VARIATIONS OF AMPLITUDE AND PHASE COEFFICIENT OF MICROWAVES REFLECTION OF THE MOIST BEDDED SOIL

Texto integral

В настоящее время одним из эффективных методов дистанционного зондирования земной поверхности являются интерферометрические радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) космического базирования, которые позволяют выполнять пространственный мониторинг земной поверхности независимо от времени суток и при любой погоде [1]. Для получения корректных продуктов интерферометриче-ской обработки радиолокационных изображений (РЛИ) необходимо с достаточной точностью восстанавливать изменение фазы отраженного сигнала [2]. Эта фаза, формируемая в результате отражения от земной поверхности, определяется не только длиной пройденного волной пути, но и аргументом (фазой) комплексного коэффициента отражения волны. Однако возможное влияние изменения фазы радиолокационных сигналов за время витками, например, в случае возникновения слоистой структуры влажности почвы, в методе радиолокационной интерферометрии обычно не учитывается. Отметим также, что в микроволновой радиометрии излучательная способность земных покровов в радиодиапазоне, определяется амплитудой коэффициента отражения, на которую, влияет слоистая структура [3]. Целью данной работы является исследование влияния слоистой структуры влажности почвы на вариации амплитуды и фазы отраженного сигнала. В работе [4] было рассмотрено влияние слоистой структуры влажности почвы на фазу коэффициента отражения мик роволн в Z-диапазоне. В данной работе вариации амплитуды и фазы, вызываемые слоистостью почвы, исследуются и для других используемых в настоящее время радиолокационных диапазонов. Электрические свойства почвы, от которых характеризуются комплексной диэлектрической проницаемостью (КДП): ε = ε, -i ·ε2 (1) где ει - действительная часть ε; ε2 - мнимая часть ε. Коэффициенты отражения от поверхности раздела двух однородных сред определяются известными формулами Френеля. КДП почвы в общем случае является сложной функцией таких параметров как влажность почвы, частота излучения, температура, состав почвы. Для аналитического описания КДП обычно используются эмпирические и полуэмпирические модели. Наиболее существенное влияние на КДП оказывает влажность почвы, что связано с большим различием между диэлектрической проницаемостью сухой почвы (ει = 2-3) и воды (ει = 81). Существует ряд моделей диэлектрической проницаемости, учитывающих частотные зависимости и различные параметры почвы. Наиболее известными в настоящее время являются модели Добсона [5] и Миронова [6], причем последняя, например, принята в качестве базовой для космической миссии SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). Работа выполнена при поддержке Минобрнауки (госконтракт № 14.515.11.0030) и грантами РФФИ № 12-05-980622р_сибирь_а, РФФИ № 13-08-01132. 117 Раздел 2. Радиофизические методы диагностики окружающей среды. Алгоритмы, инструменты и результаты Рис. 1. Зависимости фазы коэффициента отражения от объемной влажности при различных углах падения θ (кривая 1 - θ = 0; 2 - θ = 40; 3 - θ = 60) ψ, град а б Рис. 2. Зависимости модуля (а) и фазы (б) коэффициента отражения волны с частотой 1,4 ГГц от объемной влажности для слоистой почвы при d = 2 см (кривые 1 и 2 - изменяется влажность слоя, влажность нижнего полупространства равна 0,1 и 0,3) соответственно; кривые 3 и 4 - изменяется влажность нижнего полупространства, влажность слоя равна 0,1 и 0,3 соответственно) Используем для оценок эмпирические зависимости, полученные в [7] для различных частот. Например, для частоты 1,4 ГГц ε1 =(2,862 - 0,012 · S + 0,001· C ) + + (3,803 + 0,462 · S - 0,341· C )w + + (119,006 - 0,500 · S + 0,633 · C ) w2, ε2 =(0,356 - 0,003 · S - 0,008 · C) + + (5,507 + 0,044 · S - 0,002 · C )w + + (17,753 - 0,313 · S + 0,206 · C )w2, где C - процентное содержание глины; S - процентное содержание песка. Результаты расчетов фазы комплексного коэффициента отражения приведены на рис. 1. Френеля φ в зависимости от объемной влажности почвы при различных значениях угла падения волны. Значения C и S слабо влияют на результаты расчетов. Кривые на рис. 1 получены при C = 0,13 и S = 0,51. Приведенные зависимости показывают, что увеличение влажности почвы до значения порядка 5 % при водит к неглубокому минимуму аргумента коэффициента отражения и при дальнейшем увеличении влажности значение аргумента растет и стремится к 180. Изменения аргумента в зависимости от изменений влажности не превышают 4-6. В действительности случай однородной почвы является идеализацией. Более общей является ситуация, когда влажность изменяется по глубине и почва является слоистой средой. Слоистость может носить непрерывный или дискретный характер в зависимости от особенностей почвы. Рассмотрим для оценки влияния слоистой структуры влажности почвы на аргумент коэффициента отражения наиболее простой случай двухслойной среды. Пусть на почве, занимающей полупространство с одним значением влажности, лежит слой почвы толщиной d с другим значением влажности. Границы раздела между средами являются плоскими. На рис. 2 представлены рассчитанные модули и фазы коэффициента отражения от такой двухслойной среды [8] при нормальном падении волны с частотой 1,4 ГГц на слой толщиной 2 см. Приведенные данные показывают, что слоистость почвы приводит к заметным изменениям фазы коэф 118 Вестник СибГАУ. № 5 (51). 2013 фициента ослабления, достигающим значений до 54 (кривая 4) в диапазоне изменений объемной влажности от 0 до 0,4. Отметим, что зависимости имеют довольно нерегулярный вид, модули и аргументы коэффициента отражения может, как возрастать с увеличением влажности, так и убывать или иметь немонотонный характер. Эти явления объясняются интерференционным характером формирования отраженной волны. Наименьшие изменения как амплитуды, так и фазы наблюдаются в случае, когда слой имеет постоянную влажность 0,3, а влажность нижележащего полупространства изменяется. Это объясняется тем, что в данной ситуации глубина проникновения в почву оказывается немногим больше 2 см. В случае влажности верхнего слоя, равной 0,1, также наблюдается слабое изменения амплитуды, однако изменения фазы значительны. На рис. 3 приведены зависимости модуля и фазы коэффициента отражения от влажности почвы для частоты 5,4 ГГц (С-диапазон), Представленные данные также показывают существенные вариации как амплитуды, так и фазы при изменении влажности почвы для двухслойной структуры. При этом существенным изменениям амплитуды могут соответствовать сравнительно небольшие колебания фазы (кривые 1). Контраст между менее влажным верхним слоем и более влажной нижележащей почвой приводит к значительному отклонению значения фазы от ее значения в случае однородной почвы. Расчетные зависимости для частоты 9,65 ГГц (Х-диапазон) представлены на рис. 4. Из приведенных зависимостей следует, что они носят такой же качественный характер, как и в С - диапазоне волн. Однако здесь контраст между сухим верхним слоем толщиной всего 5 мм и влажной почвой внизу приводит к еще большим вариациям фазы (больше 100). Таким образом, представленные результаты показывают, что при радарной интерферометрии, а особенно при дифференциальной интерферометрии, необходимо учитывать слоистую структуру влажности почвы, поскольку вариации фазы могут превышать 100°. а б Рис. 3. Зависимости модуля (а) и фазы (б) коэффициента отражения волны с частотой 5,4 ГГц от объемной влажности для слоистой почвы при d = 1 см (кривые 1 и 2 - изменяется влажность слоя, влажность нижнего полупространства равна 0,1 и 0,3) соответственно; кривые 3 и 4 - изменяется влажность нижнего полупространства, влажность слоя равна 0,1 и 0,3 соответственно) а б Рис. 4. Зависимости модуля (а) и фазы (б) коэффициента отражения волны с частотой 9,65 ГГц от объемной влажности для слоистой почвы при d = 0,5 см (кривые 1 и 2 - изменяется влажность слоя, влажность нижнего полупространства равна 0,1 и 0,3) соответственно; кривые 3 и 4 - изменяется влажность нижнего полупространства, влажность слоя равна 0,1 и 0,3 соответственно)

Sobre autores

P. Dagurov

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

Email: dpn@ipms.bscnet.ru
6 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

A. Dmitriev

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

6 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

T. Chymitdorzhiev

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

6 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

A. Bazarov

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

6 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

A. Baltukhaev

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

6 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

Zh. Dymbrylov

Institute of Physical Materials Science of Russian Academy of Sciences, Siberian Branch

6 Sakhyanova st., Ulan-Ude, 670047, Russia

Bibliografia

Arquivos suplementares