COS2 Os^wXk-KY^wXk-K%A_kl)其中F^1), G(k± )是表面函数f，g的Fourier变换，％ (^l), Wg (^1)是粗糙面的F(U G(&)的谱密度。土壤的介电模型采用广义折射混合介电模型GRMDM
厂+(V^-WW<Wt^em =\
Hd + dm+-wt) w>wt
其中Snj为土壤的相对介电常数e d为干燥土壤的相对介电常数eb为土壤中束缚水的相对介电常数ef为土壤中自由水的相对介电常数W为土壤含水量Wt为土壤饱和束缚水含量土壤的介电模型还可以通过测试获取经验公式。 图6为测试结果，图中实线为TDR(时域反射计)的结果，虚线为本发明装置的测试结果，土壤湿度沿深度的变化趋势是一致的，结果吻合较好。以上所述，特别是图3所示的地基测试装置，仅为本发明中的一个具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，进行的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内，因此，本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种深层土壤湿度微波遥感探测方法，其特征在于，包括 a)由发射机发射VHF/UHF频段的射频信号到测试区域的土壤目标，利用VHF/UHF频段射频信号的穿透性，使射频信号射入地表下0. I-IOm深度； b)再由接收机接收到目标的回波信号；c)对目标回波信号进行数据处理，通过深层土壤散射模型用遗传算法反演土壤的介电常数，通过土壤介电模型计算出土壤的湿度。
2.如权利要求I所述的深层土壤湿度微波遥感探测方法，其特征在于，获取被测试目标的多频率、多极化、多角度的回波数据，测试的具体步骤如下 1)设定天线的极化和设定一个入射角； 2)测试区域的两个方向分别为方位向和距离向，测试系统移动方向为方位向，天线侧视的方向为距离向；测试系统沿方位向移动时，天线的位置为1，2，......i，i+l，......，11的n个位置，在某位置i进行以下步骤； 3)定标测试放置角反射器，信号源及天线于目标区域用于定标，分别用于幅度定标测试和相位定标测试； 4)测试该位置的目标回波； 5)数据采集与数据存储； 6)重复2)至5)步，直至选定的目标位置全部测试结束； 7)再回到I)，进行下一组观测。
8)将数据传输到数据处理�？榻惺荽恚玫侥勘昵虿煌恢貌煌疃鹊慕榈绯Ｊ褪龋� 9)形成二维或三维的灰度图像输出、显示。
3.如权利要求2所述的深层土壤湿度微波遥感探测方法，其特征在于，所述I)步中，天线的极化为HH，VV, VH, HV，天线的入射角是在15-60度内选若干点。
4.如权利要求2所述的深层土壤湿度微波遥感探测方法，其特征在于，通过测试获取目标的多极化、多角度、多频率的回波数据组合，步骤I)与2)的先后顺序视方便操作而定，如采用一步一停方法测试，则在每个位置i进行多角度、多极化测试完毕，再进行下一位置的测定。
5.如权利要求2所述的深层土壤湿度微波遥感探测方法，其特征在于，所述8)步，包括 1)调整数据格式，从目标观测位置1，2，……i，i+l，……，n的观测数据中，提取天线位置i的一组观测数据极化和入射角的组合； 2)将定标数据做FFT变换； 3)将目标回波数据做FFT变换； 4)做数据校准； 5)得到频域的观测数据并对观测数据存储； 6)回到I)步，下一组观测数据处理； 7)计算目标处的不同深度的介电常数和湿度； 8)回到I)步，下一天线位置。
6.如权利要求I所述的深层土壤湿度微波遥感探测方法，其特征在于，所述目标，包括裸土，农林植被下土壤，沙漠，永久冻土。
7.—种如权利要求I所述的探测方法使用的装置，包括发射机、接收机和控制�？椋黄涮卣髟谟冢⑸浠ǚ⑸淠？楹头⑸涮煜撸环⑸淠？榘ㄐ藕旁矗糯笃鳎瞬ㄆ鳎藕旁床鶹HF/UHF频段的射频信号；放大器包括增益可调放大器，功率放大器； 接收机包括接收�？�、数据采集�？�、数据处理�？楹徒邮仗煜撸唤邮漳？榘ㄏ薹鳎驮肷糯笃鳎瞬ㄆ鳎鲆婵傻鞣糯笃鳎琁，Q解调器； 控制�？楦隹刂菩藕趴刂品⑸淇�、接收开关、数据采集，实现收发分时工作，并在接收回波时采集数据。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述发射、接收天线是对数周期天线、八木天线或贴片天线其中的一种或组合；信号源产生的射频信号是VHF/UHF频段的载波脉冲、步进频率信号、线性调频信号或多频点连续波信号其中的一种；增益可调放大器是AGC放大器、或为可调衰减器和放大器组成。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述天线是一个收发一体天线，发射�？橥ü沸纹鹘邮辗⒁惶逄煜叻⑸銿HF/UHF频段的射频信号；收发一体天线接收目标回波信号，通过环形器到接收�？椋涣铰肥莶杉？榇咏邮漳？椴杉莸绞荽砟？椋皇荽砟？榇踊夭ㄐ藕胖屑扑愠鐾寥赖慕榈绯Ｊ褪�。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制�？椴捎肍PGA给出控制信号，控制发射接收分时工作，限制直达波，控制�？榭刂剖莶杉跎偈荽娲⒘浚徊捎孟薹鳎越邮涨岸嗽俦；ぁ�
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，适用于地基、空基和天基遥感监测平台。
全文摘要
本发明公开了一种深层土壤湿度微波遥感探测方法与装置，涉及微波遥感技术，利用微波低频段对物体的穿透性能，提出了深层土壤湿度微波遥感探测方法，并公开一种深层土壤湿度微波遥感探测装置，测试土壤的后向散射系数，通过深层土壤散射模型和土壤的介电模型反演出不同深度的土壤湿度，形成测试区域土壤湿度分布的三维图像。本发明遥感探测装置，工作频率为VHF/UHF频段，可以实现非接触式、无损地检测不同类型土壤在0.1-10m深度的土壤介电常数和湿度参数。
文档编号G01N22/04GK102735697SQ20111008659
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者张晓娟, 林志伟, 许鑫 申请人:中国科学院电子学研究所
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
