Email this article DETERMINATION OF SOIL MOISTURE USING POLARIZATION REFLECTOGRAM OF GLONASSAND GPS-SIGNALS
- Authors: Mironov V.L.1,2, Sorokin A.V1,2, Mihaylov M.I.2, Fomin S.V.2, Muzalevskiy K.V1,2
-
Affiliations:
- Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev
- Institute of Physics named after academician L. V. Kirenskiy, Krasnoyarsk Scientific Center of the Russian Academy of Sciencess, Siberian Branch
- Issue: Vol 14, No 5 (2013)
- Pages: 107-109
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/503817
- ID: 503817
Cite item
Full Text
Abstract
The authors present the received interference reflectograms of soil in natural conditions with the use of registration of the signals of radiation of the constellations of navigation satellites GLONASS and GPS by receiving aerials with different polarizing characteristics. The algorithm of restoration of humidity (wet) in the surface soil layer and its geometry is designed and evaluated on the basis of the use of spatial selection and the statistical processingof time dependences of the reflectograms. The generalized refractive dielectric model for wet soils was used. It is shown that the use of dipole aerials in the method of interferential reflectometry is more efficient for reconditioning of the soils moisture.
Full Text
В прошедшее десятилетие активно развиваются поляризациями, с вариациями высоты расположения методы интерференционной рефлектометрии с ис- приемного модуля над поверхностью почвы. пользованием сигналов группировок навигационных Эксперимент. В измерениях использовано когекосмических аппаратов (НКС) ГЛОНАСС и GPS [1-4]. рентное радиоизлучение навигационных космических Исследования в данном направлении определяют аппаратов (НКА) группировок ГЛОНАСС и GPS. Рареальную перспективу создания эффективных мето- бочие частоты сигналов отдельных спутников ГЛОНАСС дик непрерывного локального мониторинга припо- лежат в диапазоне 1598,0625 <f < 1604,25 МГц (соотверхностных характеристик почвы с растительными ветственно длины волн 18,76 > Xi > 18,69 см, аппараты покровами различного типа. системы GPS излучают волны на частоте f= 1575,42 МГ ц, В данной работе представлены экспериментальные λ = 19,03 см) данные по определению влажности почвы на основе В качестве измерительной аппаратуры использорегистрации интерференционного рефлектометриче- вался мобильный радиоприемный комплекс МРК-32. ского сигнала от поверхности почвы. В эксперимен- Для регистрации и хранения полученной информации тах были использованы селективные по поляризации применялся ноутбук. МРК-32 позволяет в реальном антенны. Регистрировались интерференционные реф- времени, круглосуточно, принимать сигналы обеих лектограммы для правой круговой и вертикальной навигационных систем. Элементарные отсчеты 107 Раздел 2. Радиофизические методы диагностики окружающей среды. Алгоритмы, инструменты и результаты 12 16 го 24 27 31 34 37 39 41 43 угол теста, град Интерференционная рефлектограмма сигнала от пашни амплитуды принимаемого сигнала регистрируются с частотами в интервале 1-2 Гц. Измерения проведены в северо-западной пригородной зоне города Красноярска 7.07.2012 г. с использованием антенны, принимающей излучение с вертикально поляризованной компонентой напряженности электрического поля. Пашня вспахана и заборонена. Высота подъема антенны над поверхностью почвы 2,8 м. Географические координаты расположения антенны: 56°03'48,25" с. ш., 92°41'20,34" в. д. Содержание глинистой и песчаной фракций 28 и 72 % соответственно. Характерный параметр поверхностной шероховатости удовлетворяет условию σ / λ < 1. Объемная влажность почвы в день измерений снята в 5 точках на расстоянии 12 м от антенны и составляет 0,24, 0,26, 0,18, 0,30 и 0,22. Среднее значение - 0,24. Зарегистрированы и обработаны сигналы 9 спутников системы ГЛОНАСС и 8 спутников системы GPS. Длительность непрерывных сеансов регистрации составляла 3-5 ч. Характерная интерференционная рефлектограмма, соответствующая измерениям над пашней, представлена на рисунке. Результаты и обсуждение. Обработка экспериментальных данных для правоциркулярной и диполь-ной антенн проводились по методике, представленной в работе [4]. Массивы данных очищались от аппаратных сбоев и приводились к стандартизованному виду. Модельный расчет амплитуды принятого сигнала как функции соответствующих углов места φ проводился по формуле E = KF[1 + S + R + 2SRcos Φ]0,5, (1) где K - нормировочный множитель; F - функция диаграммы направленности приемной антенны, S - параметр шероховатости почвенного слоя; Rr = (rs + rp)/2 и Rv - френелевские коэффициент отражения правоциркулярной или вертикальной поляризации; Φ = δν + (4πΗπν / λ^ίη φ - набег фазы за счет разности хода прямой и отраженной волн; йпр - высота приемника; λ - длина волны; φ - угол места спутника. Взаимосвязь между диэлектрической проницаемостью и влажностью почвенного слоя рассчитывалась по температурно - и минералогически зависимой диэлектрической модели почвы [3]. С помощью нелинейного регрессионного анализа проводилась минимизация целевой функции путем варьирования значений искомых параметров расчетной модели. В таблице представлены результаты по восстановлению влажности свободного почвенного слоя с использованием вертикально ориентированной диполь-ной антенны по данным регистрации отдельных спутников. При статистической обработке одного сеанса использованы записи без ограничений по диапазону азимутов, что обеспечивает усреднение влажности по площади зондируемого участка вблизи антенны до 400 м. Влажность почвенного слоя, определенная с помощью дипольной антенны № п/п Навигационный спутник Высота приемника h, см Влажность почвенного слоя W, см /см 1 ГЛОНАСС-1 278,8 0,375 2 ГЛОНАСС-2 288,5 0,211 3 ГЛОНАСС-10 301,0 0,150 4 ГЛОНАСС-11 279,3 0,203 5 ГЛОНАСС-13 292,4 0,140 6 ГЛОНАСС-20 285,4 0,140 7 ГЛОНАСС-21 287,6 0,158 8 ГЛОНАСС-22 271,7 0,081 9 GPS-10 271,7 0,202 10 GPS-11 287,5 0,376 11 GPS-13 282,2 0,249 12 GPS-16 282,8 0,381 13 GPS-19 259,0 0,095 14 GPS-23 266,8 0,162 15 GPS-26 269,8 0,198 16 GPS-28 275,7 0,132 17 GPS-30 282,7 0,363 Среднее 280,2 0,213 Доверительный интервал ±5,3 ±0,052 Стандартное отклонение 10,3 0,101 Независимые измерения 285 0,24 108 Вестник СибГАУ. № 5 (51). 2013 Запись рефлектограммы в диапазоне углов, содержащем угол Брюстера, дает возможность проводить устойчивую минимизацию целевой функции и запись рефлекторграммы в диапазоне углов, содержащем угол Брюстера, дает возможность восстановить диэлектрическую проницаемость отражающего слоя и, соответственно, усредненную по площади влажность с большей точностью. На рис. 1 приведены интерференционная рефлектограмма и расчетная кривая для модели почвы с содержанием глины 25 % и объемной влажностью W = 0,213 ± 0,05 см3/см3. Полученные результаты сопоставимы со значениями влажности W = 0,244 см3/см3, определенной независимо термостатно-весовым методом. Разработана модель формирования интерференционной рефлектограммы почвенными покровами безлесных территорий с применением правоциркулярной и дипольной антенн. С помощью этой модели проведено восстановление влажности верхнего слоя почвенного покрова. Показано, что значения влажностей, восстановленных из единичных интерференционных рефлекто-метрических измерений, испытывают значительные вариации, и сделан вывод о необходимости использования массивов данных с большим количеством элементарных отсчетов для оптимизации статистической обработки. Сопоставление значений восстановленной влажности и измеренной независимым методом показало эффективность восстановления влажности почвы с использованием антенны, принимающей сигнал с вертикальной поляризацией.×
About the authors
V. L. Mironov
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev; Institute of Physics named after academician L. V. Kirenskiy, Krasnoyarsk Scientific Center of the Russian Academy of Sciencess, Siberian Branch31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prospect, Krasnoyarsk, 660014, Russia; 50/38 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia
A. V Sorokin
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev; Institute of Physics named after academician L. V. Kirenskiy, Krasnoyarsk Scientific Center of the Russian Academy of Sciencess, Siberian Branch
Email: sorav@iph.krasn.ru
31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prospect, Krasnoyarsk, 660014, Russia; 50/38 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia
M. I. Mihaylov
Institute of Physics named after academician L. V. Kirenskiy, Krasnoyarsk Scientific Center of the Russian Academy of Sciencess, Siberian Branch50/38 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia
S. V. Fomin
Institute of Physics named after academician L. V. Kirenskiy, Krasnoyarsk Scientific Center of the Russian Academy of Sciencess, Siberian Branch50/38 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia
K. V Muzalevskiy
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev; Institute of Physics named after academician L. V. Kirenskiy, Krasnoyarsk Scientific Center of the Russian Academy of Sciencess, Siberian Branch31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prospect, Krasnoyarsk, 660014, Russia; 50/38 Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russia
References
- Soil Moisture Retrieval Using GNSS-R Techniques: Experimental Results Over a Bare Soil Field / R.-A. Nereida et al. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2009. Vol. 47, № 11. P. 3616-3624.
- Kristine M. Larson et al. GPS Multipath and Its Relation to Near-Surface Soil Moisture Content // IEEE J. of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2010. Vol. 3, № 4. Part 2. P. 91-99.
- Mironov V. L., Kosolapova L. G., and Fomin S. V., Physically and mineralogically based spectroscopic dielectric model for moist soils // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2009. Vol. 47, № 7. P. 2059-2070.
- Восстановление диэлектрической проницаемости почв и лесных покровов при использовании сигналов навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS / В. Л. Миронов, С. В. Фомин, А. В. Сорокин и др. // Известия вузов. Физика. 2012. Т. 55, № 9/2. С. 99-101.
Supplementary files
