Показатель степени частотной зависимости интенсивности обратного рассеяния микроволнового излучения в сухом снеге и искусственных снегоподобных средах

Аннотация

А частотах 22,2; 37,5: 60 и 94ГГц измерены зависимости полных коэффициентов отражения и пропускания слоя снега и искусственных снегоподобных сред от толщины слоя, размеров и объемной плотности частиц. Экспериментальные зависимости полных коэффициентов отражения и пропускания от толщины слоя аппроксимированы соотношениями двухпотоковой теории Кубелки-Мунка. Выполнен анализ частотной зависимости коэффициента обратного рассеяния диффузной интенсивности. Установлено, что частотный показатель степени зависит от параметров рассеивающей структуры. Для структур с размерами частиц, превосходящих 1мм, он уменьшается при увеличении частоты, достигая минимума на интервале 60…94ГГц. При значениях объемной плотности мелкозернистого снега ниже 0,25 частотный показатель степени, наоборот, увеличивается при повышении частоты из-за влияния кластеров. Независимо от размеров частиц частотный показатель степени увеличивается при их уплотнении, особенно на интервале значений объемной плотности 0,4…0,6.

• микроволны
• обратное рассеяние
• backscattering
• плотные случайные дискретные среды
• частотная зависимость
• размер частиц
• объемная плотность
• кластеры

Abstract (in English)

At frequencies of 22.2; 37.5: 60 and 94 GHz, the dependences of reflectivity and transmissivity of the snow layer and artificial snow-like media on the layer thickness, size and volume density of the particles were measured. The experimental dependences of the reflectivity and transmissivity on the layer thickness were approximated by the relations of the two-flux Kubelka-Munch theory. The frequency dependence of the backscattering coefficient is analyzed. It is established that the frequency exponent depends on the parameters of the scattering structure. For structures with particle sizes exceeding 1 mm, the frequency exponent decreases with increasing frequency, reaching a minimum in the interval 60... 94 GHz. At values of the volume density of fine-grained snow below 0.25, the frequency exponent, on the contrary, increases with increasing frequency due to the influence of clusters. Regardless of the particle size, the frequency exponent increases with increasing volume density, especially on the range of volume density values of 0.4... 0.6.

Для цитирования

Литература

1. Ulaby F. T., Moore R. K., A. K. Fung. Microwave Remote Sensing: Active and Passive, Vol. 3, Artech House, Norwood, MA, 1986. 1065p.
2. Tsang L., Kong J. A., Ding K. H. Scattering of Electromagnetic Waves. Vol. 1: Theories and Applications. Wiley-Interscience. New York. 2000. 426p.
3. Tsang L., Kong J. A., Ding K. H., C. O. Ao. Scattering of Electromagnetic Waves. Vol. 2: Numerical Simulations. Wiley-Interscience. New York. 2001. 700p.
4. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т.1. М. Мир. 1981. 280с.
5. Cox S.J, Reshetnyak V.Yu., Sluckin T.J. Effective medium theory of light scattering in polymer dispersed liquid crystal films // J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. Vol.31. No.14. P.1611-1625.
6. Розенберг Г. В. Абсорбционная спектроскопия диспергированных веществ // Успехи физ. наук. 1959. Т. 69. Вып. 1. С. 57-104.
7. Барабаненков Ю.Н. Многократное рассеяние волн на ансамбле частиц и теория переноса излучения // Успехи физ. наук. 1975. Т.117. Вып.1. С. 49-78.
8. Chen C.-T., Tsang L., Guo J., et. al. Frequency dependence of scattering and extinction of dense media based on three-dimensional simulations of Maxwell's equations with applications to snow // IEEE Trans. Geosci. And Remote Sens. 2003. Vol.41. No.8. P.1844-1852.
9. Голунов В.А., Коротков В.А., Сухонин Е.В. Эффекты рассеяния при излучении миллиметровых волн атмосферой и снежным покровом. Итоги науки и техники, сер. Радиотехника. Т.41, М., ВИНИТИ. 1990. С.68-136.
10. Голунов В. А., Коротков В. А., Соколов А. В. Отражение и пропускание миллиметровых волн слоем случайной дискретной среды // Электромагнитные волны и электронные системы. 1997. Т. 2. № 1. С. 39-46.
11. Wiesman A., Mätzler C. Microwave emission model of layered snowpacks // Remote Sens. of Environment. 1999. Vol. 70. P. 307-316.
12. Pulliainen J.T., Grandell J., Hallikainen M.T. HUT snow emission model and its applicability to snow water equivalent retrieval. // IEEE Trans. on Geosci. Remote Sens. 1999. Vol. GE-37. No. 3. P.1378-1390.
13. Голунов В.А. Тепловое излучение сухого однородного снежного покрова в диапазоне ММВ // Успехи современной радиоэлектроники. 2002. № 6. С. 35-44.
14. Ishimaru A., Kuga Y. Attenuation constant of a coherent field in a dense distribution of particles // J. Opt. Soc. Am. 1982. Vol.72. No.10. P. 1317-1320.
15. Beard, C. L., Kays T. H., Twersky V. Scattering by randomly distribution of spheres vs. concentration // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1967. Vol. AP-15. No.1. P. 99-118.
16. Hawley S.M., Kays T.H., Tversky V. Comparison of distribution functions from scattering data on different sets of spheres // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1967. V. Vol. AP-15. No.1. P. 118-135.
17. Varadan V.K., Bringi V.N., Varadan V.V. and Ishimaru A. Multiple scattering theory for waves in discrete random media and comparison with experiments // Radio Science. 1983. Vol.18. No.3. P. 321 - 327.
18. Голунов В.А. Когерентное ослабление электромагнитных волн в слабо поглощающих плотных случайных дискретных (снегоподобных) средах // Радиотехника и электроника. 2015. Т.60. №1. С.31-37.
19. Golunov V. A., Barabanenkov Yu.N. Radiometric methods of measurement of the total reflectivity, the total transmissivity and the coherent transmissivity of a weakly absorbing random discrete medium layer in the millimeter wavelengths range // Proc. Progress in Electromagnetics Research Symp. Moscow, Russia, August 19-23. 2012. Р.1415-1418.
20. Голунов В.А., Кузьмин А.В., Скулачев Д.П., Хохлов Г.И. Экспериментальные спектры ослабления, рассеяния и поглощения миллиметровых волн в сухом свежевыпавшем снеге. Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2016. N9. URL: http://jre.cplire.ru/jre/sep16/4/text.pdf
21. Голунов В.А., Кузьмин А.В., Скулачев Д.П., Хохлов Г.И. Результаты экспериментального исследования частотной зависимости ослабления, рассеяния и поглощения миллиметровых волн в сухом снежном покрове // Радиотехника и электроника. 2017. Т.62. №9. С. 857-865.
22. Андреев Г.А., Голунов В.А., Соколов А.В. Рассеяние и излучение миллиметровых радиоволн природными образованиями. Итоги науки и техники, сер. Радиотехника. Т.20. М., ВИНИТИ. 1980. C.39-106.
23. Kubelka P. New contributions to the optics of intensely light-scattering materials. Part I. // J. Opt. Soc. Am. 1948. Vol. 38. No.5. P. 448-457.
24. Pan J., Durand M., Sandells M., et al. Differences between the HUT snow emission model and MEMLS and their effects on brightness temperature simulation // IEEE Trans. on Geosci. And Remote Sens. 2016. Vol. 54. Issue 4. P. 2001 - 2019. DOI: 10.1109/TGRS.2015.2493505.
25. Roy, V., Goïta K., Royer A., et. al. Snow water equivalent retrieval in a Canadian boreal environment from microwave measurements using the TKK snow emission model // IEEE Trans. on Geosci. and Remote Sensing. 2004. V.GE-42. No. 9. P. 1850.-1859
26. Tedesco M., Kim E. J. Intercomparison of electromagnetic models for passive microwave remote sensing of snow // IEEE Trans. on Geosci. and Remote Sensing. 2006. V. GE-44. No.10. P. 2654-2664.
27. Stogryn A. Correlation functions for random granular media in strong fluctuation theory // IEEE Trans. Geosci. and Remote Sensing. 1984. Vol. GE-22. No.2. P.150-154.