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专利号: 2021115850757
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,建立模型;利用低成本的大地测量型接收机采集北斗或GPS导航系统卫星的载噪比观测数据,同时计算其相应历元时刻的高度角和方位角,建立基础的洪水探测对比参考模型;

步骤1‑1,针对随机噪声的影响,采用基于高度角约束的自适应滑动窗口对原始载噪比观测值进行滤波去噪处理,提高载噪比观测值的精度;

步骤1‑2,利用二阶多项式拟合方法对载噪比观测值进行处理,滤除掉直射信号的载噪比影响,仅保留反射信号的载噪比信息;

步骤1‑3,与步骤1‑2同步进行,算载噪比相位差与土壤湿度的信息;

步骤1‑4,对各北斗或GPS系统按照分轨道分频率分卫星建立载噪比直接探测模型和相位差土壤湿度间接探测模型;

步骤2,利用步骤1建立的洪水探测载噪比模型对探测天的数据直接进行载噪比对比探测;

步骤2‑1,对探测当天接收到的北斗或GPS载噪比数据进行处理,得到探测当天的精确的各卫星各频率的载噪比数据;

步骤2‑2,将该历元时刻获得的载噪比数据与步骤1建立的洪水探测模型进行比对,其比对参考以卫星的高度角和方位角为基准;

步骤2‑3,将比对结果和阈值做比较,如果比对结果超过洪水设定阈值,则对该历元进行标记,若小于探测阈值,则进行下一历元时刻处理;

步骤3,利用载噪比中的相位差与土壤积水的关联型对洪水进行二次探测,确保洪水探测成功率和准确率;

步骤3‑1,采用Lomb‑Scargle谱分析方法计算卫星的有效反射高度,消除卫星有效反射高度对相位差计算的影响,为相位差的精确计算提供保障;

步骤3‑2,利用土壤湿度和相位差的相关模型计算该相位差对应的土壤湿度,得到实时的土壤湿度数据;

步骤3‑3,将计算得到的土壤湿度数据与建立的土壤湿度探测模型进行对比,若此时土壤湿度超过设定阈值,则进行标记,若小于探测阈值,则不进行标记;

步骤4,结合步骤2和步骤3的结果,对洪水探测结果分析处理;若两种数据均出现标记,则对洪水进行预警处理,若仅有一组数据,则利用步骤2和步骤3的数据对探测模型进行更新完善,若两组探测结果均没有标记,则不进行任何处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法,其特征在于,所述的高度角约束的自适应滑动窗口算法包括以下子步骤:子步骤11a,在卫星上升初期,高度角由0到30度的上升阶段,选择前向滑动窗口,窗口长度根据数据采样频率选择;

子步骤11b,当卫星高度角大于30度时,选择前向后向联合窗口平滑模式,窗口长度选择60和30;

子步骤11c,在卫星下降阶段,高度角小于30度时,采用后向滑动窗口进行滤波去噪。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法,其特征在于,所述的分卫星建立载噪比直接探测模型,建立过程包括以下子步骤:子步骤14a,连续收集无降雨日的北斗或GPS载噪比观测值;

子步骤14b,按照步骤1‑1载噪比滤波去噪处理方法进行处理;

子步骤14c,分轨道类型、分卫星、分频率对处理的载噪比进行分类建模。

4.根据权利要求1所述的一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法,其特征在于,所述的相位差土壤湿度间接探测模型算法,包括以下子步骤:子步骤15a,采用二阶多项式拟合模型对载噪比进行处理,消除直射信号的载噪比影响,仅保留反射信号的载噪比,其二阶多项式拟合模型表示如下:i

其中,2表示该多项式为2阶多项式,w是x的系数,x代表的是x的i次幂;信号长度为N,对于每一个样本xn,其对应的输出为tn,用平方误差和作为损失函数,表示为:子步骤15b,采用Lomb‑Scargle谱分析计算反射信号载噪比的波动频率和有效反射高度,消除有效反射高度的影响,其计算模型表示为:其中,f即反射信号载噪比的波动频率;h是卫星有效反射高度,λ是信号波长;通过Lomb‑Scargle谱分析可以计算得到卫星有效反射高度,记为he;

子步骤15c,采用最小二乘方法计算反射信号载噪比的相位差和幅度,其计算方法通过下式得到

其中,e为卫星当前历元高度角,he是卫星有效反射高度,λ是信号波长,A为反射信号载噪比幅度,φ为反射信号载噪比相位差,A和φ参数可以通过最小二乘求解出来;

子步骤15d,利用载波比相位差计算当前的土壤湿度,计算模型为:VWC就是当前历元的土壤湿度,Δφ是实际相位差与参考相位差的差值,实际相位差通过公式(4)求得,参考相位差选择连续非降雨时的相位差做为参考相位差,而连续非降雨时的相位差可通过公式4求均值获取。

5.根据权利要求1所述的一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法,其特征在于,所述的步骤2‑3中的阈值为:平均载噪比下降或上升偏差达0.5dB‑Hz则表明存在洪水强相关。

6.根据权利要求1所述的一种基于北斗或GPS载噪比观测值的洪水探测方法,其特征在

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于,所述的步骤3‑3中的阈值为:平均土壤湿度达0.6m/m则表明与洪水存在强相关。