ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1689-1719. 2020. № 1
Оглавление выпуска

Текст статьи (pdf)
English page

 

DOI 10.30898/1684-1719.2020.1.7

УДК 621.369.9


Дистанционное измерение влажности в поверхностном слое минеральной почвы на двух частотах

 

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 4 декабря 2019 г.

 

Аннотация. В данной работе экспериментально исследовалась возможность дистанционного зондирования влажности в поверхностном слое минеральной почвы на частоте 5,4ГГц (С-диапазон) и на частоте 0,63ГГц (P-диапазон). Применялась бистатическая схема измерения коэффициента отражения в свободном пространстве на фиксированном угле зондирования 35° на горизонтальной и вертикальной поляризации. Вследствие широкой диаграммы направленности используемых антенн применялся радиоимпульсный метод для разделения во временной области прямого и отраженного от почвенного покрова сигналов. В качестве приемной и передающей антенн использовалась рупорная (5,4ГГц) и логопериодическая (0,63ГГц) антенны. Радиоимпульсы формировались с использованием векторного анализатора цепей Agilent N9918A FieldFoх. Методика оценки коэффициента отражения состояла в измерении максимума огибающей радиоимпульса, отраженного от почвенного покрова относительно максимума огибающей радиоимпульса, отраженного от металлического экрана, размещенного на почвенном покрове. Экспериментально установлено, что дистанционно измеренная объемная влажность почвы на частоте 5,4ГГц, в приближении однородного диэлектрического полупространства, с квадратом коэффициента корреляции 0,780-0,897 и среднеквадратическим отклонением 1,3-2,3% (в зависимости от используемой поляризации) согласуется с влажностью поверхности почвы, измеренной контактным методом в слое 0-0,5см. Использование частоты 5,4ГГц как основной для восстановления влажности поверхности почвы нуждается в дополнительной проверке в различных условиях шероховатости поверхности почвы и растительного покрова. Предложенная модель профиля влажности почвы в виде кусочно-линейной функции позволяет дистанционно рефлектометрическим методом на двух частотах измерять объемную влажность почвы в слое 10см с квадратом коэффициента корреляции 0,758 и среднеквадратическим отклонением 2,4% относительно влажности почвы, измеренной контактным методом. Автор видит неоспоримое преимущество использования сверхширокополосных (СШП) импульсных сигналов, спектр которых сосредоточен в мегагерцовом диапазоне частот, для дальнейшего развития технологии дистанционного измерения профилей влажности в пахотном слое агропочв. Использование сверхширокополосных электромагнитных импульсов с непрерывным спектром в мегагерцовом диапазоне частот  позволит решить многопараметрическую задачу по восстановлению профиля влажности в пахотном слое агропочв. В будущем технология СШП импульсного зондирования благодаря доступности миниатюрных электронных устройств может быть реализована для платформ сверхлёгкого беспилотного летательного аппарата с целью картирования влажности в пахотном слое агропочв.

Ключевые слова: радиолокация, влажность почвы.

Abstract. In this work, the possibility of remote sensing of moisture in the mineral topsoil at a frequency of 5.4 GHz (C-band) and at a frequency of 0.63 GHz (P-band) was experimentally investigated. Bistatic scheme for measuring of the reflection coefficient at a fixed angle of 25° on horizontal and vertical polarization was used. Due to the wide radiation pattern of the used antennas, the radio impulse method was used to separate in the time domain the direct and reflected signals from the soil cover. As the receiving and transmitting antennas the pair of horn (5.4 GHz) and pair log-periodic (0.63 GHz) antennas were used. Radio impulses were generated in an unreal time scale using an Agilent N9918A FieldFox vector network analyzer. The technique for measuring the reflection coefficient consisted in the measurement of 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 screen placed on the soil cover. It is experimentally established that the soil moisture, which was remotely measured at a frequency of 5.4 GHz, in the approximation of a homogeneous dielectric half-space, with a correlation coefficient of 0.780-0.897 and a standard deviation of 1.3-2.3% (depending on wave polarization) is consistent with the soil surface moisture measured by the contact method in a layer of 0-0.5 cm. Using the frequency of 5.4 GHz as the main one for retrieving soil surface moisture needs additional verification in various conditions of roughness of the soil surface and vegetation cover. The proposed model of the soil moisture profile in the form of a piecewise-linear function allows remotely measuring on two-frequencies soil moisture in topsoil with a correlation coefficient of 0.758 and a standard deviation of 2.4% relative to the soil moisture measured by the contact method. The author sees the indisputable advantage of using ultra-wideband (UWB) pulsed signals, the spectrum of which is concentrated in the megahertz frequency range, for the further development of technology for remote measurement of moisture profiles in the arable layer of agricultural soils. The use of ultra-wideband electromagnetic pulses with a continuous spectrum in the megahertz frequency range will allow us to solve the multi-parameter problem of restoring the moisture profile in the arable layer of agricultural soils. In the future, the UWB technology of pulsed sounding due to the availability of miniature electronic devices can be implemented for platforms of an ultra-light unmanned aerial vehicle with the aim of mapping moisture in the arable layer of agricultural soils.

Key words: radiolocation, soil moisture.

Литература

1.     Jonard F. et al. Observation and Measurement. Ecohydrology. Chapter 1. Ground-Based Soil Moisture Determination. Springer, Berlin. 2018. p.1-42.

2.     Entekhabi D. et al. SMAP Handbook. Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, NASA. 2014. 182p.

3.     Ulaby T. et al. Microwave Radar and Radiometric Remote Sensing, University of Michigan Press. 2013. 902p.

4.     Шутко А.М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. - М. : Наука, 1986. - 188с.

5.     Schmugge T., Remote Sensing of Surface Soil Moisture// Journal of Applied Meteorology. 1978. Vol.17. No 10. p.1549-1557.

6.     Yueh S. H., Xu X., Shah R., Margulis S., Elder K. P-Band Signals of Opportunity for Remote Sensing of Root Zone Soil Moisture // IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 2018. pp. 1403-1406.

7.     Sadeghi M., Tabatabaeenejad A., Tuller M., Moghaddam M., Jones S.B. Advancing NASA’s AirMOSS P-Band Radar Root Zone Soil Moisture Retrieval Algorithm via Incorporation of Richards’ Equation // Remote Sensing. 2017. No.9. P.17.

8.     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. pp. 645-658.

9.     Konings G., Entekhabi D., Moghaddam M., Saatchi S. S. The Effect of Variable Soil Moisture Profiles on P-Band Backscatter/ / IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2014. Vol. 52. No. 10. pp. 6315-6325.

10.           Поверхностное и подповерхностное зондирование покровов с помощью многочастотного поляриметрического радиолокатора с синтезированной апертурой [Текст]: отчет о НИР (закл.): №01201280948/  ФГБУН ИРЭ РАН; рук. Б. Г. Кутуза. Москва. 2015. 28 с.

11.           Kutuza B., Davidkin A., Dzenkevich A., Kalinkevich A., Manakov V., Plushchev V., Shishkova O., Verba V., Vostrov E. Multi-frequency polarimetric synthetic aperture radar for surface an subsurface sensing // Proceedings of EuRAD, Horizon House Publications Ltd. 2004. Р. 5-12.

12.           Robinson L. A., Weir W. B., Young L. Location and recognition of discontinuities in dielectric media using synthetic RF pulses/ / Proceedings of the IEEE. 1974. Vol. 62. No. 1. pp. 36-44.

13.           Robinson L. A., Weir W. B., Young L. An RF Time Domain Reflectometer Not in Real Time // IEEE GMTT International Microwave Symposium. 1972. pp. 30-32.

14.           Iizuka K., Freundorfer A., Wilson D., Tsang G., Haras W., Measurement of saline ice thickness using a step frequency radar // Cold Regions Science and Technology. 1988. Vol. 15. No. 1. pp. 23-32.

15.           Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. М.: Советское радио, 1972, 464 с.

16.           Антенна измерительная рупорная П6-59. Руководство по эксплуатации ИУШЯ.464653.005 РЭ. СКБ РИАП. 2017. 17с.

17.           Antenna Test Lab. Example 2: Polar Plots Of PCB LPDA Antennas. 2017. Available at https://antennatestlab.com/wp-content/uploads/2017/02/WA5VJB_Mini-LPDA-2-11GHz_SUMMARY-Cuts.xlsx

18.           FieldFox Handheld Analyzers. Data sheet. Keysight Technologies (2018) 66, 5990-9783EN. Available at https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5990-9783EN.pdf

19.           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.

20.           Gill P.E., Murray W. Algorithms for Nonlinear Least-Squares Problem, SIAM Journal on Numerical Analysis, 1978, Vol. 15, No. 5, pp. 977-992.

21.           Brekhovskikh L.M. Waves in Layered Media, NewYork, NY, USA: Academic. 1960. Р. 561.

 

Для цитирования:

Музалевский К.В. Дистанционное измерение влажности в поверхностном слое минеральной почвы на двух частотах. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2020. № 1. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jan20/7/text.pdf.
DOI 10.30898/1684-1719.2020.1.7