Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование способов увеличения глубины зондирования почвы при определении ее влажности СВЧ - радиометрическими методами

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Исследование способов увеличения глубины зондирования почвы при определении ее влажности СВЧ - радиометрическими методами"

иго од

На правах рукописи

ЩЁТКИН Игорь Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ УВЕЛИЧЕНИЯ ГЛУБИНЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ПОЧВЫ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ЕЕ ВЛАЖНОСТИ СВЧ - РАДИОМЕТРИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

специальность - 11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г.Омск 1995 г.

Работа выполнена в университете

Омской государственном педагогически

Научный руководитель:. Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Запита состоится "09" июня 1995 г. в 14 часов

на заседании Диссертационного совета К 064.45.03 в Алтайском государственном университете

Адрес: 636099, Алтайский край, г.Барнаул, ул. Димитрова 66.

С диссертацией моино ознакомиться в научной библиотеке ЙГ9_

Автореферат разослан ___ 1995 г.

кандидат физико-математических наук, профессор Ьобров П.П.

доктор физико-математических наук, профессор Якубов В.В., кандидат физико-математических наук, с.н.с. Бордонский Г.С.

Институт космических исследований РАН

Ученый секретарь Диссертационного совета

Кузиков С.С.

Актуальность.

Учет и прогноз в хозяйственных и социальных целях изменчивости природных ресурсов и условий среды определяются задачами как мониторинга их состояния, так и насущными экологическими проблемами.

Для наиболее рационального использования земельных ресурсов нужна аппаратура и методы исследования для оценки таких параметров подстилающей поверхности, как: влажность почвогрунтов и определение продуктивного влагозапаса, степень минерализации почв, количество биомассы и оценка ее параметров, глубина промерзания, определение уровня грунтовых вод [1.2].

Прогнозирование урожая сельскохозяйственных культур для больших площадей сопряжено с рядом трудностей, основная из которых -неадекватность информационного обеспечения задачи при существующей сети наземных наблюдений. Применение методов дистанционного зондирования и неразрушающего контроля обеспечивает возможность осуществления оперативных обследований больших территорий с помощью авиационных и космических носителей, позволяет существенно расширить информационную базу прогноза и получать пространственно распределенные количественные характеристики посевов.

Одним из способов решения этих задач в настоящее время является использование многоканальных радиометрических комплексов для авианосителей.

Фактическим объектом исследования при дистанционном зондировании являются физические параметры подстилающей поверхности, участвующей в сельскохозяйственном производстве. Для их оценки применим косвенный метод, в основу которого положена зависимость собственного радиотеплового излучения подстилающей поверхности от физических характеристик этой поверхности [1]. В работах многих авторов показана возможность решения данных задач в том или ином приближении [3,4]. Основная проблема определения влажности - это глубина слоя, в котором определяется влажность радиометрическими методами. При средней влажности почвы тепловое излучение формируется в слое, составляющем около 0.4 длины волны принимаемого излучения, что составляет около 15-20 см при длине волны 50 см

[5,6]. Для прогнозирования же урожая надо знать запас влаги в метровом слое.

Целью диссертационной работы являлось:

- разработка методики интерпретации данных многочастотного дистанционного зондирования почвенного покрова в СВЧ диапазоне на основе установления взаимосвязей между радиоизлучательными, гидрофизическими характеристиками почв и геометрической структурой поверхности, с целью повышения глубины зондирования и снижения погрешности измерений;

- установление взаимосвязи между гидрофизическими характеристиками почв в слое толщиной до 1 м и их отражательными характеристиками в дециметровом диапазоне;

- создание аппаратуры для реализации поставленных целей. Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложена модель послойного определения влажности обработанных почв многочастотным радиометрическим методом, позволяющая достичь приемлемой точности результатов при наличии двух факторов, обычно увеличивающих погрешность и снижающих глубину эффективно' зондируемого слоя, таких, как: поверхностные неровности и неоднородный профиль влажности;

- проведены исследования поляризационных характеристик собствен-■юго излучения почв с различной геометрической и гидрофизической зтруктурами;

- проведены натурные исследования зависимости отражательных характеристик почв от влажности в слое глубиной до одного метра, на гастотах 300 МГц и 900 МГц с использованием в качестве зондирую-1его - шумового сигнала, что позволило ослабить интерференционные •ффекты.

практическая значимость:

разработана и опробована методика послойного определения влазк-ости почв на основе данных многоканального поляризационного ра-иометрического зондирования;

разработаны ъ изготовлены двухчастотный влагомер почв с глуби-ой зондирования до одного метра и макет влагомера материалов с алой влажностью;

- экспериментально установлены отражательно-влажностные зависимости для почв на частотах 300 МГц и 900 МГц;

- показана возможность использования двухчастотного влагомера для обнаружения неоднородностей в почве и определения уровня грунтовых вод;

- использование разработанной методики и аппаратуры в сельском хозяйстве, гидрологии в целях оперативного контроля экологического состояния земельных ресурсов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современной научной аппаратуры. Сходством полученных экспериментальных данных с теоретическими, а также в некоторых случаях с данньми экспериментальных исследований других авторов. Научная апробация результатов: Основные результаты работ докладывались автором на юбилейной научно-практической конференции "Вклад вузовской науки в дело ускорения научно-технического и социального прогресса" (ОГПИ, г.Омск, 1986г.); на 27 научной конференции профессорско-преподавательского состава Омского политехнического института (Омск, ОПИ, 1989 г.); на втором Всесоюзном симпозиуме "Дистанционное зондирование земных покровов радиометодами" (Ленинград, 1989 г.)-; на Всесоюзной конференции "Дистанционное зондирование агропочвенных и водных ресурсов" (Барнаул, 1990 г.); на 17-й Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Ульяновск,1993 г.); на научных семинарах в ОмГПУ (Омск, 1986-1995 г.). Алтайском гос. университете (Барнаул, 1994 г.). Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ и 3 на правах рукописи. Список работ приведен в конце автореферата. Положения, выносимые на защиту:

- поляризационные эффекты, возникающие при излучении периодически неровной поверхности с неравномерным профилем влажности;

- методика послойного определения влажности;

- отражательные характеристики почв на частотах 900 и 300 МГц. Практическая апробация результатов. Разработанная методика и аппаратура применялись при выполнении работ в рамках подготовки международного проекта "Природа".

Структура и обьен работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий обьем

диссертации 206 машинописных страниц, включая 49 страниц рисунков и таблиц, списка литературы из 135 наименований отечественных и зарубежных авторов, приложения на 37 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы, её новизна и практическая значимость, изложена структура и краткое содержание диссертации.

В первой главе -"Диэлектрические и излучательные характеристики почв в СЕЧ диапазоне", содержится обзор литературы по почвоведению и радиофизическим методам исследования почв. Глава состоит из пяти разделов. В первом разделе рассматриваются основные физико-механические, гидрологические и тепловые свойства почв. Здесь же приводятся определения и количественные значения, характерные для почв, таких их характеристик, как плотность, пороз-ность, усадка, набухание, твердость, теплопроводность и теплоемкость. Во втором разделе рассматриваются диэлектрические свойства почв и модели диэлектрической проницаемости почв, выясняется влияние механического . состава почвы на ее диэлектрические характеристики, рассматривается вопрос о диэлектрических свойствах различных форм влаги и взаимосвязи гранулометрического-состава почвы с содержанием влаги в той или иной форме, каково влияние почвенных солей на диэлектрическую проницаемость почвы. • Третий раздел посвящен основным радиофизическим характеристикам гладких почв, полученным с помощью дистанционного наблюдения за почвой методами пассивной локации. Рассматриваются различные модели радиотеплового излучения земной поверхности и результаты натурных экспериментов по определению радиояркостной температуры в зависимости от глубинного профиля влажности почвы. В четвертом разделе рассматриваются поляризационные и угловые зависимости радиояркостной температуры почвы от параметров шероховатости, от наличия растительного покрова и от периодичности неровной поверхности почвы, которая наблюдается после обработки почвы сельхозорудиями. В пятом разделе первой главы на. основе рассмотренного материала ставится задача исследования.

Во второй главе - "Экспериментальные установки. Методика и техника натурного эксперимента" - пять основных разделов. Первые два посвящены описанию самолетного и автомобильного радиометрических комплексов. В состав самолетного радиометрического комплекса в 1986 г. входили радиометрические приемники диапазонов 18 см, 2.3 см й радиометр-поляриметр диапазона 3.6 см. В 1987 г. в самолетном комплексе использовались-, радиометр диапазона 50 см и радиометры-поляриметры диапазона 15 см и 3.6 см. Приводится описание и характеристики радиометрических приемников, составляющих данные комплексы/ а также характеристики приемных антенн. Выбор диапазонов- обусловлен следующими предпосылками: 0.8 - 3.5 см - характерные размеры комьев пашни после обработки; • канал 15-18 см - обусловлен сравнимостью его с пространственной длиной волны периодически неровной поверхностью пашни; канал 50.см-практи чески наибольшая длина волны, на которую еще не влияет подсветка со стороны неба и еще возможно создание антенн приемлемых размеров. Комплект радиометров автомобильного комплекса аналогичен комплекту самолетного 1987 г. В третьем разделе рассматриваются устройство и принцип работы двухчастотного влагомера почв с длиной волны основного канала 80-110 см и вспомогательного 30-35 см (центральные частоты соответственно 300 МГц и 900 МГц). Особенностью данного прибора является работа обоих каналов в "активном" режиме: излучение зондирующего шумового сигнала и одновременный прием отраженного сигнала на одну антенну. Использование шумового сигнала, в отличие от сигналов другого вида, позволяет ослабить возникающие при отражении от слоистой среды интерференционные эффекты. В четвертом разделе рассматривается устройство и принцип работы влагомера малых влажностей (5-12% весовой), коэффициент отражения от границы материала при таких значениях влажности невелик, и его изменение при изменении влажности практически не выходит за пределы собственного коэффициента отражения антенны. В основу его работы положен способ измерения влажности, связанный- с изменением длины волны в микрополосковой линии, наложенной на поверхность исследуемого материала. Увеличение влажности материала приводит к уменьшению длины волны в ней. Пятый раздел посвящен описанию методики измерения радиояркостной температуры почв само-

ютным и автомобильным радиометрическими комплексами, а также ютодике проведения измерений коэффициента отражения электромаг-¡итных волн двухчастогным влагомером. Подробно рассматривается ¡етодика калибровок радиометрических комплексов и влагомера.

Калибровка самолетного комплекса осуществлялась по лесу и скрытой водной поверхности. Калибровка автомобильного комплекса ■существлялась по радиопоглощающему покрытию и открытой водной оверхности. Калибровка двухчастогного влагомера осуществлялась о-нескольким реперным точкам с известными значениями коэффициен-а отражения. Здесь же приводится-описание полигонов автомобиль-ого и самолетного экспериментов и ход проведения измерений. В эследнем разделе рассматривается методика проведения измерений Зщефизических характеристик почв контактньми методами.

Третья глава - "Исследование излучательных характеристик почв периодически неровной поверхностью" посвящена описанию резуль-атов моделирования и анализу экспериментальных данных дистанци-нного зондирования реальных поверхностей.

Поверхность сельскохозяйственных полей благодаря рядовому пособу обработки и посева является периодически неровной. По-эрхность парового поля, например, имеет вид стиральной доски, и э профиль может быть представлен синусоидой с пространственным эриодом от 10-15 до 100 см и амплитудой от 1,5 до- 5 см; посевы зимых, стерневые остатки имеют вид рядков с пространственным пе-годом 10-25 см. Собственное излучение в направлении средней фмали от такой поверхности является поляризованным.

Первый раздел посвящен теоретическим расчетам излучательных фактеристик почв с периодически неровной поверхностью с исполь-'Ванием квазистатических моделей, таких, как некогерентная и ко-Фентная модели переноса излучения. Приведены результаты расче-'В радиояркостной температуры и степени поляризации излучения ш разных значений отношения пространственного периода неровнос-й Л к длине волны принимаемого излучения X. При расчетах предпо-.галось, что высота неровностей не превышает 0,2-0, ЗХ, это опре-ляется ограничениями, накладываемыми моделями. При условии А<\, ой, содержащий периодические неровности, можно представить в де набора анизотропных слоев, диэлектрическая проницаемость ко-

торых зависит от направления и определяется относительным обьем-ным содержанием в слое воздуха (е0) и среды (£а).Диэлектрическая проницаемость среды £ может быть постоянной, либо функционально зависящей от координаты г.

Наибольшее внимание было уделено излучению в направлении нормали к поверхности, поскольку этот случай наиболее часто встречается при дистанционном зондировании природных образований с аэроносителей.

При наблюдении в надир излучения от гладкой поверхности понятия горизонтальной и вертикальной поляризации теряют смысл, однако излучение от периодически неровной поверхности различно во - взаимно ортогональных поляризациях. В дальнейшем при описании излучения в направлении нормали считаем, что вертикальная поляризация соответствует случаю, когда вектор Е совершает колебания в направлении, совпадающем с направлением волнового вектора пространственной волны, описывающей поверхностную неровность. В ходе вычислений при постоянной диэлектрической проницаемости верхнего слоя изменялась диэлектрическая проницаемость нижнего слоя. В расчетах использовались значения комплексной диэлектрической проницаемости, соответствующие изменению влажности почвы в пределах от 0.07 до 0.34 г/см3, в соответствии с данными, приведенными в работе [71. Получено, что излучение на горизонтальной поляризации в большей степени зависит от изменения диэлектрической проницаемости в подповерхностном слое, тогда как излучение на вертикальной поляризации зависит от этих изменений в меньшей степени. Эта особенность излучения из периодически неровных почв может быть использована для повышения точности дистанционного измерения влажности подповерхностного слоя. Чем больше различие в диэлектрической проницаемости первого и второго слоев, тем больше разница в радиояркостной температуре на двух поляризациях. Результаты расчета степени поляризации Р=(ТЯГ-ТЯВ)/(Тяг+Тяв) показывают, что при равенстве диэлектрических проницаемостей первого и второго слоя степень поляризации имеет отрицательный знак и невелика по модулю.

Во втором разделе рассматривается один из строгих методов решения задачи собственного излучения периодической поверхности с

крупномасштабными неровностями (ЛАМ). В результате расчетов получены зависимости излучательной способности для различных соотношений пространственного периода поверхности и длины волны зондирующего излучения. Из полученных данных видно, что на зависимостях излучательной способности на вертикальной поляризации (ВП) от угла наблюдения имеются локальные максимумы, приближенно удовлетворяющие соотношению: пХ=Л(1±з1п8). Эти так называемые "критические" или "пороговые" явления обусловлены возникновением или исчезновением мод Флоке [8].

Амплитуда локальных максимумов зависит от соотношения ЛА и диэлектрической проницаемости. При одинаковых значениях ЛА и амплитуде, при наблюдении в надир, с увеличением диэлектрической проницаемости зенитная излучательная способность падает, а степень поляризации возрастает. При уменьшении ЛА излучательная способность возрастает, причем эта зависимость на вертикальной поляризации возрастает более резко и имеет резонансный характер. Максимум излучения наблюдается вблизи точки ЛА=1. При возрастании ЛА излучательная способность на вертикальной поляризации уменьшается и уже при ЛА>4 почти равна излучательной способности гладкой поверхности.

Из полученных результатов следует, что при дистанционном определении диэлектрической проницаемости сред с периодически неровной поверхностью, с помощью одноканального радиометра, когда точное значение ЛА неизвестно, желательно выбирать ЛА >3 и наблюдения целесообразно проводить на горизонтальной поляризации. Но при реальных значениях Л=15-100 см, эти рекомендации не всегда выполнимы, так как уменьшение длины волны приводит к уменьшению глубины зондируемого слоя.

В третьем разделе рассматриваются результаты модельного эксперимента по исследованию излучательной способности периодически •неровной поверхности почвы, моделируемой при помощи текстолитовых стержней диаметром 2.2 см, подтверждающие выводы предыдущего параграфа.

В четвертом разделе приводится анализ экспериментальных значений излучательных характеристик почв с открытой поверхностью и почв, покрытых растительностью. Рассматривается возможность дис-

танционного распознавания различных агрофонов, таких, как пар, стерня, зябь, безотвальная обработка. Измерение одной средней ра-диояркостной температуры в диапазоне длин волн 18-0.8 см не позволяет однозначно отличить такие агрофоны, как пар, зябь, стерня. Эти измерения могут быть использованы для определения таких характеристик многолетних трав, как равномерность посева и величина биомассы.

В результате наблюдений установлено, что степень поляризации может быть включена в число информативных признаков при отношении пространственного периода поверхности к длине волны 0.5-3. На длине волны 18-50 см таким периодом обладает поверхность пара и зяби (25-100 см), на длине волны 3.6 см - это стерня (расстояние между рядками 10-15 см), на длине волны 0.8 см - отдельные вертикально стоящие стебли стерни (расстояние между стеблями 1-5см)..

Пятый и шестой разделы посвящены обоснованию методики послойного определения влажности почв с периодически неровной поверхностью и описанию экспериментальной проверки этой методики. В силу того, что глубина эффективно излучающего слоя мала (около 0. 2-0. ЗХ при характерных средних влажностях почвы 15-20%), нельзя дистанционным способом определить профиль влажности до желаемой глубины (порядка 1м), а, следовательно, и продуктивный влаго-запас. Эту задачу частично можно решить при помощи измерения ра-диояркостной температуры почвы на нескольких .частотах и различных поляризациях. Этим методом определяется наличие не только градиента влажности в почве, но и наличие инверсионных слоев. Методика послойного определения влажности обьединяет в себе теоретический расчет по модели переноса излучения и анализ данных, полученных в результате дистанционного зондирования многоканальным комплексом.

Использование двух каналов для измерения на ортогональных поляризациях (при одной частоте) позволяет определить знак градиента влажности в зондируемом слое d по знаку степени поляризации зенитного излучения. В случае, если влажность в пределах зондируемого слоя уменьшается,Р>0; в противном случае - Р<0. Как показал эксперимент, указанные типы профилей уверенно различаются при изменении влажности с глубиной больше, чем 1,5% на 1 см [6]. Применение двух таких приборов с рабочими частотами, отличающимися

на порядок, позволяет определить профили с инверсией влажности, расположенной в верхней половине скин-слоя d2 длинноволнового канала, но ниже скин-слоя коротковолнового канала dt. Описанный выше метод позволяет определять наличие инверсии влажности на глубине dt<h~0.5dz и уточнить общий влагозапас в слое йг. При дальнейшем развитии данного принципа показано, что трехчастотный радиометр-поляриметр позволяет аналогичным образом измерять влажность в трех слоях.

• Учитывая изменчивость влажности верхних слоев почвы, можно провести разбиение на слои 0-2 см, 2-6 см, и 6-20 см, и в каждом слое определять влажность отдельно с учетом влияния на радиотепловое излучение верхних слоев.

С учетом того, что при малой и средней влажности глубина эффективно излучающего слоя составляет около 0.5Х,, а при неоднородном увлажнении она несколько ниже, можно выбрать рабочие диапазоны радиометрического комплекса 3.5-4 см, 15-18 см, 50 см. При большой влажности почв с помощью такого комплекса можно измерять влажность в слоях 0-1 см, 1-4 см, 4-15 см. Увеличение глубины зондирования возможно лишь за счет увеличения рабочей длины волны, что приводит к трудностям создания направленных антенн приемлемых размеров. Поскольку влажность в слоях 15-60 см меняется мало, для ее оценки можно использовать значительно более редкие измерения контактными методами и прогностические расчеты с учетом метеоусловий и радиометрических данных о динамике влажности в верхних слоях.

Опираясь на вышеизложенное, предлагается следующая методика послойного определения влажности в пахотном слое:

- влажность в слое 0-2 см (или 0-1 см при большой влажности) определяется путем перевода Тя на частоте 7.7 ГГц (длина волны 3.6 см) во влажность с помощью обычной радиационно-влажностной зависимости;

- влажность во втором слое 2-6 см определяется с учетом влажности в верхнем слое и с учетом его экранирующего влияния, по рассчитанным зависимостям радиояркостной температуры почвы от влажности нижележащего слоя при постоянной влажности верхнего слоя. По измеренному знаку степени поляризации на Х=3.6 и Х=18

см, и, воспользовавшись данными о зависимости степени поляризации излучения от диэлектрической проницаемости нижележащего слоя с учетом изменения знаков степени поляризации (о котором было сказано выше) на этих частотах, определяется знак градиента влажности, наличие инверсионного слоя

- влажность в третьем слое 6-20 см (5-15 см) рассчитывается с учетом влажности в двух верхних слоях с помощью уравнения переноса излучения, которое в случае одинаковой температуры для всех слоев Т имеет вид:

Тя = ТЦ-Й!) • Ц-ехрС^Лг) • (йгехр(-К1Д21 ) + (1-^)Е3ехр(-2^2Д22)), где I?!,,Из - комплексные коэффициенты отражения Френеля на верхних границах первого, второго и третьего слоев, соответственно: К!. Цг. ЛИ}, Агг, - коэффициенты затухания в первом и втором слоях и толщина этих слоев соответственно.

Для вычисления величин й2 ,К3, К- Ь> необходимо знать связь диэлектрических параметров почвы с ее влажностью для. данного типа почвы.

Подставляя в это уравнение значения Гя, измеренные на 1=50 см, можно определить диэлектрическую проницаемость третьего слоя, привлекая, как и ранее, информацию об изменении влажности с глубиной. Поскольку толщина первого слоя мала, отражением излучения с Х=50 см на границе между первым и вторым слоями можно пренебречь, и тогда уравнение переноса излучения упрощается: '

Тя = та-^ ) (1-Е3ехр(-^1Аг1)ехр(-2К2 Лг2)). Многочисленные экспериментальные измерения при низкой влажности верхнего слоя показали, что обычная одночастотная методика дает абсолютную погрешность измерения влажности в слое 2-6 см до 0,04-0,08 г/см3,. при влажности в этом слое 0,10-0,15 г/см3. При влажности верхнего слоя 0,07-0,17 г/см3 (увлажнение близко к однородному) с использованием методики послойного определения влажности, ошибка снижалась до 0,01 г/см3, и при влажности верхнего слоя 0,23-0,25 г/см3 она составляла не более 0,04 г/см3.

Измерения на длине волны 50 см показали, что изменение влажности в верхнем слое 0-2 см практически не сказываются на показаниях, однако учет влажности в слое 0-6 см позволяет в этом случае повысить точность измерений в слое 6-20 см на 40-50%. При этом

достигается уменьшение абсолютной погрешности полного влагосодер-жания слоя 0-20 см составляет 55-6555.

В параграфе 3.7 описываются теоретические результаты расчета излучательной способности частично промерзших почв.и интерпретация экспериментальных данных дистанционного, зондирования с точки зрения методики послойного определения влажности.

Показано, что еще одной возможностью повышения глубины зондирования является измерение влажности почв с промерзшим верэшим слоем, так как диэлектрическая проницаемость такого слоя существенно ниже, он становится более "прозрачным", и его вклад в общее излучение заметно снижается..

Анализ различных профилей показывает, что увеличение глубины зондирования является наибольшим, когда почти весь слой, вносящий основной вклад в излучение, является промерзшим. При этом глубина зондирования увеличивается в 1,5-2 раза (при различной начальной увлажненности), а крутизна радиационно-влажностной зависимости уменьшается в 1,5-2,5 раза. Контроль толщины промерзшего слоя возможен путем многочастотных поляризационных измерений.

Наличие скачка диэлектрической проницаемости в пределах зондируемого слоя в случае границы раздела, имеющей периодически .неровную поверхность, обнаруживается по величине степени поляризации излучения на длинах волн, сравнимых по величине с пространственным периодом неровностей. Чувствительность обычно применяемой аппаратуры позволяет надежно фиксировать изменение степени поляризации (1-1,5)■10"3, соответствующее различию в радиояркостных температурах 0,5 К.

Таким образом, с помощью многочастотного зондирования возможно получение информации о глубине промерзания почвы и при наличии точных данных о диэлектрической проницаемости промерзших почв оценить влажность не только в подповерхностных, непромерзших слоях, но и в самом промерзшем слое. Восьмой раздел включает в себя основные выводы, полученные в результате обработки и анализа результатов натурного эксперимента.

Четвертая глава - "Исследование отражательных -характеристик почв в дециметровом и метровом диапазонах" посвящена экспериментальным испытаниям двухчастотного влагомера почв. Приводится

анализ и сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных отражательно влажностных зависимостей на частотах 300 и 900 МГц, для различных почвогрунтов. Подробно рассматривается методика статистической обработки данных эксперимента.

Из полученных данных, следует, что для достижения приемлемой погрешности натурных измерений обязательно необходим учет типа почвы. Если не учитывать тип почвы, то погрешность, обусловленная только этим фактором, может составить 0.06-0.08 г/см3. Кроме того, в процессе измерений максимальная погрешность может увеличиваться еще и за счет других причин (неоднородности увлажнения по глубине, шероховатости поверхности, погрешности калибровки прибора). Учет типа почвы, хотя бы тремя градациями, позволяет уменьшить погрешность измерения, обусловленную влиянием механического состава до 0. 03-0.04 г/см3. Увеличение числа градаций механического состава вряд ли целесообразно, поскольку, во-первых, механический состав почвы обычно точно неизвестен, и, во-вторых, погрешность измерений, обусловленная другими причинами, имеет примерно такой же порядок величины. Этот вывод подтверждается натурными испытаниями влагомера .

В третьем и четвертом разделах исследуются возможности использования влагомера для поиска неоднородносгей в почве и оценке уровня грунтовых вод до глубины 1 метр для песчаного грунта. В конце главы делаются выводы о возможностях использования прибора и данных, полученных с его помощью.

В заключении перечисляются основные результаты, полученные в ходе исследований и изложенные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. В ходе исследований подтверждено, что в радиотепловом излучении периодически неровной поверхности почвы имеет место анизотропия излучения. Теоретически обоснованы рекомендации по проведению измерений диэлектрической проницаемости сред с периодически неровной поверхностью: - когда точное значение Л/Х, неизвестно, необходимо выбирать ЛЯ >3 и наблюдения целесообразно проводить на такой поляризации, когда вектор напряженности электромагнитного поля перпендикулярен вектору волновой поверхности.

2. Разработана и опробована методика послойного определения влажности почв с периодически неровней поверхностью на основе данных многоканального поляризационного зондирования и теоретических расчетов по модели переноса излучения, позволяющая получить уточненные данные о влажности в более глубоких слоях, чем при одночастотной.методике.

3. Разработаны и изготовлены влагомеры: двухчастотный с глубиной зондирования до одного метра с рабочими частотами 300 МГц и 900 МГц и влагомер для материалов с малой влажностью, повышающие глубину зондирования за счет увеличения длины зондирующего шумового сигнала.

4. Определены отражательно влажностные зависимости почв в диапазонах 300 МГц и 900- МГц от влажности в слоях глубиной до одного метра.

5. Рассмотрены возможности применения двухчастотного влагомера для определения неоднородностей в исследуемой поверхности и оценке уровня грунтовых вод.

6.' Рассмотрены возможности применения методики послойного определения влажности почв и двухчастотного влагомера для определения глубины промерзания грунта.

Основные результаты опубликованы в следующих печатных работах:

1. Щеткин И.М., Гидлевский A.B., Кульмаметьев P.A. Радиометры дециметрового и сантиметрового диапазонов для гидрологических исследований // Тезисы докладов юбилейной научно - практической конференции: "Вклад вузовской науки в дело ускорения научно-технического и социального прогресса",- Омск, 1986. С. 33-34.

2. Бобров П.П., Гидлевский A.B.., Кульмаметьев Р.А., Никулин Ю.В., Щеткин И.М. СВЧ влагомер на базе радиометрического приемника метрового диапазона // Материалы второго Всесоюзного симпозиума : "Дистанционное зондирование земных покровов радиометодами " N7 -89, АН СССР. С. 44-45.

3. Бобров П.П., Кульмаметьев P.A., Павленко В.И., Шестопалов Ю.К., Троицкий В.И., Щеткин И.М. Радиотепловое излучение почв с периодически неровной поверхностью и неоднородным профилем влажности // Тезисы докладов Всесоюзной конференции: "Дистанционное зондирование агропочвенных и водных ресурсов." - Барнаул, 1990.

С. 19-20.

4. Бобров П.П., Гидлевский A.B.. Кульмаметьев Р.А., Щеткин И.М. Двухчастотный переносной СВЧ влагомер // Тезисы докладов Всесоюзной конференции: "Дистанционное зондирование агропочвенных и водных ресурсов." - Барнаул, 1990. С. 63-64.

5. Бобров П.П., Гидлевский A.B., Дмитриев В.В., Кульмаметьев А., Никулин Ю.В., Щеткин U.M. СВЧ влагомер с глубиной зондиро-

¡ания до 1 м // Республиканский сборник: "Радиофизика и исследо-¡ание свойств вещества". - Омск: ОГПИ, 1990. С. 72 - 79. 1. Беляева Т.А., Бобров П.П., Кульмаметьев P.A., Павленко В.И., [еткин И.М. Обоснование методики послойного определения влажности очв в пахотном горизонте с помощью многочастотного радиометри-еского комплекса // Республиканский сборник: "Радиофизика и исс-едование свойств вещества", - Омск: ОГПИ, 1990. С. 47 - 55. . Бобров П.П., Щеткин И.М. Экспрессный СВЧ влагомер волокнистых атериалов // Республиканский сборник: Радиофизика и исследование зойств вещества. Выпуск 9. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 1994, С. 32-35.

Бобров П.П., Шестопалов Ю.К., Щеткин И.М. Расчет излучательной юсобности поверхности с синусоидальными неровностями // Респуб-жанский сборник: Радиофизика и исследование свойств вещества, пуск 9. Омск: Изд-во ОмГПУ, 1994. С. 10 - 17. Бобров П.П., Гидлевский A.B., Сосновский D.M., Щеткин И.М. Ди-ектрические и радиояркостные характеристики частично промерзших чв // Тезисы докладов 17 -й Всесоюзной конференции по распрост-нению радиоволн. Секции 3, 4, 5. - Ульяновск, 1993. С. 90. правах рукописи:

Исследование возможности определения влажности почв, покрытых эрней , методами многоканальной СВЧ - радиометрии. Итого-i отчет ОГПИ. 02 870074260. - Омск: ОГПИ, 1987. -112 с. Разработка и создание высокостабильного двухчастотного радио--рического приемника. Итоговый отчет ОГПИ 01 870078454. - Омск: М, 1990.

Наземное обеспечение эксперимента со спутниковым комплексом дистанционного зондирования Земли (междунар. проект "Приро-). Итоговый отчет ОмГПУ 01.9.00 052804. - Омск: ОмГПУ. 4. -43с.

- 18 -ЛИТЕРАТУРА

1. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов - М.: Наука, 1986. -190 с.

2. Аэрокосмические методы в геоэкологии. - Киев.: Наукова думка 19§2. -20 П.л.

3. Арманд Н.А., Шутко A.M. Дистанционное определение влажностны свойств земных покровов радиотеплолокационными средствами. Проб лемы, решения, использование в народном хозяйстве // Проблем современной радиотехники и электроники, 1983. N 83, С. 140 - 157

4. Арманд Н.А., Башаринов А.Е., Бородин и др. Радиофизические методы дистанционного изучения окружающей среды. Проблемы совре менной радиотехники и электроники. - М.: Наука, 1980. - 480 с.

5. Кондратьев К.Я., Мелентьев В.В., Рабинович Ю.И., Шульгина Е.М Определение некоторых физических характеристик поверхностног слоя почвы по радиотепловому излучению // ДАН. СССР, 1973, т.208 N2, С. 342 - 345.

6. Бобров П.П., Кульмаметьев Р.А., Павленко В.И., СологубОЕ Т. А., Эткин В.С. О возможности распознавания профилей влажное! по данным двух частотных поляризационных измерений // Метеоролс гия и гидрология. 1987. N7, С. 102 -106.

7. HalllKalnen М. Г., UlabyF.T., Dobson M.S., El-Rayes M.A., Wu L.K. Microwave Dielectric Behavior of Wet Soil - Part 1: Empiri cal Models and Experimental observations // IEEE Trans, on Geosc and Remote. 1985. v.GE-23, N1, pp. 25 - 34.

8. Kong J. A., Lin S.T.,Ching S.L. Microwave Thermal Emission froi Periodic Surfaces. // IEEE Trans, on Geoscu. and Remote Sens 1984, .GE-22, N4, pp. 377 - 382.