[发明专利]一种树木枝干径向分层结构的介电特征解析系统及方法

说明书

本发明公开了一种树木枝干径向分层结构的介电特征解析系统及方法，主要包括电磁波发送和接收模块、天线模块、回波处理模块三个部分；电磁波发射和接收模块用于控制连接的所有外设，产生发送电磁波并接受电磁回波；天线模块具有较大的前向增益，能抑制后向信号；回波处理模块利用基于过完备字典的稀疏分解算法对回波信号进行处理。本发明使用limeSDR作为电磁波发射机和接收机，它基于LMS7002芯片为核心，进行电磁波的发送和接收，通过定向天线对发送和接收的电磁波进行前向放大后向抑制，将接收的电磁波回波存储在PC机上，通过OCTAVE利用基于过完备字典稀疏分解算法对回波信号进行处理，分解后利用剥层算法并根据电磁波在层状介质中的传播特性逐层反演出各层参数。

技术领域

本发明涉及树木枝干径向分层结构，且更具体地涉及一种树木枝干径向分层结构的介电特征解析系统及方法。

背景技术

我国北方地区多属于温带和寒带气候，冬季有较长时间的冰霜期，这些区域中有大面积的经济和生态林木每年都会面临比较严重的寒害威胁。低温胁迫下树木水分生理响应规律的研究对了解树木的抗寒性能有着重要的意义。越冬期树木枝干冻融信息不仅是园林管理工作所急需的参考依据，同时也是树木抗寒分子调控机制研究的宏观反馈信息。树木枝干介电特征信息不仅是农林生产者和生态维护人员迫切需要的生产指导信息，也是植物生理学家长期关注的研究对象。

树木枝干中树皮、韧皮部、形成层、木质部等径向分层结构之间的水分含量差异明显，因此，各分层结构的介电特征也不尽相同。由于形成层和韧皮部厚度为紧密相邻的较薄分层，并且含水量都相对较高，这里将其归为一层，故从外到内可为分为4层：空气、树皮、韧皮部和形成层、木质部。

近些年来，树木在经济发展中越来越重要。近年来，环境治理、防风固沙的规模显著增加，为满足其日常维护需求，建立一种能够自动解析复杂场景数据的框架日益迫切，尤其是在树木枝干径向分层结构的介电特征解析方面，因此如何建立一个系统化的流程分析探地雷达在多层结构中的回波信号具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种树木枝干径向分层结构的介电特征解析系统及方法，该系统使用limeSDR作为电磁波发射机和接收机，它基于LMS7002芯片为核心，进行电磁波的发送和接收，通过GNU Radio可以自己设置信号的类型、频率、周期、增益等参数，能够对接收到的信号进行频域、时域、瀑布图、星座图等方面的分析，也可利用自带模块对波形进行保存；电磁波通过定向18dBi 高增益雷达天线对发送和接收的电磁波进行前向放大后向抑制，将接收的电磁波回波存储在PC机上，通过OCTAVE利用基于过完备字典稀疏分解算法对回波信号进行处理，分解后利用剥层算法(layer stripping)并根据电磁波在层状介质中的传播特性逐层反演出各层参数，从而完成树木枝干径向分层结构的介电特征解析；

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明所述树木枝干径向分层结构的介电特征解析系统及方法，主要包括电磁波发送和接收模块、天线模块、回波处理模块三个部分；

所述电磁波发射和接收模块，包括微处理器，所述微处理器为LMS7002M 芯片，所述LMS7002芯片是LimeSDR的第二代现场可编程射频(FPRF)收发器 IC；所述LMS7002芯片至少连接有通信单元、RF射频单元和振荡器单元；所述通信单元为SuperSpeed USB总线，用于供电和信号传输；所述RF射频单元有两对接收/发射通道用于信号的发射和接受；所述振荡器单元为Rakon RPT7050A，频率为30.72MHz，用于产生信号；

所述天线模块为定向18dBi雷达天线，具有较大的前向增益，能抑制后向信号，可实现电磁波发射和接收；