ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2022. №12
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.5
УДК: 537.87
Широкополосный рефлектометрический метод измерения
влажности и степени шероховатости поверхности почвы
К.В. Музалевский
Институт физики им. Л.В. Киренского
Сибирского отделения Российской академии наук - обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН
Статья поступила в редакцию 3 ноября 2022 г.
Аннотация. В данной работе предложена численно-аналитическая модель коэффициента отражения электромагнитной волны от шероховатой границы почвенного покрова, на основе которой, в диапазоне частот от 520 МГц до 1,26 ГГц, разработан широкополосный метод измерения среднеквадратического отклонения (СКО) высот неровностей и объемной влажности поверхности почв. При построении модели коэффициента отражения, поле отраженной волны от шероховатой границы почвенного покрова представлено в виде суммы вторичных полей от бесконечного множества элементарных горизонтальных рассеивающих площадок (с заданным средним размером), набор которых на поверхности почвы осуществляется в пределах первой зоны Френеля. Поле каждой элементарной рассеивающей площадки представляется в виде среднего поля от результата стохастической интерференции бесконечного множества когерентных элементарных источников вторичных волн с плоским фронтом, вертикальное положение которых определено высотой неровностей в каждой точке поверхности почвы в пределах размеров элементарной рассеивающей площадки. Показано, что созданная модель описывает величину полного значения коэффициента отражения (когерентная и диффузная компоненты) с коэффициентом детерминации R2=0,981 и СКО не более 0,35дБ относительно коэффициента отражения, рассчитанного с использованием метода конечных разностей и метода интегральных уравнений. На примере 16 почвенных образцов, комплексная диэлектрическая проницаемость которых измерена для широкого диапазона плотностей 0,7–1,8 г/см3, влажности, гранулометрического состава (0–76%) и содержания органического вещества (0,6–6,9%) показана принципиальная возможность восстановления СКО высот неровностей и объемной влажности шероховатой поверхности почвенного покрова с коэффициентом детерминации СКО не хуже, чем R2=0,909 (СКО=0,4 см) и R2=0,975 (СКО=2%), соответственно, относительно истинных значений. Результаты работы имеют широкое прикладное значения как для одночастотных, так и многочастотных методов обработки радарных и радиометрических данных с целью разработки новых алгоритмов повышенной точности измерения влажности почв.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, радиолокация, радиометрия, рефлектометрия, коэффициент отражения, излучательная способность, шероховатая поверхность, почвы, комплексная диэлектрическая проницаемость почв, дистанционные методы измерения влажности почв.
Финансирование: Работа выполнена в рамках гранта РНФ и Красноярского краевого фонда науки № 22-17-20042.
Автор для переписки: Музалевский Константин Викторович, rsdkm@ksc.krasn.ru
Литература
1. Rytov S.M., Kravtsov Yu. A., Tatarskii V.I. Principles of Statistical Radiophysics 4. Wave propogation through random media. Springer-Verlag. 1989. 188 p. https://link.springer.com/book/9783642726842
2. Ceraldi E., Franceschetti G., Iodice A., Riccio D. Estimating the soil dielectric constant via scattering measurements along the specular direction. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2005. V.43. №2. P.295-305. https://doi.org/10.1109/TGRS.2004.841357
3. Voronovich A. Small-slope approximation for electromagnetic wave scattering at a rough interface of two dielectric half-spaces. Waves in Random Media. 1994. V.4. №3. P.337-367. https://doi.org/10.1088/0959-7174/4/3/008
4. Fung A.K., Li Z.Q., Chen K.S. Backscattering from a randomly rough dielectric surface. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1992. V.30. №2. P.356-369. https://doi.org/10.1109/36.134085
5. Chen K.S., Wu T.D., Tsang L., Li Q., Shi J.C., Fung A.K. Emission of rough surfaces calculated by the integral equation method with comparison to three-dimensional moment method simulations. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2003. V.41. №1. P.90-101. https://doi.org/10.1109/TGRS.2002.807587
6. Oh Y., Sarabandi K., Ulaby F.T. An empirical model and an inversion technique for radar scattering from bare soil surfaces. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1992. V.30. №2. P.370-381. https://doi.org/10.1109/36.134086
7. Dubois P.C., van Zyl J., Engman T. Measuring soil moisture with imaging radars. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1995. V.33. №4. P.915-926. https://doi.org/10.1109/36.406677
8. Lawrence H., Wigneron J. -P., Demontoux F., Mialon A., Kerr Y.H. Evaluating the Semiempirical H - Q Model Used to Calculate the L-Band Emissivity of a Rough Bare Soil. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2013. V.51. №7. P.4075-4084. https://doi.org/10.1109/TGRS.2012.2226995
9. Muzalevskiy K.V., Ruzhecka Z., Mironov V.L. Multifrequency Radiometric Method of the Temperature Profile Measurement in the Active Topsoil. Radiophys Quantum El. 2015. V.58. P.339-349. https://doi.org/10.1007/s11141-015-9608-z
10. Huang S., Tsang L., Njoku E.G., Chan K.S. Backscattering Coefficients, Coherent Reflectivities, and Emissivities of Randomly Rough Soil Surfaces at L-Band for SMAP Applications Based on Numerical Solutions of Maxwell Equations in Three-Dimensional Simulations. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2010. V.48. №6. P.2557-2568. https://doi.org/10.1109/TGRS.2010.2040748
11. Zhou L., Tsang L., Jandhyala V., et al. Emissivity simulations in passive microwave remote sensing with 3-D numerical solutions of Maxwell equations. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2004. V.42. №8. P.1739-1748. https://doi.org/10.1109/TGRS.2004.830639
12. Schwank M. et al. Comparison of Two Bare-Soil Reflectivity Models and Validation With L-Band Radiometer Measurements. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2010. V.48. №1. P.325-337. https://doi.org/10.1109/TGRS.2009.2026894
13. Schneeberger K., Schwank M., Stamm C., Rosnay P.D., Mätzler C., Flühler H. Topsoil structure influencing soil water retrieval by microwave radiometry. Vadose Zone Journal. 2004. V.3. P.1169-1179. https://doi.org/10.2136/vzj2004.1169
14. Mätzler C. Thermal Microwave Radiation: Applications for Remote Sensing. The Institution of Engineering and Technology. Michael Faraday House, United Kingdom. 2006. 584 p. https://doi.org/10.2136/vzj2004.1169
15. De Roo R.D., Ulaby F.T. Bistatic specular scattering from rough dielectric surfaces. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1994. V.42. №2. P.220-231. https://doi.org/10.1109/8.277216
16. Curtis J.O., Weiss C.A. Everett J.B. Effect of soil composition on complex dielectric properties. US Army Corps of Engineers. Technical report EL-95-34. 1995. 285 p.
17. Mironov V.L., Molostov I.P., Lukin Y.I., Karavaysky A.Y., Fomin S.V. Frequency-, temperature-, and texture-dependent dielectric model for frozen and thawed arctic mineral soils. Progress in Electromagnetics Research Symposium. St. Petersburg-Russia. 2017. P.2546-2553. https://doi.org/10.1109/PIERS.2017.8262181
18. Wagner N., Emmerich K., Bonitz F., Kupfer K. Experimental Investigations on the Frequency- and Temperature-Dependent Dielectric Material Properties of Soil. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2011. V.49. №7. P.2518-2530. https://doi.org/10.1109/TGRS.2011.2108303
19. Зубков С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. Москва, Советское радио. 1968. 224 с.
20. Wigneron J.-P., et al. Evaluating an Improved Parameterization of the Soil Emission in L-MEB. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2011. V.49. №4. P.1177-1189. https://doi.org/10.1109/TGRS.2010.2075935
21. Lawrence H. Modelling the effects of surface roughness and a forest litter layer on passive microwave observations: application to soil moisture retrieval by the SMOS mission. Continental interfaces, environment. phD Thesis. Université Sciences et Technologies - Bordeaux I. 2010. 236 p. URL: https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01024075
22. de Agirre A.M. Analysis of surface roughness in agricultural soils using in-situ measurements and remote sensing techniques. phD Thesis. University of Navarre. Pamplona-Spain. 2017. 179 p.
https://academica-e.unavarra.es/handle/2454/28890?show=full
23. Tsang L., Kong J., Ding K. Scattering of Electromagnetic Waves: Numerical Simulation. Wiley-Interscience. 2000. 436 p.
24. Городницкий Г.М. К вопросу о статистической интерференции при отражении света от матовых стеклянных поверхностей. Оптика и спектроскопия. 1963. Т.15. №1. C.113-118.
25. Полянский В.К., Рвачёв В.П. Рассеяние света при отражении от статистически распределенных микроплощадок. Оптика и спектроскопия. 1967. Т.12. №2. C.279-287.
26. Кошеляев Е.М., Бородулин В.П., Замбржицкий А.П., Пузанов А.А. Диффузное отражение света от шероховатых поверхностей. Вестник Московского университета. Серия. Физика. Астрономия. 1977. Т.18. №5. C.25-34.
27. Choudhury B.J., Schmugge T.J., Chang A., Newton R.W. Effect of surface roughness on the microwave emission from soils. Journal of Geophysical Research. 1979. V.84. №9. P.5699- 5706. https://doi.org/10.1029/JC084iC09p05699
28. Ishimaru A. Wave Propagation and Scattering in Random Media. Vol 2: Multiple Scattering, Turbulence, Rough Surfaces, and Remote-Sensing. Academic press. 1978. 572 p. https://doi.org/10.1016/C2013-0-10906-3
29. Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. Минск, Наука и техника. 1969. 592 с.
30. Драбакин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. Москва, Советское радио. 1974. 536 с.
31. Mironov V.L., Bobrov P.P., Fomin S.V. Dielectric model of moist soils with varying clay content in the 0.04 to 26.5 GHz frequency range. International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Krasnoyarsk- Russia. 2013. P.1-4. https://doi.org/10.1109/SIBCON.2013.6693613
Для цитирования:
Музалевский К.В. Широкополосный рефлектометрический метод измерения влажности и степени шероховатости поверхности почвы. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.5