ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2024, № 4 · РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Влияние органического вещества и влажности на пересечение спектров диэлектрической проницаемости почв

А.Ю. Каравайский1, Ю.И. Лукин1

1 Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Красноярск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2024.4.11 УДК 537.86 EDN BHGLLD

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.

  • диэлектрическая проницаемость
  • органическая почва
  • влажность почв
  • пересечение частот
  • эффект Максвелла-Вагнера
Abstract (in English)

The influence of organic matter and volumetric moisture on the crossover of soil dielectric permittivity spectra

The present study considers the crossover of the real part spectra of the complex dielectric constant obtained in the frequency range from 15 MHz to 15 GHz and temperature range from 0 to 25 °C for moist organic soils with the content of organic matter varying from 11 to 54 %. Based on the obtained experimental dependences, the empirical model is proposed to estimate the average value of the frequencies at which the crossover point of the soil dielectric constant spectra are observed with temperature changes. The proposed model also includes a formula for calculating the value of volumetric moisture at which the crossover point of the soil dielectric constant spectra appears.

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

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.