專利名稱：一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，特別是一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系 統(tǒng)。
背景技術：
水文學、氣象學以及農業(yè)科學研究領域中的一個重要參數(shù)指標就是土壤水分，土 壤水分在當今農業(yè)發(fā)展中也起到了非常重要的作用。大范圍的土壤水分監(jiān)測與反演是農業(yè) 研究和生態(tài)環(huán)境評價的重要組成部分。區(qū)域或全球范圍的土壤水環(huán)境反演是陸面過程模式 研究中必不可少的參數(shù)之一。因而，土壤水分遙感監(jiān)測和反演是當今科學研究的重要課題。微波遙感可以分為主動微波遙感和被動微波遙感兩種。被動微波遙感監(jiān)測土壤 水分，主要依賴于用微波輻射計對土壤本身的微波發(fā)射或亮度溫度進行測量。研究表明 微波輻射測量土壤濕度的有效采樣深度約為2至5厘米，且選較長波長更為有利，波長為 21cm的L波段最佳。歐空局的土壤水分和海洋鹽度計劃SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity)的主要目的是監(jiān)測土壤水分和海洋鹽度。SMOS衛(wèi)星的有效負載是基于孔徑綜合 技術的微波成像儀 MIRAS (Microwave Imaging Radiometer by Aperture Synthesis)，一 個L-波段、二維、雙極化的被動微波干涉輻射計，該傳感器可以提供0到55°多角度全球范 圍的觀測，因而為全球范圍的土壤水分反演提供了有效手段。SMOS的像元分辨率在30 50km，結合同化模型，這一星載數(shù)據(jù)將空前提高土壤水分的空間分辨率，SMOS對土壤水分的 監(jiān)測精度是0. 4m3/m3，在進行大尺度的土壤水分反演算法后，需要小尺度實時同步數(shù)據(jù)進行 模型精度的評價以及反演算法的驗證。而現(xiàn)有的小尺度實時同步驗證方法的主要的手段是將相應的微波傳感器安裝在 地基或無人機等機載遙感平臺上，由于傳感器造價昂貴，造成人力和財力的浪費。因此，針對SMOS衛(wèi)星的土壤水分監(jiān)測技術，還需要一種便捷、高效、成本低的地面 同步驗證手段。
發(fā)明內容為解決現(xiàn)有技術上存在的問題，本實用新型要提出一種低成本、多尺度、主被動結 合的微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案如下一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，包括SMOS衛(wèi)星、地面衛(wèi)星接收站和數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)，所述的SMOS衛(wèi)星通過L波段微波信號與地面衛(wèi)星接收站連接，所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通 過信號電纜與地面衛(wèi)星接收站連接，所述的系統(tǒng)還包括GNSS信號源、GNSS-R接收機、移動 平臺和平臺控制系統(tǒng)，所述的GNSS信號源通過L波段微波信號與GNSS-R接收機連接，所述 的GNSS-R接收機安裝在移動平臺上、通過不受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與數(shù)據(jù) 分析處理系統(tǒng)連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)是安裝有微波遙感土壤水分分析系統(tǒng)軟件的 計算機，所述的平臺控制系統(tǒng)是安裝有移動平臺運動控制程序的工控機、通過不受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與移動平臺連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)連接。本實用新型所述的移動平臺為地面遙感平臺、機載遙感平臺或低軌衛(wèi)星。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下有益效果1、由于本實用新型應用了全球導航衛(wèi)星的反射信號GNSS-lUGlobalNavigation Satellite System-Reflection)技術，該項技術對于50m半徑的小尺度上，可以獲取地表 0 5cm厚的土壤水分信息，基本與SMOS技術獲取的數(shù)據(jù)相同，而且也工作在適宜土壤水分 監(jiān)測和反演的L波段；GNSS-R的工作模式屬于收發(fā)分置的雙基地模型，信號源由GNSS導航 衛(wèi)星群提供無償穩(wěn)定的來源，因此GNSS-R接收機體積小、重量輕。因此利用GNSS-R微波遙 感技術對SMOS技術獲取的數(shù)據(jù)進行地面校驗是一種成本低廉、使用便利的有效手段，可以 方便地將GNSS-R獲得的地面實時同步數(shù)據(jù)應用在被動微波傳感器SMOS 土壤水分模型的精 度評價和反演算法的驗證上。2、由于星載SMOS技術可以獲取大尺度上的土壤水分信息，而GNSS-R技術可以獲 取較小尺度上的信息，二者相互結合，在進行大尺度的土壤水分反演算法后，需要小尺度實 時同步數(shù)據(jù)進行模型精度的評價以及反演算法的驗證，利用GNSS-R數(shù)據(jù)對SMOS數(shù)據(jù)進行 土壤水分反演算法的驗證，并修正反演算法，從而可以提高反演算精度，進而大大提高和改 善水文和氣象模型的預報精度，并為農業(yè)生產和災害監(jiān)測提供準確數(shù)據(jù)。3、由于本實用新型利用SMOS技術獲取的數(shù)據(jù)與GNSS-R技術的觀測數(shù)據(jù)結合，可 以同時獲取可信、多尺度的土壤水分數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理分析，實現(xiàn)了主被動結合的微波遙 感土壤水分監(jiān)測，對建立更加準確的陸面、大氣模式而言具有積極而重要的作用。

本實用新型共有附圖2張，其中圖1是GNSS-R遙感原理圖。圖2是微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)組成示意圖。圖中1、GNSS信號源，2、GNSS-R接收機，3、移動平臺，4、平臺控制系統(tǒng)，5、數(shù)據(jù)分 析處理系統(tǒng)，6、土壤，7、SMOS衛(wèi)星，8、地面衛(wèi)星接收站，9、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行進一步地描述。如圖1-2所示，一種微波遙感土 壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，包括SMOS衛(wèi)星7、地面衛(wèi)星接收站8和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9，所述的SMOS衛(wèi)星 7通過L波段微波信號與地面衛(wèi)星接收站8連接，所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9通過信號電纜與地 面衛(wèi)星接收站8連接，所述的系統(tǒng)還包括GNSS信號源1、GNSS-R接收機2、移動平臺3和平 臺控制系統(tǒng)4，所述的GNSS信號源1通過L波段微波信號與GNSS-R接收機2連接，所述的 GNSS-R接收機2安裝在移動平臺3上、通過不受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與數(shù)據(jù) 分析處理系統(tǒng)5連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)5是安裝有微波遙感土壤6水分分析系統(tǒng) 軟件的計算機，所述的平臺控制系統(tǒng)4是安裝有移動平臺3運動控制程序的工控機、通過不 受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與移動平臺3連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)5通過 數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9連接。所述的移動平臺3為地面遙感平臺、機載遙感平臺或低軌
4衛(wèi)星。本實用新型的監(jiān)測方法，包括以下步驟A、SM0S衛(wèi)星7被動接收地表發(fā)射的L波段微波信號、并將信號數(shù)據(jù)傳給地面衛(wèi)星 接收站8，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9進行處理并同步傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)5 ；B、GNSS信號源1提供L波段微波信號，GNSS-R接收機2接收GNSS直射信號及經(jīng) 地面反射后的包含地物信息的前向散射信號，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)5 ；C、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)5將從GNSS-R接收機2獲取的小尺度目標區(qū)域的土壤6水 分信息和從數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)9獲取的大尺度的土壤6水分信息進行實時同步處理，對土壤6 水分信息進行精度評價以及反演算法的驗證。
權利要求一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，包括SMOS衛(wèi)星(7)、地面衛(wèi)星接收站(8)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(9)，所述的SMOS衛(wèi)星(7)通過L波段微波信號與地面衛(wèi)星接收站(8)連接，所述的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(9)通過信號電纜與地面衛(wèi)星接收站(8)連接，其特征在于所述的系統(tǒng)還包括GNSS信號源(1)、GNSS R接收機(2)、移動平臺(3)和平臺控制系統(tǒng)(4)，所述的GNSS信號源(1)通過L波段微波信號與GNSS R接收機(2)連接，所述的GNSS R接收機(2)安裝在移動平臺(3)上、通過不受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(5)連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(5)是安裝有微波遙感土壤(6)水分分析系統(tǒng)軟件的計算機，所述的平臺控制系統(tǒng)(4)是安裝有移動平臺(3)運動控制程序的工控機、通過不受其他信號干擾的陸面固有傳輸波段與移動平臺(3)連接，所述的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)(5)通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(9)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的移動 平臺(3)為地面遙感平臺、機載遙感平臺或低軌衛(wèi)星。
專利摘要本實用新型公開了一種微波遙感土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，包括SMOS衛(wèi)星、地面衛(wèi)星接收站和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、GNSS信號源、GNSS-R接收機、移動平臺和平臺控制系統(tǒng)。SMOS衛(wèi)星被動接收地表發(fā)射的L波段微波信號、并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，GNSS-R接收機接收GNSS直射信號及經(jīng)地面反射后的包含地物信息的前向散射信號、并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)對土壤水分信息進行精度評價以及反演算法的驗證。本實用新型將GNSS-R獲得的地面實時同步數(shù)據(jù)應用在被動微波傳感器SMOS土壤水分模型的精度評價和反演算法的驗證上，實現(xiàn)了多尺度、主被動結合的微波遙感土壤水分監(jiān)測。
文檔編號G01N22/04GK201754150SQ20102021870
公開日2011年3月2日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權日2010年6月7日
發(fā)明者吳學睿, 李穎 申請人:大連海事大學