电邮这篇文章 CHANGES OF THE BOUND WATER DIELECTRIC PROPERTIES IN SOILS AT INCREASE OF ITS QUANTITY
- 作者: Belyaeva T.A.1, Bobrov P.P.1, Kondratieva O.V.1
-
隶属关系:
- Omsk State Pedagogical University
- 期: 卷 14, 编号 5 (2013)
- 页面: 92-95
- 栏目: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/503779
- ID: 503779
如何引用文章
全文:
详细
The measurements of the complex dielectric constant (CDC) of soils with low water content at the frequencies 1 MHz — 4 GHz are performed. It is shown that the CDC of bound water at frequencies below 1—1.5 GHz depends on it’s quantity in the soil. A model of the frequency and moisture dependence, including three frequency areas of relaxation, is created. It is shown that account of the dependence of CDC of bound water on its quantity can significantly improve the accuracy of the refractive soil models at low moisture. It is revealed that in soils with large clay content at frequencies below 20 MHz deviations from monotonic bound water CDC dependence on moisture are observed. The results can be used for improving the accuracy of soil moisture remote determination by microwave methods.
全文:
Комплексная диэлектрическая проницаемость ε* = ε' - ίε" (КДП) влажных почв и грунтов удовлетворительно описывается рефракционной моделью. В первоначальном варианте рефракционной модели [1] предполагалось, что связанная вода имеет одну область релаксации, обусловленную ориентационной поляризацией молекул воды. Эта модель давала хорошее согласие с экспериментом на частотах выше 1-1,5 ГГц [2; 3]. В поздней версии модели [4] за счет учета еще одной области релаксации удалось довести нижнюю частотную границу справедливости модели до 40 МГ ц. В этих моделях КДП связанной воды считают не зависящей от ее количества в почве [1-4]. Первые исследования, показавшие зависимость КДП связанной воды от ее количества, были проведены с использованием не очень точной аппаратуры и на частотах от 0,3 до 10 ГГц [5]. Выводы настоящей работы основаны на измерениях, проведенных в широком частотном диапазоне. В диапазоне частот 42 Гц - 5 МГц использовался измеритель LCR 3532-50 фирмы HIOKI, а в диапазоне частот от 0,3 МГ ц до 4-8,5 ГГц - векторные анализаторы параметров цепей ZVRE и ZNB 8 фирмы Роде и Шварц. При этом во всем диапазоне частот измерялся один и тот же образец, помещенный в коаксиальную ячейку. Методика измерений приведена в [6]. Применяемые измерительные приборы имеют низкую погрешность измерения в широком диапазоне частот, поэтому погрешность измерения КДП почв, рассчитанная по паспортным данным прибора, во всем диапазоне частот не превышала 4 %. Для определения зависимости КДП связанной воды от влажности использовались экспериментальные данные КДП почв, измеренные при влажностях, меньших максимально возможного количества связанной воды. Комплексный показатель преломления почвы n* = n -ІК = -\/ё* для таких влажностей может быть представлен в виде n = nd + n - 1)W, (1) *Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 12-05-98082-р_сибирь_а. 92 Вестник СибГАУ. № 5 (51). 2013 K = Kd +KbW, (2) где nd, Kd, nb, Kb - показатели преломления и показатели поглощения сухой почвы и связанной воды, соответственно, W - объемная влажность. В первом приближении можно считать, что плотность сухого сложения ρ измеряемых образцов влияет на показатели преломления и поглощения только сухой почвы. Из экспериментальных измерений найдено, что и для бентонита и для лугово-черноземной почвы nd = 1 + 0,46ρ и Kb = 0,0097ρ. Тогда по найденным из формул (1) и (2) значениям nb и Kb для каждой влажности можно определить значения мнимой и действительной части КДП связанной воды: B'b = n2b - K2b, B"b = 2nb · Kb. Соответствующие частотные зависимости приведены на рис. 1 и 2. При моделировании КДП связанной воды в частотном диапазоне 100 кГц - 4 ГГц были выделены три области релаксации - в первой, высокочастотной области (109-1010 Гц) КДП связанной воды была выражена через параметры модели Дебая, поскольку здесь преобладает ориентационно-дипольная поляризация; во второй (109 - 108 Гц) и третьей (108 - 105 Гц) областях использовалась модель Коула-Коула. КДП εb = Bb - B"b связанной воды определялась как сумма вкладов всех областей: 1 + Iibt1 (1 + ίω τ2 )1 “2 Js3 + l- σ (3) (1 + ιωτ3)1 “3 ωε0 ’ где εΜ - высокочастотная диэлектрическая проницаемость, значение которой принималось равным 4,9; во = 8,854 · 10-12 Ф/м - диэлектрическая постоянная; Bsi, Bs2, Bs3 - статические диэлектрические проницаемости; Ti, τ2, τ3 - времена релаксации для 1, 2, 3-й областей релаксации, соответственно; α2, α3 - коэффициенты распределения времен релаксации для 2-й и 3-й областей; σ3 - ионная удельная проводимость; ω - циклическая частота; i - мнимая единица. Параметры первой области релаксации принимались независимыми от влажности, так как на частотах выше 1-2 ГГц КДП связанной воды от влажности зависит слабо, и выбирались равными для бентонита Bs1 = 25,7; T1 = 12,6 пс, а для луговочерноземной почвы Bs1 = 35,5; T1 = 12,1 пс. а б Рис. 1. Частотные зависимости действительной (а) и мнимой (б) частей КДП связанной воды в бентоните (линиями показаны результаты расчета по модели) 7 8 9 Ig/, Гц б Рис. 2. Частотные зависимости действительной (а) и мнимой (б) частей КДП связанной воды в лугово-черноземной почве (линиями показаны результаты расчета) а 93 Раздел 2. Радиофизические методы диагностики окружающей среды. Алгоритмы, инструменты и результаты Таблица 1 Параметры модели диэлектрической проницаемости связанной в бентоните воды W ρ, г/см ąs2 · 10 τ2, нс α2 ε^3 · 10 τ3, мкс α3 σ, См/м 0,073 1,18 10,9 3,4 0,233 6,64 222 0,250 4,4 10 0,076 1,18 8,88 4,5 0,284 4,73 265 0,327 0 0,094 1,16 7,10 3,9 0,277 2,86 25,7 0,203 0 0,113 1,15 6,16 3,7 0,307 1,86 5,93 0,091 6,0 · 10 0,140 1,13 2,87 1,9 0,253 1,72 0,78 0,194 0 0,149 1,07 1,96 1,3 0,205 0,967 4,44 0,174 0 Таблица 2 Регрессионные уравнения для параметров модели для второй и третьей областей релаксации Образец Область εs τ, с α Бентонит 2-я -9477W + 1 670 -3,06 · 10-8 W + 6,47 · 10-9 -0,175· W + 0,283 3-я 1,21 · 108 W - 3,38 · 107 W + 2,42 · 106 0,012 1exp(-59,49W) -1,6· W + 0,376 Лугово-черноземная почва 2-я -29 620 W + 2 830 -1,12 · 10-6 · W + 1,40 · 10-7 0,092 W + 0,495 3-я 1,24 · 109 W - 1,43 · 108 W + 6,92 · 106 -3,38 · 10‘4 · W + 8,61 · 10-5 -0,032 W + 0,003 Найденные путем фиттирования параметры для 2-й и 3-й областей релаксации для бентонита приведены в табл. 1. С использованием этих данных построены регрессионные уравнения зависимостей параметров модели (3) от объемной влажности. Эти уравнения приведены в табл. 2. Результаты модельных расчетов с использованием значений параметров, найденных по регрессионным уравнениям, показаны на рис. 1 и 2 линиями. Видно, что с увеличением влажности действительная и мнимая части КДП уменьшаются, то есть в уравнениях (1) и (2) nb и Kb не являются константами. Кроме того, зависимость от влажности мнимой части КДП связанной воды в бентоните (рис. 1, а) на частотах ниже 20 МГ ц изменяется на противоположную. Расчеты показывают, что если КДП связанной воды считать не зависящей от влажности, то погрешность модели (отклонение от экспериментальных значений КДП почв) при малых влажностях в диапазоне частот 1-100 МГц как для ε', так и для ε" у бентонита может достигать 35-40 %, а у лугово-черноземной почвы 11-12 %. Учет зависимости КДП связанной воды от влажности позволяет уменьшить погрешность до 5-10 % Таким образом, КДП связанной воды в малоувлажненных почвах в широком диапазоне частот имеет три области дисперсии, причем параметры модели КДП для каждой области дисперсии зависят от влажности почв. Учет этой зависимости приводит к существенному уменьшению погрешности модели КДП почвы при малой влажности, особенно в диапазоне частот от 106 до 108 Гц.×
作者简介
T. Belyaeva
Omsk State Pedagogical University14 Tukhachevskiy st., Omsk, 644099, Russia
P. Bobrov
Omsk State Pedagogical University
Email: bobrov@omgpu.ru
14 Tukhachevskiy st., Omsk, 644099, Russia
O. Kondratieva
Omsk State Pedagogical University14 Tukhachevskiy st., Omsk, 644099, Russia
参考
- Generalized Refractive Mixing Dielectric Mode for Moist Soils / V. L. Mironov, M. C. Dobson, V. H. Kaupp et al. // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 2004. Vol. 42, №. 4. P. 773-785.
- Измерение комплексной диэлектрической проницаемости различных форм почвенной влаги в мик роволновом диапазоне / В. Л. Миронов, П. П. Бобров, О. В. Кондратьева, А. В. Репин // Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой : материалы Рос. науч. конф. (6-10 сент. 2010, г. Улан-Удэ). С. 344-355.
- Определение параметров моделей диэлектрической проницаемости почв с различной плотностью и различным содержанием гумуса по данным экспериментальных измерений в частотном диапазоне 0,1-20 ГГц / Т. А. Беляева, А. П. Бобров, П. П. Бобров // Исследование Земли из космоса. 2003. № 5. P. 28-34.
- Mironov V. L., Bobrov P. P., Fomin S. V. MultiRelaxation Generalized Refractive Mixing Dielectric Model of Moist Soil // IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 2013. Vol. 10, № 3. Р. 603-606.
- Зависимость диэлектрической проницаемости связанной воды в почвах от ее количества / Т. А. Беляева, П. П. Бобров, О. А. Ивченко, В. Н. Мандрыгина // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов : сб. науч. ст. 2006. Вып. 3. Т. II. С. 281-286.
- Бобров П. П., Кондратьева О. В., Репин А. В. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости образца в одной ячейке от десятков герц до единиц гигагерц // Известия вузов. Физика. 2012. № 8/3. С. 23-26.
补充文件
