РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАЖНЫХ ПОЧВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОДЕРЖАНИЯ СОЛЕЙ В ПОЧВЕ

July 15, 2012 by admin Комментировать »

Ю. В. Горишняя Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12,           ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: ire(8)jre. kharkov. иа


Аннотация Представлены результаты численного моделирования влияния засоленности влажных почв на их радиолокационные характеристики для длинноволнового Р(70 см) диапазона. Обсуждаются возможности применения средств активного дистанционного зондирования дециметровых диапазонов для оценки засоленности почв.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: радиолокация, засоление почвы, влажность почвы, дециметровый диапазон, вертикальный профиль влажности почвы.

I.  Введение

Экологический мониторинг опустыненных, в частности засоленных земель, задача, для разрешения которой применяются различные методы, в том числе использование средств дистанционного зондирования (ДЗ), размещенных на авиаи космических носителях [1-3].

Диэлектрические свойства почвенного раствора в длинноволновой области (дециметровые и метровые волны) обладают ярко выраженной зависимостью от степени минерализации почвенного раствора (СМПР), т.е. от количества солей, растворенных в почвенной воде, и таким образом связаны с количеством солей Z в почве. Диапазон длин волн 40н-60 см был признан наиболее благоприятным для целей ДЗ засоления почв с применением радиометрии [3, 4]. При использовании радиолокационного ДЗ в Lдиапазоне (20 см) оказывалось возможным идентифицировать солончаки и районы наибольшего засоления [1, 2], однако участки почв с развивающимся засолением не идентифицировались [1].

Исследование ДЗ в радиодиапазоне засоленных земель с неравномерным по глубине распределением влажности почвы производилось лишь для ограниченного набора вариантов распределения влажности, описываемого линейными распределениями [4]. В работе [5] нами рассматривалось влияние СМПР почв на их радиолокационные характеристики для двух дециметровых диапазонов длин волн, Lи Р(соответственно 20 и 70 см), в условиях разнообразных вариантов распределения влажности почвы по глубине, в том числе воспроизводящих характерные для засоленных засушливых земель. Для сопряжения этих расчетных данных с непосредственной зависимостью от процентного содержания солей в почве необходимо провести нижеследующие дополнения.

II.  Основная часть

Почва является сложной смесью как минимум четырех диэлектрических веществ твердых фракций, свободной воды, связанной воды и воздуха. Диэлектрические свойства вещества, состоящего из смеси двух и более диэлектриков, определяются формулами, полученными из различных теоретических предпосылок. Нами использовалась эмпирическая формула, близкая к формуле [6] диэлектрической проницаемости s смеси диэлектриков с диэлектрическими проницаемостями £| и е2 : еаа-\ +(еа2 –/\)W, с значением показателя степени а, подобранным по результатам эксперимента, как это сделано в работе [7]:

где sw комплексная диэлектрическая проницаемость воды; параметр а принимается равным 0,65; р = 1,09 0,11 Р + 0,18 С, где Р и С есть доля песчаной и глинистой фракции почвы соответственно; ро плотность твердых частиц почвы; рр плотность почвы; sp диэлектрическая проницаемость сухой почвы; W{z) зависимость объемной влажности почвы от глубины.

Учет влияния связанной воды инкорпорирован в эмпирическую формулу (1), так как количество связанной воды в почве взаимосвязано с долей песчаных и глинистых фракций. При вычислениях вся вода в почве в случае влажности W>0,02 см3/см3 считалась свободной в смысле равенства ее СМПР значениям для свободной воды. Характеристики образцов почв, используемых в модельных расчетах (суглинки, засоленные галитом NaCI), описаны в работе [7]. В частности, приведенные ниже результаты расчетов получены при использовании модели со значениями: доля глинистой фракции 0=0,19; доля песчаной фракции Р=0,17; плотность твердых частиц почвы ро =2,66 г/см3; плотность почвы рр = 1,25 г/см3. Действительная часть диэлектрической проницаемости sp = е’р + / ё’р сухой почвы вычислялась по эмпирической формуле [7]: £р = (1,01 + 0,44paf 0,062. Мнимая часть диэлектрической проницаемости сухой почвы ё’р принималась равной 0,01, что позволяет достичь удовлетворительного соответствия при использовании формулы (1) с данными о ё’р натуральных почв засушливых регионов (ё’р легкосуглинистой почвы с нулевой объемной влажностью на длине волны 70 см равна 0,03, с объемной влажностью 10 см3/см3 0.21 [8]). При перенасыщении раствора некоторая часть соли выпадает в виде твердой фракции. Диэлектрическая проницаемость свободной воды sw в зависимости от ее температуры и солености вычислялась по эмпирической модели, конструируемой при помощи подстановки в выражения дисперсионной модели Дебая-Хюккеля [9] эмпирических зависимостей параметров для раствора соли NaCI, в соответствии с [10]. Для описания зависимостей распределения влаги в почве применялась аналитическая функция W(z)\ Щг) = + Ь2 exp(-az) + Ь3 exp(-2az). Варьирование параметров Ь-i, Ь2, Ь3, а позволяет описать множество профилей влажности почвы, в том числе имеющие экстремум (максимум или минимум) влажности на любой глубине под поверхностью, возрастающие и убывающие. Принятое нами приближение равномерного распределения Z по глубине в пределах глубины проникновения излучения для засоленных почв приводит к изменению

СМПР по глубине в случае неравномерного распределения влажности. Для получения значений комплексного коэффициента отражения от почв была использована вычислительная программа, выполняющая послойный расчет коэффициента отражения от мелкослоистого полупространства, являющегося эквивалентной заменой среды (почвы) со сложным профилем диэлектрической проницаемости по глубине, и затем вычисляющая соответствующие сечения обратного рассеяния.

Для примера на рис.1 показано несколько характерных случаев соответствующих зависимостей. Поверхность почвы описывалась как случайношероховатая с гауссовой функцией корреляции высот неоднородностей. Радиус корреляции /с и среднеквадратические высоты неоднородностей h принимались в пределах, наблюдающихся в натурных экспериментах, для длины волны 1=69 см (P-диапазон) удовлетворяющих условиям применимости модифицированного метода малых возмущений [11]. Результаты теоретических расчетов приведены в виде зависимости величины контрастов К от весового процентного содержания солей: К = 10 \q{<jJ<Jq), где owсечение обратного рассеяния влажной почвы; сто сечение обратного рассеяния сухой почвы с такими же параметрами шероховатостей поверхности на той же длине волны Я. Численные эксперименты проводились для случая засоленности солями NaCI, температура почвы 14°С. Жирными линиями показаны случаи однородного распределения влажности с глубиной. Тонкие линии представляют случаи реалистического распределения почвенной влаги с глубиной. В качестве предположения для расчетов нами был принят обычный для практики случай, когда глубина залегания слоя грунтовых вод существенно больше глубины проникновения электромагнитных волн в породу для данной длины волны излучения. Начиная с некоторой глубины «насыщения» под поверхностью Z£, такой, что \(W(Z.E) WE)IWE\ < 0.03 см /см3, величина объемной влажности почвы приближается к равновесному значению WE.

Привлекают внимание результаты численного моделирования зависимостей К(Z) в Р-диапазоне для различных сценариев подповерхностного распределения влажности, которые в общем случае можно представить как возрастание влажности с глубиной от малого значения на поверхности почвы. Такая ситуация часто реализуема в условиях засушливого климата засоленных регионов. Можно наблюдать нелинейное возрастание радиоотклика от поверхности засоленных почв, особенно заметное в случаях большого градиента влажности. После достижения насыщения почвенного раствора при данном значении почвенной влажности дальнейшее увеличение засоленности почв не приводит к увеличению радиоотклика. Величина контрастов обратного рассеяния для различных расчетных случаев распределения влажности с глубиной колеблется, заключаясь в пределах 2 3,5 дБ. Видно, что неравномерное распределение с глубиной влажности почвы привносит заметные изменения в вид зависимости в пределах вариаций Z вплоть до 4% (сильное засоление). Расчетные значения радиооткпика от засоленных почв позволяют надеяться на возможность использования радиолокационных средств дистанционного зондирования в длинноволновом дециметровом диапазоне для выявления засоления почв в засушливых и орошаемых регионах.

Рис. 1. Зависимость контрастов интенсивности обратного рассеяния К от засоленности Z для длины волны Л=69 см. Жирные кривые 1-2 однородное распределение объемной влажности W с глубиной: 1 -W = 0.02 см3/см3, 2-W =

0.4 см3/см3. Кривые 3-4 распределение влажности, возрастающее с глубиной до некоторого значения насыщения, параметры Ь1 = 0.4, Ь2 = 0.48, Ь3 = 0.1: 3 ZE = 9 см, 4 -ZE = 45 см. Угол падения излучения 30 ° параметры шероховатости поверхности rms h = 0.8 см, радиус корреляции 1С = 5 см, горизонтальная поляризация

Fig. 1. Contrasts К versus salinity Z on wavelength Л=69 cm. Bold line presented case of homogeneous moisture content W: 1-W= 0.02 cm3/cm3, 2-W =

0.    4 cm3/cm3. The curve 3,4the increasing W, b1 =

0.               4, b2 = -0.48, b3 = 0.1: 3 ZE = 9 cm, 4 -ZE = 45 cm. The intention angle 30 ° rms h =0.8 cm, correlation length ic = 5 cm, horizontal polarization

III.  Заключение

Рассмотрены некоторые аспекты влияния засоленности почв на их радиолокационные характеристики в дециметровом диапазоне длин волн (Р-диапазон). Для длинноволнового P-диапазона расчеты показывают стабильный эффект увеличения интенсивности обратного рассеяния при росте засоления. Влияние неравномерного распределения влажности в почве с глубиной в обычных природных условиях, согласно расчетным данным, сказывается в еще большем увеличении этого эффекта. Для распределений влажности, сходных с описанными в литературе по натурным данным для засоленных регионов, этот эффект заключен в пределах 2,5 3,5 дБ.

IV. Список литературы

[1]    Chaturvedi L., Carver К. R., Harlan J. С., Hancock G. D., Small F. V., Dalstead К. T. Multispectral remote sensing of saline seeps// IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. –

1983. GE-21. №3. P.239-251.

[2]    Mettemicht G. I. Fuzzy supervised classification of JERS-1 SAR data for soil salinity studies//IGARSS’97.1997 International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Remote Sensing A Scientific Vision for Sustainable Development (Cat. No. 97CH36042), Singapore, 3-8 Aug. 1997. New York, NY, USA: IEEE. -1997.-1 P.338-340.

[3]    Реутов E. А., Шутко А. М. Теоретические исследования СВЧ-излучения однородно увлажненных засоленных почв// Исслед. Земли из космоса. 1990. №3. С. 73-81.

[4]    Реутов Е. А., Шутко А. М. Экспериментальные исследования СВЧ-излучения однородно увлажненных засоленных почв// Исслед. Земли из космоса. 1990. №4. С.78-84.

[1]    Горишняя Ю. В. Моделирование влияния засоленности влажных почв на их радиолокационные характеристики в дециметровом диапазоне длин волн// Радиофизика и электроника. 2001. 6, №1. -С.84-92.

[2]    Богородицкий Н. П., Волокобинский Ю. М., Воробьев А. А., Тареев Б. М. Теория диэлектриков. М.; Л.: Энергия. 1965.

[3]    Dobson М. С., Ulaby F. Т., Hallikainen М. Т. El-Rayes

М.A. Microwave dielectric behavior of wet soil Part II: Dielectric mixing models// IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1985. GE-23. №1. P.35-46.

[4]    Sternberg В. K., Levytskaya Т. M. Electrical parameters of soils in the frequency range from 1 kHz to 1 GHz, using lumped-circuit methods// Radio Science. 2001. 36, №4.

–          P.709-719.

[5]    Переслегин С. В. О соотношении между тепловыми и радиояркостными контрастами морской поверхности// Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1967. –

[6]    Collie С. Н., Hasted I. В., Ritson D. М. Dielectric properties of Н20 and D20// Proc. Phys. 1948. 60, № 338. –

P. 207-216.

[7]    Timchenko A. I., Gorishnya Y. V. Soil moisture profile determination using remote sensing techniques// IGARSS’97. -New York, NY, USA: IEEE. 1997. 3. P.1105-1107.

MODELING OF REMOTE SENSING CHARACTERISTICS OF SALT WET SOILS IN DECIMETER WAVELENGTH RANGE

Y. V. Goryshnya Usikov Institute of Radiophisics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine 12, Ac. Proscura street, Kharkov, 61085, Ukraine

Microwave remote sensing could prove to be valuable in monitoring processes on desertization, as sample salinisation of soils. The dependence of soil dielectric constants on dielectrical properties of brine-rich soil water, and, because this, on salt content could be used to determine of parameter of environment. The decimeter wavelength range (A =40-60 cm) was proposed as more available for purpose of remote sensing of soil salinity (Reutov, Shutko, 1990). We presented results of numerical experiments on modeling the influence of salinity of wet soils on their radar sensing characteristics in P-(70 cm) wavelength range with the influence of a vertical profile of the soil humidity distribution.

Modified Debay expressions are used to calculate the dielectric constant of brine as a function of temperature and salinity. The mixing model for soil with inclusion of halite (NaCI) was based on semiempirical model of Dobson at all (1985). The vertical profile of soil humidity was described by function W(z) = £>! + b2 exp(-az) + 63 exp(-2az). The variation of parameters bb b2, 63, a gives the possibility to present any profile of water content, both decreasing and increasing, with maximum or minimum. For P-band remote sensing the modified small perturbation method (Timchenko, Gorishnya, 1997) was used as solution to scattered problem.

Fig.1 presented some examples of numerical results. These data are shown as contrast К = 10 lg(<rw/<To), where <rw is backscattering coefficient calculated for moist soil; <r0 is backscattering coefficient for dry soil with the same surface roughness parameters on equal wavelength 1. The cases of soil humidity include both homogeneous and nonhomogeneous distributions, which describe increasing with depth soil moisture, accordingly to nature condition profiles.

The effect of salinity in these results was expressed as the increase of backscattering coefficient with the increase of salinity values Z. This effect is essentially nonlinear and lies at a level 2-3,5 dB for 1-4% Z variation range. After brine saturation further increasing ofthe salinity does not influence on backscattering. Such calculated values allow to hope on a ability of active remote sensing techniques in the decimeter wavelength range for estimation ofthe salinity of soils.

KEY WORDS: radiolocation, saline seeps, wet soils, decimeter waves, vertical profile of soil humidity.


Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты