PDF《反演方法》

干涉图技术是

2 北京航空航天大学学报 使用单天线同时接收直射信号和反射信号,利用 两信号在天线处的叠加发生的干涉实现反演[10] . 现有基于 GNSS-R 技术进行土壤湿度反演的 理论,大多基于解析模型和半经验模型.由于需 要参数多,建模复杂,这些方法大多有需要人工 测量较多数据,模型泛化特性不强等弱点.本质 上来说,使用 GNSS-R 技术进行土壤湿度反演是 一个非线性回归问题.支持向量回归机(Support Vector Regression Machine, SVRM)是Vapnik 于1995 年提出的基于结构风险最小化原则的回归 工具[11] ,与传统回归方法如神经网络方法、最小 二乘法等相比, 该方法所需训练样本量更少,且具 有更好的泛化性能. 本文首先分析了使用北斗地球静止轨道 (Geostationary Orbit, GEO)卫星信号进行土壤湿 度反演的方法及存在的难点;

结合支持向量回归 的理论,探讨了 SVRM 在北斗 GEO 卫星反射信 号反演土壤湿度中应用的可行性;

进行了地基土 壤湿度探测试验, 在此基础上利用 SVRM 辅助的 北斗 GEO 卫星反射信号土壤湿度反演模型对试 验数据进行处理,并对结果进行了分析和总结.

1 基本原理 北斗导航卫星发射的信号为右旋圆极化信 号.根据电磁波理论,对于不含磁性成分的土壤 反射面,反射信号一般为椭圆极化波,可分解为 一对左旋和右旋圆极化波,且左旋和右旋分量的 幅度均与土壤反射面的介电常数和卫星高度角有 关.随着高度角增大,反射信号左旋分量增大, 右旋分量减小,反射波表现为左旋椭圆极化.因 此在双天线GNSS-R系统中,为接收高仰角的 GNSS反射信号,接收机一般采用一副向上的右 旋圆极化(RHCP)天线接收直射信号, 另一副向下 的左旋圆极化(LHCP)天线接收地面反射信号. 地基接收北斗GEO卫星反射信号的情况下, 天线架设高度低,镜面反射点位置距离天线在地 面投影位置很近, 可以忽略地球曲率带来的影响;

卫星距离很远,信号的行程很长,接收机收到的 直射信号与镜面反射点处入射信号之间差别相对 很小,因此可以近似认为镜面反射点处与接收端 有相同的卫星方位角和高度角,接收机接收的直 射信号与到达土壤反射面的直射信号受到的大气 影响几乎完全相同,并且可以忽略直射路径和反 射路径的路程差. 基于以上假设,可以绘制北斗GEO卫星反射 信号几何关系如图1所示. 关于镜面反射点和探测 区域的计算方法文献[12] 中给出了详细说明.在地 基试验中天线固定,因此反射信号的镜面反射点 和探测区域均固定,可以利用北斗GEO卫星反射 信号长期、连续反演特定区域的土壤湿度. 图1 北斗GEO卫星反射信号的几何关系 Fig.1 Geometry of BeiDou GEO satellites'

signal reflection 通过计算直射和反射信号的相关功率,能够 得到土壤反射率.而土壤反射率又可以通过菲涅 耳方程与土壤介电常数建立函数关系,这样就可 以求得土壤介电常数. 土壤介电常数与土壤湿度有很强的相关性, 它们的关系由土壤介电常数模型给出.土壤的四 分量理论模型[13] 详尽描述了它们的关系,但是由 于其结构复杂,在工程应用中多采用简化的经验 模型或半经验模型如Dobson模型[14] 、Hallikainen 模型[15] 、Topp模型[16] 、Wang模型[17] 等. 到目前为止,在利用GNSS-R技术反演土壤 湿度方面还没有建立准确的解析模型和半经验模 型,并且存在以下难点: 1)直射、反射信号通道不一致的影响 在双天线应用中, 直射、 反射信号分立接收, 信号强度受到天线自身参数、生产工艺、安装方 式、卫星高度角和方位角的共同影响,这些影响 难以量化.另外直射、反射信号射频通道器件的 不一致性等问题也会对测量精度造成影响. 2)土壤表面粗糙度对微波散射的影响 当北斗GEO卫星信号在土壤表面发生反射 时,其信号相位和幅度特性将发生变化.由于地 表一般是粗糙的,散射信号分成两部分,即相干 分量和非相干分量.相干分量主要集中在粗糙表 面中的镜面反射方向,非相干分量的大小主要由 粗糙表面的粗糙程度决定.由于粗糙度的影响, 杨磊,等:SVRM 辅助的北斗 GEO 卫星反射信号土壤湿度反演方法