ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №4

УДК: 537.86, 528.88, 631.432.2

ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА И ВЛАЖНОСТИ
НА ПЕРЕСЕЧЕНИЕ СПЕКТРОВ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЧВ

А.Ю. Каравайский, Ю.И. Лукин

Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН,

660036, Красноярск, ул. Академгородок 50, стр. 38

Статья поступила в редакцию 16 ноября 2023 г.

Аннотация. Проведено исследование пересечений спектров вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости влажных органических почв с различным содержанием органического вещества от 11 до 54 % в диапазоне частот от 15 МГц до 15 ГГц и в диапазоне температур от 0 до 25 °С. На основании полученных экспериментальных зависимостей предложена эмпирическая модель для оценки среднего значения частот, на которых наблюдается пересечения спектров диэлектрической проницаемости почв, в диапазоне изменений значений этих частот при изменении температуры. Предложенная модель также включает формулу расчета значения объемной влажности, при которой появляется пересечение спектров диэлектрической проницаемости почв.

Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, органическая почва, влажность почв, пересечение частот, эффект Максвелла-Вагнера.

Финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда и Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научного проекта № 22-27-20112.

Автор для переписки: Каравайский Андрей Юрьевич, rsdak@ksc.krasn.ru

Литература

1. Fang H. Y., Daniels J. L. Introductory geotechnical engineering: an environmental perspective. – CRC Press, 2017.

2. Robinson D. A. et al. Soil moisture measurement for ecological and hydrological watershed-scale observatories: A review //Vadose zone journal. – 2008. – Vol. 7. – №. 1. – P. 358-389.

3. Ragab R. et al. The cosmic-ray soil moisture observation system (Cosmos) for estimating the crop water requirement: new approach //Irrigation and drainage. – 2017. – Vol. 66. – №. 4. – P. 456-468.

4. SU S. L., Singh D. N., Baghini M. S. A critical review of soil moisture measurement //Measurement. – 2014. – Vol. 54. – P. 92-105.

5. Robinson D. A. et al. On the effective measurement frequency of time domain reflectometry in dispersive and nonconductive dielectric materials //Water Resources Research. – 2005. – Vol. 41. – №. 2.

6. Bobrov P. P. et al. Soil moisture measurement by the dielectric method //Eurasian Soil Science. – 2019. – Vol. 52. – P. 822-833.

7. Muhammad M., Almushfi S. Dielectric analysis model for measurement of soil Moisture water content using electrical capacitance volume tomography //Modern Applications of Electrostatics and Dielectrics. – IntechOpen, 2019. – P. 73.

8. Mironov V. L., Bobrov P. P., Fomin S. V. Multirelaxation generalized refractive mixing dielectric model of moist soils //IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. – 2012. – Vol. 10. – №. 3. – P. 603-606.

9. Кауричев И. С. и др. Почвоведение.; Под ред. ИС Кауричева. – 4-е изд., перераб. и доп //М.: Агропромиздат. – 1989.

10. Visconti F. et al. Laboratory and field assessment of the capacitance sensors Decagon 10HS and 5TE for estimating the water content of irrigated soils //Agricultural Water Management. – 2014. – Vol. 132. – P. 111-119.

11. Gardner C. M. K., Dean T. J., Cooper J. D. Soil water content measurement with a high-frequency capacitance sensor //Journal of Agricultural Engineering Research. – 1998. – Vol. 71. – №. 4. – P. 395-403.

12. Topp G. C., Davis J. L., Annan A. P. Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines //Water resources research. – 1980. – Vol. 16. – №. 3. – P. 574-582.

13. Noborio K. Measurement of soil water content and electrical conductivity by time domain reflectometry: a review //Computers and electronics in agriculture. – 2001. – Vol. 31. – №. 3. – P. 213-237.

14. Kelleners T. J. et al. Frequency dependence of the complex permittivity and its impact on dielectric sensor calibration in soils //Soil Science Society of America Journal. – 2005. – Vol. 69. – №. 1. – P. 67-76.

15. Kornelsen K. C., Coulibaly P. Advances in soil moisture retrieval from synthetic aperture radar and hydrological applications //Journal of Hydrology. – 2013. – Vol. 476. – P. 460-489.

16. Kerr Y. H. et al. The SMOS mission: New tool for monitoring key elements ofthe global water cycle //Proceedings of the IEEE. – 2010. – Vol. 98. – №. 5. – P. 666-687.

17. Ahlmer A. K. et al. Soil moisture remote-sensing applications for identification of flood-prone areas along transport infrastructure //Environmental earth sciences. – 2018. – Vol. 77. - №. 14. – P. 533.

18. Wu Y. et al. Dielectric properties of saline soils and an improved dielectric model in C-band //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2015. – Vol. 53. – №. 1. – P. 440-452.

19. Garrison J. et al. Remote sensing of soil moisture using P-band signals of opportunity (SoOp): Initial results //2017 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). – IEEE, 2017. – P. 4158-4161.

20. Hoekstra P., Delaney A. Dielectric properties of soils at UHF and microwave frequencies //Journal of geophysical research. – 1974. – Vol. 79. – №. 11. – P. 1699-1708.

21. Logsdon S. D. Soil dielectric spectra from vector network analyzer data //Soil Science Society of America Journal. – 2005. – Vol. 69. – №. 4. – P. 983-989.

22. Hasar H. et al. Permittivity Extraction of Soil Samples Using Coaxial-Line Measurements by a Simple Calibration //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2023. – Vol. 61. – P. 1-8.

23. Loewer M. et al. Ultra-broad-band electrical spectroscopy of soils and sediments—A combined permittivity and conductivity model //Geophysical Journal International. – 2017. – Vol. 210. – №. 3. – P. 1360-1373.

24. Arcone S. A., Grant S. A., Boitnott G. E. Maxwell–Wagner relaxation in two desert soils at medium and high water contents: Interpretation from modeling of time domain reflectometry data //IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. – 2015. – Vol. 9. – №. 1. – P. 201-211.

25. Chen Y., Or D. Effects of Maxwell‐Wagner polarization on soil complex dielectric permittivity under variable temperature and electrical conductivity //Water resources research. – 2006. – Vol. 42. – №. 6.

26. Каравайский А. Ю., Лукин Ю. И. Влияние диэлектрических релаксаций почвенной воды на температурную зависимость диэлектрической проницаемости почвы //Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. – 2023. – №. 1.

27. Karavayskiy A. Y., Lukin Y. I. The Effect of Clay Content on the Spectra of Permetivity of Mineral Soils at Positive Temperatures //2023 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW). – IEEE, 2023. – P. 456-459.

28. Mironov V. L. et al. A technique for measuring the frequency spectrum of the complex permittivity of soil //Journal of Communications Technology and Electronics. – 2010. – Vol. 55. – №. 12. – P. 1368-1373.

29. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы. Учебник. – 2012. – 413 c.

30. ГОСТ 10007-80. Межгосударственный стандард. Фторопласт-4. Технические условия. –– М. : Стандартинформ, 2005. –– 15 с.

31. Ахадов, Я. Ю. Диэлектрические параметры чистых жидкостей / Я. Ю. Ахадов. –– М. : МАИ, 1999. –– 856 с.

Для цитирования:

Каравайский А.Ю. Лукин Ю.И. Влияние органического вещества и влажности на пересечение спектров диэлектрической проницаемости почв. // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – №. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.4.11