Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2023, № 11 · RADIO WAVE PROPAGATION

Influence of clusters on the scattering of microwave radiation in dry snow

V.A. Golunov1

1 Fryazino Branch of Kotelnikov IRE RAS, Friazino, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2023.11.26 UDC 535.36 EDN CPOZED

Abstract

In this work, the frequency dependence of the scattering coefficient of microwave thermal radiation in freshly fallen, fine-grained and coarse-grained dry snow is studied. At frequencies of 22.2; 37.5; 60 and 94 GHz, the dependences of reflectivity and transmissivity of the snow layer 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. From experimental results, it is followed that the frequency dependence of the scattering coefficient strongly depends on the range of frequencies considered. Calculations of the scattering coefficients of a snow-like medium were carried out using the Mie theory, taking into account that the complex dielectric constant of the medium is increased and the correlation size of particles is decreased with increasing medium density. From comparison of experimental data for freshly fallen and fine-grained snow with the results of calculations based on the Mie theory, it is followed that the exponent of the frequency dependence of the scattering coefficient is anomalously low in the frequency range 22.2...37.5 GHz, and at the frequency of 94 GHz the radiation is scattered in accordance with the Rayleigh equation. Using the Rayleigh equation, it was established that anomalous scattering at frequencies of 22.2...37.5 GHz is caused by clusters with scales that can exceed of freshly fallen snow scatterers at frequency of 94 GHz by more than 3 times, and the size of fine-grained snow scatterers at frequency of 94 GHz by more than 2 times. It is shown that the influence of clusters on radiation scattering decreases with increasing snow density.

  • thermal radiation
  • dry snow
  • microwaves
  • scattering
  • Mie theory
  • clusters
Аннотация (на русском)

Влияние кластеров на рассеяние микроволнового излучения в сухом снеге

В данной работе выполнено исследование частотной зависимости коэффициента рассеяния микроволнового теплового излучения в свежевыпавшем, мелкозернистом и крупнозернистом сухом снеге. На частотах 22.2, 37.5, 60 и 94 ГГц в лабораторных условиях выполнены измерения полных коэффициентов отражения и пропускания от толщины слоя снега. Коэффициенты поглощения и рассеяния снега восстанавливались посредством аппроксимации экспериментальных данных базовыми функциями двухпотоковой теории Кубелки-Мунка. Экспериментальные результаты показали, что показатель частотной зависимости коэффициента рассеяния сильно зависит от интервала рассматриваемых частот. Выполнены расчеты коэффициентов рассеяния снегоподобной среды на основе теории Ми при учете возрастания комплексной диэлектрической проницаемости среды и уменьшения корреляционного размера частиц при ее уплотнении. Сравнение экспериментальных данных для свежевыпавшего и мелкозернистого снега с результатами расчетов на основе теории Ми показало, что на интервале частот 22.2…37.5 ГГц показатель степени частотной зависимости коэффициента рассеяния аномально низкое, а на частоте 94 ГГц излучение рассеивается в соответствии с уравнением Релея. Используя уравнение Релея, установлено, что аномальное рассеяние на частотах 22.2…37.5 ГГц обусловлено кластерами с масштабами, которые могут превышать размеры рассеивателей на частоте 94 ГГц в свежевыпавшем снеге более чем в 3 раза, а в мелкозернистом снеге - более чем в 2 раза. При уплотнении снега влияние кластеров ослабляется.

For citation

Golunov V.A. Influence of clusters on the scattering of microwave radiation in dry snow // Journal of Radio Electronics. – 2023. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.26

References

  1. Tsang L. et al. Scattering of Electromagnetic Waves, vol. 2. Hoboken. - 2001. 700p.
  2. Matzl M., Schneebeli M. Measuring specific surface area of snow by near-infrared photography. J. Glaciology. 2006. V. 52, No. 179. P. 558-564. http://doi.org/10.3189/172756506781828412
  3. Gallet, J.-C., Domine, F., Zender, C.S., Picard, G. Measurement of the specific surface area of snow using infrared reflectance in an integrating sphere at 1310 and 1550 nm. Cryosphere. 2009. V. 3 № 2. P.167-182. http://doi.org/10.5194/tc-3-167-2009
  4. 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. https://doi.org/10.7868/S003384941709008X
  5. Голунов В. А., Хохлов Г. И. Показатель степени частотной зависимости интенсивности обратного рассеяния микроволнового излучения в сухом снеге и искусственных снегоподобных средах // Журнал радиоэлектроники. - 2017. - №. 9. Дата обращения 07.11.2023. URL: http://jre.cplire.ru/jre/sep17/6/text.pdf
  6. Голунов В. А., Маречек С. В., Хохлов Г. И. Особенности рассеяния микроволнового излучения в сухом пушистом снеге // Журнал радиоэлектроники. - 2018. - №. 6. Дата обращения 07.11.2023. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jun18/2/text.pdf
  7. Голунов В. А. Лабораторная методика экспериментального исследования закономерностей микроволнового теплового излучения сухого снежного покрова // Журнал радиоэлектроники. - 2018. - №. 10. Дата обращения 07.11.2023. URL: http://jre.cplire.ru/jre/oct18/15/text.pdf
  8. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. - Мир, 1981. - Т. 1. - С. 280.
  9. Stogryn A. Correlation functions for random granular media in strong fluctuation theory. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1984. V. GE-22. № 2. P.150-154. DOI: https://doi.org/10.1109/TGRS.1984.350607
  10. Prahl S. et al. Mie scattering calculator. - 2007. Дата обращения 07.11.2023. URL: https://omlc.org/calc/mie_calc.html
  11. Tsang L., Kong J. A. Scattering of electromagnetic waves from random media with strong permittivity fluctuations //Radio Science. - 1981. - Т. 16. - №. 3. - С. 303-320. https://doi.org/10.1029/RS016i003p00303
  12. 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. - 1990. - Т. 41. - С. 68-136.
  13. Ishiniaru A., Kuga Y. Attenuation constant of a coherent field in a dense distribution of particles //JOSA. - 1982. - Т. 72. - №. 10. - С. 1317-1320. https://doi.org/10.1364/JOSA.72.001317
  14. 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. https://doi.org/10.7868/S0033849415010052
  15. Голунов В. А. Рассеяние теплового микроволнового излучения на неоднородностях плотности свежевыпавшего и мелкозернистого снега. Радиотехника и электроника //Радиотехника и электроника. - 2019. - Т. 64. - №. 10. - С. 953-961. https://doi.org/10.1134/S0033849419090092
  16. Рытов С. М. и др. Введение в статистическую радиофизику. Случайные поля. - 1978.
  17. Hallikainen M. T., Ulaby F. T., Van Deventer T. E. Extinction behavior of dry snow in the 18-to 90-GHz range //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 1987. - №. 6. - P. 737-745. https://doi.org/10.1109/TAP.1986.1143757
  18. Pulliainen J. T., Grandell J., Hallikainen M. T. HUT snow emission model and its applicability to snow water equivalent retrieval //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 1999. - Т. 37. - №. 3. - С. 1378-1390. https://doi.org/10.1109/36.763302
  19. Wiesmann A., Mätzler C. Microwave emission model of layered snowpacks //Remote sensing of environment. - 1999. - Т. 70. - №. 3. - С. 307-316. https://doi.org/10.1016/S0034-4257(99)00046-2
  20. Gunn G. E. et al. Evaluation of the HUT modified snow emission model over lake ice using airborne passive microwave measurements //Remote sensing of environment. - 2011. - Т. 115. - №. 1. - С. 233-244. https://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2010.09.001
  21. Tsang L. et al. Dense media radiative transfer theory based on quasicrystalline approximation with applications to passive microwave remote sensing of snow //Radio Science. - 2000. - Т. 35. - №. 3. - С. 731-749. https://doi.org/10.1029/1999RS002270