CC BY
65
УДК 537.86
ДИАГНОСТИКА ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ РЕФЛЕКТОГРАММ СИГНАЛОВ ГЛОНАСС И GPS
1 2 1 2 2 2 1 2
В. Л. Миронов ' , А. В. Сорокин ' , М. И. Михайлов , С. В. Фомин , К. В. Музалевский '
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 660014, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
2
Институт физики имени академика Л. В. Киренского, Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук Россия Россия, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/38. E-mail: [email protected]
Получены интерференционные рефлектограммы почвы в натурных условиях с использованием регистрации сигналов излучения группировок навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS приемными антеннами с разными поляризационными характеристиками. Разработан и апробирован алгоритм восстановления влажности поверхностного слоя почвы и его геометрических характеристик на основе использованием пространственного отбора и статистической обработки временных зависимостей рефлектограмм. Использована обобщенная температурно-минералогически зависимая диэлектрическая модель для влажных почв. Показано, что использование дипольных антенн в методе интерференционной рефлектометрии более эффективно для восстановления почвенной влажности.
Ключевые слова: интерференция, рефлектограмма, поляризация, сигналы навигационных спутников, влажность, поверхностный слой, почва.
DETERMINATION OF SOIL MOISTURE USING POLARIZATION REFLECTOGRAM
OF GLONASS- AND GPS-SIGNALS
1 2 1 2 2 2 1 2
V. L. Mironov ' , A.V. Sorokin ' , M. I. Mihaylov , S. V. Fomin , K.V. Muzalevskiy '
1 Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31 "Krasnoyarskiy Rabochiy" prospect, Krasnoyarsk, 660014, Russia
2
Institute of Physics named after academician L. V. Kirenskiy, Krasnoyarsk Scientific Center of the Russian Academy of Sciencess, Siberian Branch 50/38 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia. E-mail: [email protected]
The authors present the received interference reflectograms of soil in natural conditions with the use of registration of the signals of radiation of the constellations of navigation satellites GLONASS and GPS by receiving aerials with different polarizing characteristics. The algorithm of restoration of humidity (wet) in the surface soil layer and its geometry is designed and evaluated on the basis of the use of spatial selection and the statistical processingof time dependences of the reflectograms. The generalized refractive dielectric model for wet soils was used. It is shown that the use of dipole aerials in the method of interferential reflectometry is more efficientfor reconditioning of the soils moisture.
Keywords: interference, trace, polarization, the signals of navigation satellites, humidity (wet), surface layer of soil.
В прошедшее десятилетие активно развиваются поляризациями, с вариациями высоты расположения
методы интерференционной рефлектометрии с ис- приемного модуля над поверхностью почвы. пользованием сигналов группировок навигационных Эксперимент. В измерениях использовано коге-
космических аппаратов (НКС) ГЛОНАСС и GPS [1-4]. рентное радиоизлучение навигационных космических
Исследования в данном направлении определяют аппаратов (НКА) группировок ГЛОНАСС и GPS. Ра-
реальную перспективу создания эффективных мето- бочие частоты сигналов отдельных спутников ГЛОНАСС
дик непрерывного локального мониторинга припо- лежат в диапазоне 1598,0625 <f < 1604,25 МГц (соот-
верхностных характеристик почвы с растительными ветственно длины волн 18,76 > X > 18,69 см, аппараты
покровами различного типа. системы GPS излучают волны на частоте f = 1575,42 МГц,
В данной работе представлены экспериментальные X = 19,03 см) данные по определению влажности почвы на основе В качестве измерительной аппаратуры использо-
регистрации интерференционного рефлектометриче- вался мобильный радиоприемный комплекс МРК-32.
ского сигнала от поверхности почвы. В эксперимен- Для регистрации и хранения полученной информации
тах были использованы селективные по поляризации применялся ноутбук. МРК-32 позволяет в реальном
антенны. Регистрировались интерференционные реф- времени, круглосуточно, принимать сигналы обеих
лектограммы для правой круговой и вертикальной навигационных систем. Элементарные отсчеты
Раздел 2. Радиофизические методы диагностики окружающей среды. Алгоритмы, инструменты и результаты
12 16 20 24 27 31 34 37 39 41 43 угол теста, град
Интерференционная рефлектограмма сигнала от пашни
амплитуды принимаемого сигнала регистрируются с частотами в интервале 1-2 Гц.
Измерения проведены в северо-западной пригородной зоне города Красноярска 7.07.2012 г. с использованием антенны, принимающей излучение с вертикально поляризованной компонентой напряженности электрического поля. Пашня вспахана и заборонена. Высота подъема антенны над поверхностью почвы 2,8 м. Географические координаты расположения антенны: 56°03'48,25" с. ш., 92°41'20,34" в. д.
Содержание глинистой и песчаной фракций 28 и 72 % соответственно. Характерный параметр поверхностной шероховатости удовлетворяет условию с / X < 1. Объемная влажность почвы в день измерений снята в 5 точках на расстоянии 12 м от антенны и составляет 0,24, 0,26, 0,18, 0,30 и 0,22. Среднее значение - 0,24.
Зарегистрированы и обработаны сигналы 9 спутников системы ГЛОНАСС и 8 спутников системы GPS. Длительность непрерывных сеансов регистрации составляла 3-5 ч. Характерная интерференционная рефлектограмма, соответствующая измерениям над пашней, представлена на рисунке.
Результаты и обсуждение. Обработка экспериментальных данных для правоциркулярной и диполь-ной антенн проводились по методике, представленной в работе [4]. Массивы данных очищались от аппаратных сбоев и приводились к стандартизованному виду. Модельный расчет амплитуды принятого сигнала как функции соответствующих углов места ф проводился по формуле
E = KF[1 + S + R + 2SRcos Ф]0,5, (1)
где K - нормировочный множитель; F - функция диаграммы направленности приемной антенны, S - параметр шероховатости почвенного слоя; Rr = (rs + rp)/2 и RV - френелевские коэффициент отражения пра-воциркулярной или вертикальной поляризации; Ф = 8V + (4лАпр / X)sin ф - набег фазы за счет разности хода прямой и отраженной волн; Ипр - высота приемника; X - длина волны; ф - угол места спутника.
Взаимосвязь между диэлектрической проницаемостью и влажностью почвенного слоя рассчитывалась
по температурно - и минералогически зависимои диэлектрической модели почвы [3]. С помощью нелинейного регрессионного анализа проводилась минимизация целевой функции путем варьирования значений искомых параметров расчетной модели.
В таблице представлены результаты по восстановлению влажности свободного почвенного слоя с использованием вертикально ориентированной диполь-ной антенны по данным регистрации отдельных спутников. При статистической обработке одного сеанса использованы записи без ограничений по диапазону азимутов, что обеспечивает усреднение влажности по площади зондируемого участка вблизи антенны до 400 м.
Влажность почвенного слоя, определенная с помощью дипольной антенны
№ п/п Навигационный спутник Высота приемника h, см Влажность почвенного слоя W, см /см
1 ГЛОНАСС-1 278,8 0,375
2 ГЛОНАСС-2 288,5 0,211
3 ГЛОНАСС-10 301,0 0,150
4 ГЛОНАСС-11 279,3 0,203
5 ГЛОНАСС-13 292,4 0,140
6 ГЛОНАСС-20 285,4 0,140
7 ГЛОНАСС-21 287,6 0,158
8 ГЛОНАСС-22 271,7 0,081
9 GPS-10 271,7 0,202
10 GPS-11 287,5 0,376
11 GPS-13 282,2 0,249
12 GPS-16 282,8 0,381
13 GPS-19 259,0 0,095
14 GPS-23 266,8 0,162
15 GPS-26 269,8 0,198
16 GPS-28 275,7 0,132
17 GPS-30 282,7 0,363
Среднее 280,2 0,213
Доверительный интервал ±5,3 ±0,052
Стандартное отклонение 10,3 0,101
Независимые измерения 285 0,24
Запись рефлектограммы в диапазоне углов, содержащем угол Брюстера, дает возможность проводить устойчивую минимизацию целевой функции и запись рефлекторграммы в диапазоне углов, содержащем угол Брюстера, дает возможность восстановить диэлектрическую проницаемость отражающего слоя и, соответственно, усредненную по площади влажность с большей точностью. На рис. 1 приведены интерференционная рефлектограмма и расчетная кривая для модели почвы с содержанием глины 25 % и объемной влажностью W = 0,213 ± 0,05 см3/см3. Полученные результаты сопоставимы со значениями влажности W = 0,244 см3/см3, определенной независимо термостатно-весовым методом.
Разработана модель формирования интерференционной рефлектограммы почвенными покровами безлесных территорий с применением правоциркулярной и дипольной антенн.
С помощью этой модели проведено восстановление влажности верхнего слоя почвенного покрова. Показано, что значения влажностей, восстановленных из единичных интерференционных рефлекто-метрических измерений, испытывают значительные вариации, и сделан вывод о необходимости использования массивов данных с большим количеством элементарных отсчетов для оптимизации статистической обработки.
Сопоставление значений восстановленной влажности и измеренной независимым методом показало эффективность восстановления влажности почвы с использованием антенны, принимающей сигнал с вертикальной поляризацией.
Библиографические ссылки
1. Soil Moisture Retrieval Using GNSS-R Techniques: Experimental Results Over a Bare Soil Field / R.-A. Nereida et al. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2009. Vol. 47, № 11. P. 3616-3624.
2. Kristine M. Larson et al. GPS Multipath and Its Relation to Near-Surface Soil Moisture Content // IEEE J. of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2010. Vol. 3, № 4. Part 2. P. 91-99.
3. Mironov V. L., Kosolapova L. G., and Fomin S. V., Physically and mineralogically based spectroscopic dielectric model for moist soils // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2009. Vol. 47, № 7. P. 2059-2070.
4. Восстановление диэлектрической проницаемости почв и лесных покровов при использовании сигналов навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS / В. Л. Миронов, С. В. Фомин, А. В. Сорокин и др. // Известия вузов. Физика. 2012. Т. 55, № 9/2. С. 99-101.
References
1. Nereida Rodriguez-Alvarez et al., IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, V. 47, N. 11, November
2009, рp. 3616-3624.
2. Kristine M. Larson et al. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing,
2010, Vol. 3, №. 4, part 2, pp. 91-99.
3. Mironov V. L., Kosolapova L. G., and Fomin S. V., IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., Jul. 2009,Vol. 47, N. 7, pp. 2059-2070.
4. Mironov V. L., Fomin S. V., Sorokin A. V., Muzalevskiy K. V, Mihaylov M. I., Izvestiya VUZov. Fizika, 2012.Vol. 55, No. 9/2, pp. 99-101.
© Миронов В. Л., Сорокин А. В., Михайлов М. И., Фомин С. В., Музалевский К. В., 2013
УДК 538.956+537.876.42
КОЭФФИЦИЕНТЫ ОТРАЖЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ СЛОИСТОЙ СРЕДЫ И ВОЗМОЖНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ОДНОГО ИЛИ ДВУХ СЛОЕВ*
А. В. Репин, А. С. Ященко
Омский государственный педагогический университет Россия, 644099, Омск, наб. Тухачевского, 14. Е-mail: [email protected]
Приведены результаты определения комплексной диэлектрической проницаемости слоистой среды. Описана методика измерения диэлектрических параметров сразу двух образцов с различными диэлектрическими проницаемостями. Проведена проверка возможности определения диэлектрической проницаемости с одновременным использованием коэффициентов отражения и прохождения. Показано, что данный метод применим для измерения в диапазоне частот от 100 МГц до 4 ГГц. Реализован способ автоматического расчета диэлектрических параметров в программной среде MS Excel. Корректное восстановление диэлектрической проницаемостей возможно, если начальные значения отличаются от истинных не более чем на 10 %. Полученные результаты могут быть использованы при проведении диэлектрических измерений.
Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, коэффициент отражения, коэффициент прохождения, слоистая среда.
*Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 12-05-00502-а).
