Диэлькометрические измерения почвенных образцов для задач дистанционного зондирования подстилающей поверхности на частоте 1. 41 ГГц Текст научной статьи по специальности «Физика»

Bulletin AB RGS [Izvestiya AO RGO]. 2018. No1 (48)

УДК 528.46 + 621.371

ДИЭЛЬКОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЧВЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ЗАДАЧ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ЧАСТОТЕ 1.41 ГГЦ

П.Н. Уланов

Алтайский государственный университет, Барнаул, E-mail: ulanovpn@phys.asu.ru

Приведены результаты исследований почвенных образцов из пойм рек Алтайского края. В лабораторных условиях измерены комплексная диэлектрическая проницаемость, комплексный коэффициент преломления и коэффициент излучения почв. Установлены зависимости коэффициента излучения от температуры и влажности. Для оценки паводковых явлений в Алтайском крае разработан алгоритм дистанционной оценки почвенной влажности на основе спутниковых данных.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, комплексная диэлектрическая проницаемость, комплексный коэффициент преломления, коэффициент излучения.

Дата поступления 5.03.2018

Методы космического микроволнового мониторинга, получившие существенное развитие в течение последнего десятка лет, позволяют оперативно собирать спутниковую информацию о характеристиках излучения и отражения подстилающей поверхности в разных частотных диапазонах. Приборы для дистанционного зондирования бывают двух типов: активные (радары) и пассивные (радиометры). В ходе исследований использовались данные радиометрического приемника Ь-диапазона МГОАБ, установленного на спутнике БМОБ и предоставляющего информацию обо всей поверхности Земли раз в три дня. Однако для интерпретации требуется решить обратную задачу -перевод поверхностного распределения радиояркостной температуры и комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) в значения температуры и влажности подстилающей поверхности. Для этого проведены измерения диэлектрических характеристик почвенных образцов в Ь-диапазоне (1.41 ГГц) с получением в интервале температур от 260 до 290 К и объемной влажности в

3 3

диапазоне от 0 до 0,60 см /см . Почвенные образцы для исследований, собран-

ные в поймах рек Алтайского края, предоставлены сотрудниками Лаборатории физики атмосферно-гидросфер-ных процессов А.Н. Романовым и Д.Н. Трошкиным. Карта-схема тестовых участков с точками отбора представлена на рисунке 1.

Для получения данных о КДП образца он помещался в измерительную ячейку, представляющую собой отрезок коаксиального волновода с волновым сопротивлением 50 Ом.

Рис. 1. Карта-схема отбора почвенных образцов

Известия АО РГО. 2018. № 1 (48)

Ее внешний диаметр - 16 мм, внутренний - 7 мм, длина - 37 мм, объем -24 мл. Разъемы имеют геометрию типа II (один - штекер, другой - гнездо), что позволяет соединять измерительный тракт напрямую. Образцы предварительно измельчались, что не гарантировало, однако, достижения их одинаковой плотности, поэтому результаты нормировались на массу сухого образца.

п =-

п -1 Ро

+1,

(1)

где п' - нормированный коэффициент комплексного преломления (ККП), рс -

плотность сухого образца.

Измерения проводились на измерителе разности фаз ФК2-18 с генератором Г4-78. Измерительный тракт был построен по мостовой схеме. В ходе эксперимента сравнивались сигналы: первый - с генератора, второй - прошедший через образец. Для учета влияния измерительной ячейки выполнялась калибровка - тракт соединялся напрямую, и выставлялись показания, компенсирующие ее вклад. Измеритель разности фаз дает величины разницы амплитуд и фаз между входными сигналами, отклонения этих показаний от нуля характеризуют образец.

Для установления зависимостей от температуры и влажности проводилась серия измерений. При измерениях по температуре каждый образец предварительно замораживался в измерительной ячейке с размещенным на ее поверхности термодатчиком и помещался в тракт установки для снятия показаний прибора. Измерения проводились до тех пор, пока образцы не нагревались до комнатной температуры.

Для установления зависимости по влажности образцы сушились до полного высыхания, при этом в процессе сушки периодически снимались характеристики почвы при разном содержании воды. При необходимости получения данных с влажностью, повышенной по сравнению с естественной, образец увлажнялся дистиллированной водой. Все образцы после измерений дважды взвешивались: до и после сушки. По-

грешность при измерении массы составила 0,0001 г.

В результате измерений получались зависимости амплитуды и фазы образцов от их влажности или температуры. Для вычисления интересующих характеристик - комплексной диэлектрической проницаемости и комплексного коэффициента преломления - запускался итеративный процесс.

А . п

— г-га

Т = 1020 е 180 ;

Т = 1 г „г(х-го У

(2)

1 - г2 е

2 2 гуй

Система в формуле (2) содержит две записи коэффициента прохождения через слой образца. Здесь А - амплитуда сигнала в ёБ, (р - фаза сигнала, г - коэффициент отражения от границы воздух-образец, у,у0 - волновые числа в

образце и воздухе, ё - толщина слоя образца. Итерации начинаются с предположения, что г = 0. Дальнейшее уточнение ведется по формуле:

(

у = у + а

71 -У + "Г

(

1 - г

1 - г2е27 V1 ' е ) )

(3)

Остановка происходит при достижении предела точности компьютерных вычислений. Здесь а = 0.415 - 0.1 г -подстроечный параметр, эмпирически подобранное значение, при котором скорость схождения итераций близка к максимальной, у - первое приближение волнового числа. Полученные значения пересчитываются в набор КДП, ККП и коэффициентов излучения образцов [1]:

п = п +7 к:

£ = £ +г£

(4)

1 =

4 п

(п +1)2 + к2

Радиояркостная температура - это произведение коэффициента излучения и эффективной температуры слоя подстилающей поверхности:

тя =хТэ. (5)

Зависимости коэффициента излучения от влажности и температуры представлены на рисунках 2, 3 и 4.

ВпПеИп АВ Я08 [^евйуа АО ЯОО]. 2018. Ыо1 (48)

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 \Л/ 0.Е

Рис. 2. Обобщенные зависимости показателей преломления (1) и поглощения (2) от влажности

г 0.80

0.75

0.70

0.65

0.60

0.55

0.50

0.45

0 40

- ■•< '•«■■И?

V1

2

кз

1.1.

Рис. 3. Обобщенные зависимости коэффициента излучения х почвы от объемной влажности W для всех почв с тестовых участков в бассейне Верхней Оби

260 265 270 275 280 285 290 Т

Рис. 4. Зависимости коэффициентов излучения почвы от температуры

при объемной влажности: 1 - W = 0,36 см3/см3, 2 - 0,40 см3/см3, 3 - 0,54 см3/см3.

Установленная экспериментальная зависимость аппроксимировалась следующей формулой (6):

Ш(х) = (1.281 ± 0.015) -(2.167+ 0.047)х+ (0.826+ О.ОЗб)х2

На основе установленных лабораторных зависимостей данных дистанционного зондирования построены карты влажности, согласно алгоритму, описанному в [2], приведенные на рисунке 5.

Полученная зависимость позволит проведение оперативного анализа данных дистанционного зондирования в поймах рек Алтайского края для оценки возможности возникновения паводковых явлений.

Рис. 5. Карта-схема тестовых участков Алтайского края, распределения радиояркост-ной температуры (БМОБ), термодинамической температуры (МОБК) и рассчитанной

объемной влажности

Известия АО РГО. 2018. № 1 (48)

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 17-45-220460.

Список литературы

1. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н., Рычкова Н.В. Дистанционное определение влажности почв на территории Алтайского края // Почвоведение. - 1992. -№ 11. - С. 136-140.

2. Romanov A.N., Khvostov I.V. Microwave Remote Monitoring of Altai Catastrophic Flood Dynamics Using SMOS Data // Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE. - 2015.

- Vol. 12. - № 10. - P. 2036-2040.

References

1. Komarov S.A., Mironov V.L., Romanov A.N., Rychkova N.V. Distantsionnoye opre-deleniye vlazhnosti pochv na territorii Altayskogo kraya // Pochvovedeniye. - 1992. - № 11.

- S. 136-140.

2. Romanov A.N., Khvostov I.V. Microwave Remote Monitoring of Altai Catastrophic Flood Dynamics Using SMOS Data // Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE. - 2015.

- Vol. 12. - № 10. - P. 2036-2040.

DIELCOMETRIC MEASUREMENTS OF SOIL SAMPLES FOR REMOTE SENSING OF UNDERLYING SURFACE AT A FREQUENCY OF 1.41 GHZ

P.N. Ulanov

Altai State University, Barnaul, E-mail: ulanovpn@phys.asu.ru

The article describes the stages of obtaining and processing the values of complex dielectric permittivity, complex refractive index and radiation coefficient of soil samples for remote sensing purposes. Soils sampled from the river floodplains of Altai Krai were studied. The measured data were numerically recalculated depending on radiation coefficient of temperature and humidity. It allows to perform an operation analysis of remote sensing data on Altai Krai floodplains for the assessment of probable flood events.

Keywords: remote sensing, complex dielectric permeability, complex refractive index, radiation coefficient.

Received March 5, 2018