ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2020. № 12
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.8
УДК 621.369.9
Измерение влажности засеянной пшеницей почвы с использованием радиоимпульса на частоте 630 МГц
К. В. Музалевский
Институт физики им. Л.В.Киренского – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН, 660036, г. Красноярск, ул. Академгородок, д.50, стр.38
Статья поступила в редакцию 30 ноября 2020 г.
Аннотация. В данной статье приведены результаты измерения влажности поверхностного слоя почвы толщиной 6см с использованием радиоимпульса на центральной частоте 693 МГц, излученного и принятого логопериодической антенной, ориентированной максимум диаграммы направленности в надир. Полевые эксперименты по измерению коэффициента отражения на центральной частоте радиоимпульса проводились с 25 мая по 8 июля 2020 на сельскохозяйственном поле, засеянном пшеницей, в районе с. Минино (56.08676 С.Ш., 92.67944 В.Д.), Красноярский край. В ходе экспериментов высота пшеницы составляла от ~10см до ~60см. Радиоимпульсы формировались и регистрировались с использованием векторного анализатора цепей Agilent N9918A FieldFoх, подключенного к выходу антенны. Методика оценки коэффициента отражения состояла в измерении максимума огибающей радиоимпульса, отраженного от почвенного покрова относительно максимума огибающей радиоимпульса, отраженного от металлического экрана, размещенного на поверхности почвы. Экспериментально установлено, что пренебрежение влиянием растительного покрова пшеницы высотой до 60см приводит к занижению дистанционно измеряемых значений влажности почвы на 0,05 см3/см3. Показано, что простая модель, описывающая затухание радиоимпульса в растительном покрове по экспоненциальному закону, с коэффициентом детерминации 0,976 и среднеквадратическим отклонением 0,03 см3/см3, позволяет дистанционно измерить влажность почвы в поверхностном слое 0-6см в ходе различных стадий вегетации пшеницы высотой не более 60см. Автор видит неоспоримое преимущество использования сверхширокополосных импульсных сигналов, спектр которых сосредоточен в мегагерцовом диапазоне частот, для дальнейшего развития технологии дистанционного измерения влажности почв.
Ключевые слова: радиолокация, радиоимпульсы, влажность почвы, растительность.
Abstract. This article presents the results of measuring the moisture content of 6 cm topsoil using a radio impulse with a central frequency of 693 MHz, emitted and received by a log-periodic antenna the radiation pattern of which is oriented on the nadir. Measurements of the reflection coefficient at the center frequency of the radio impulse were carried out from May 25 to July 8, 2020 in an agricultural field sown with wheat in the area of Minino village (56.08676 North Sh., 92.67944 East D.), Krasnoyarsk region. In the course of the experiments, the height of the wheat was from ~ 10cm to ~ 60cm. Radio impulses were formed and recorded using an Agilent N9918A FieldFox vector network analyzer connected to the antenna output. The method for estimating the reflection coefficient consisted in measuring the maximum of the envelope of the radio impulse reflected from the soil cover relative to the maximum of the envelope of the radio impulse reflected from the metal sheet placed on the soil cover. It has been experimentally established that neglecting the influence of wheat vegetation up to 60 cm in height leads to an underestimation of the retrieved soil moisture by 0.05 cm3/cm3. It is shown that a simple model describing the attenuation of a radio impulse in the vegetation cover according to an exponential law, with a determination coefficient of 0.976 and a standard deviation of 0.03 cm3/cm3, makes it possible to retrieved soil moisture in the surface layer of 0-6 cm thick at various stages of wheat growing no more than 60 cm high. The author sees the indisputable advantage of using ultra-wideband pulsed signals, the spectrum of which is concentrated in the megahertz frequency range, for the further development of technology for remote measurement of moisture in the arable layer of agricultural soils.
Key words: radiolocation, radio impulse, soil moisture, vegetation.
Литература
1. Muzalevskiy K. Retrieving soil moisture profiles based on multifrequency polarimetric radar backscattering observations. Theoretical case study // International Journal of Remote Sensing. 2021. Vol.42. No.2. P.506-519.
2. Музалевский К.В. Дистанционное измерение профилей влажности в пахотном слое почвы на основе поляриметрических наблюдений коэффициента отражения в P- и C-диапазонах частот. Эксперимент // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т.17. №3. С.145-148.
3. Музалевский К.В. Возможности дистанционного зондирования профилей влажности почв на основе поляриметрических наблюдений обратного рассеяния волн в P- и C-диапазонах частот // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т.16. №5. С.203-216.
4. Музалевский К.В. Дистанционное измерение влажности в поверхностном слое минеральной почвы на двух частотах // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. No.1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.1.7
5. Ardekani M.R. et al. A Layered Vegetation Model for GPR Full-Wave Inversion // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2016. Vol.9. No.1. P. 8-28.
6. Ardekani M. R., et al. GPR data inversion for vegetation layer // Proceedings of the 15th International Conference on Ground Penetrating Radar, Brussels. 2014. P.170-175.
7. Serbin G., Or D. Near-Surface Soil Water Content Measurements Using Horn Antenna Radar: Methodology and Overview // Vadose Zone Journal. 2003. Vol.2. No.4. P.500-510.
8. Serbin G., D. Or D. Ground-penetrating radar measurement of soil water content dynamics using a suspended horn antenna // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2004. Vol.42. No.8. P.1695-1705.
9. Serbin G., Or D. Ground-penetrating radar measurement of crop and surface water content dynamics // Remote Sensing of Environment. 2005. Vol.96. No.1. P.119-134.
10. Alemohammad S.H., Konings A.G., Jagdhuber T., Moghaddam M., Entekhabi D. Characterization of vegetation and soil scattering mechanisms across different biomes using P-band SAR polarimetry // Remote Sensing of Environment. 2018. Vol.209. P 107-117.
11. Tabatabaeenejad A. et al. P-Band Radar Retrieval of Subsurface Soil Moisture Profile as a Second-Order Polynomial: First AirMOSS Results // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2015. Vol.53. No. 2. P.645-658.
12. Truong-Loï M., Saatchi S., Jaruwatanadilok S. Soil Moisture Estimation Under Tropical Forests Using UHF Radar Polarimetry // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2015. Vol.53. No.4. P.1718-1727.
13.Миронов В.Л., Фомин С.В., Лукин Ю.И. Трех-релаксационная обобщенная рефракционная диэлектрическая модель влажных почв // Известия вузов. Физика. 2015. Т.58. №8/2. С.28-31.
14.Gill P.E., Murray W. Algorithms for Nonlinear Least-Squares Problem // SIAM Journal on Numerical Analysis. 1978. Vol.15. No.5. P.977-992.
15. Kirdiashev K.P., Chukhlantsev A.A., Shutko A.M. Microwave radiation of the Earth’s surface in the presence of vegetation cover // Radio Eng. Electron. Phys. Engl. Transl. 1979. Vol.24. P.256-264.
16. Shutko A.M., Chukhlantsev A.A. Microwave radiation peculiarities of vegetative covers // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 1982. Vol.20. P.27-29.
Для цитирования:
Музалевский К.В. Измерение влажности засеянной пшеницей почвы с использованием радиоимпульса на частоте 630 МГц. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. №12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.8