589

Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой
УДК 528.81
38. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ГРУНТА С ТОНКИМ
ПОВЕРХНОСТНЫМ СУХИМ СЛОЕМ ПРИ БОЛЬШИХ УГЛАХ
НАБЛЮДЕНИЯ
Орлов А.О., Гурулев А.А., Цыренжапов С.В.
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН,Чита
Аннотация. Исследованы поляризационные особенности поведения мощности
теплового излучения слоистого грунта в СВЧ-диапазоне при больших углах
наблюдения. Показано, что наблюдаются осцилляции радиояркостной температуры
на горизонтальной и вертикальной поляризациях для среды, состоящей из тонкого
слоя сухого грунта, расположенного на более влажном полубесконечном слое. Для
углов больших чем угол Брюстера для нижней среды данные осцилляции наблюдаются
в противофазе. При некоторых условиях значение радиояркостной температуры на
горизонтальной поляризации может быть больше ее значения на вертикальной
поляризации.
Ключевые слова: поляризационные характеристики, радиояркостная температура,
слоистые среды, грунт.
ВВЕДЕНИЕ
С использованием радиометрии для почвогрунтов в СВЧ-диапазоне можно
решать ряд практических задач, например, определять температуру грунта, его
влажность и т.д. Однако существуют вопросы, которые еще недостаточно
исследованы, например, как будет вести себя радиояркостная температура грунта на
двух ортогональных линейных поляризациях при его высушивании при больших углах
визирования.
Грунт при его высушивании, можно считать трехслойной средой с тонким
переходным слоем. Верхним слоем является воздушное пространство, нижним –
сильно влажный грунт, а средним, переходным слоем является сухой грунт. Тонким
слоем считается слой, толщина которого соизмерима с длиной волны.
Схожей средой, с точки зрения электромагнитных свойств, является тонкий
ледяной покров на водной поверхности, а также грунт при его замерзании. Это
обусловлено тем, что верхний воздушный слой для выше перечисленных трехслойных
сред имеет одни и те же диэлектрические параметры в СВЧ-диапазоне, а
диэлектрические параметры промежуточного слоя имеют, во всех случаях, меньшие
значения, чем данные параметры у нижнего полубесконечного слоя, будь то вода, или
влажный слой грунта.
589
Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой
Обычно радиояркостная температура, которая характеризует мощность теплового
излучения на вертикальной поляризации имеет большее значение, чем на
горизонтальной поляризации. Однако в литературе встречаются экспериментальные
данные, когда мощность радиотеплового излучения на горизонтальной поляризации
превосходит мощность теплового излучения на вертикальной поляризации. Например,
в работе [1] обнаружено это явление на длинах волн 5 см и 21 см. Автором данной
работы объяснение наблюдаемого эффекта не было дано.
При исследовании теплового излучения ледяного покрова также были получены
схожие результаты, что и в работе [1]. Так, например, в работах [2, 3] обнаружены
некоторые особенности поведения радиояркостной температуры, на ортогональных
поляризациях, в начальной стадии формирования ледяного покрова. Авторами
замечено, что при некоторых толщинах льда значения радиояркостной температуры на
горизонтальной поляризации превосходит значения на вертикальной поляризации.
Данный эффект объясняется различием диэлектрических свойств воздуха, льда и воды
и различием фазы коэффициентов отражения от границ сред при углах больших угла
Брюстера. При толщине льда больше нескольких длин волн эффект исчезает при
измерениях в широкой полосе.
Чаще всего исследователи используют углы наблюдения меньше, чем 60°.
Поэтому при исследовании различных природных объектов углы большего значения
используются крайне редко. Если же использовать большие углы наблюдения, то
можно получать дополнительную информацию об исследуемом объекте.
Таким образом, в радиометрии можно выделить задачи об излучении грунта на
двух ортогональных поляризациях (вертикальной и горизонтальной) при его
высушивании в широком интервале углов наблюдения. В настоящей работе изучено
излучение трехслойной среды с тонким промежуточным слоем, соизмеримой с длиной
волны излучения, при углах наблюдения больших, чем угол Брюстера для границы
воздух-грунт. Границы между слоями считаются плоскими.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для изучения радиотеплового излучения трехслойной среды были выполнены
следующие эксперименты.
Исследование грунта при его промерзании. Измерения выполнялись в зимний
период времени (февраль 2010 год) при колебаниях температур окружающего воздуха
от -25°С до -30°С в моменты времени с безоблачной атмосферой. В металлическую
кювету прямоугольной формы 60 60 см высотой 5 см помещался грунт с объемной
влажностью 25%. На длине волны 2,3 см выполнялось измерение теплового излучения
грунта на двух линейных поляризациях горизонтальной (ГП) и вертикальной (ВП).
Полоса пропускания радиометра 1,2 ГГц. Измерения выполнялись под углом 65° от
вертикали. Калибровка радиометров осуществлялась по двум реперным точкам, это
590
Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой
собственное излучение неба (отраженный сигнал от металлической поверхности) и
излучение пресной воды при заданной термодинамической температуре. При
калибровке, геометрия измерительной системы не менялось. Погрешность измерения
радиояркостной температуры составляла 0,3 К.
Измерения радиояркостных температур выполнились в течении суток. При этом
наблюдали промерзание грунта под отрицательной температуре среды. Запись велась
на компьютер с использованием системы сбора информации фирмы “Agilent”.
2. Измерение теплового излучения влажного грунта при нанесении на его
поверхность тонкого сухого слоя грунта. Фотография установки для измерений
показана на рис.1.
Рис.1. Фотография измерительной установки. 1 – радиометр на длину волны 2,3 см; 2
– исследуемый образец; 3 – измерители температуры и проводимости;
- угол
наблюдения.
Измерения радиояркостной температуры и калибровка радиометра проводились
по той же схеме, что описана выше. В кювету помещался грунт с весовой влажностью
15%, сверху данный грунт закрывался полиэтиленовой пленкой толщиной 100 мкм. На
пленку насыпался сухой грунт с влажностью 1%. По мере увеличения толщины сухого
грунта проводились измерения радиояркостной температуры на двух линейных
поляризациях ГП и ВП. Измерения теплового излучения осуществлялись на трех углах
наблюдениях 45°, 60° и 70°.
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
Расчет радиояркостной температуры на горизонтальной и вертикальной
поляризациях выполнялся для трехслойной структуры с тонким промежуточным
591
Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой
'
слоем и ε , удовлетворяющим неравенству , где ε1' < ε'2 < ε3' индексы
1,
2,
3
соответствует трем слоям (1 – верхний полубесконечный, 2 – промежуточный, 3 –
нижний полубесконечый), при этом использовалась слоистая неизотермическая
модель, которая описана в работе [4].
Значения действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической
'
''
проницаемости сухого грунта принимались соответственно ε = 3.5 и ε = 0.014 [5].
Для увлажненных грунтов применялась «рефракционная» модель для смеси (модель
Брауна). Диэлектрическая проницаемость увлажненного грунта:
ε ï = ρw ε w + ( 1  ρw ) εc
(1),
где ε ï , ε w , εc - диэлектрическая проницаемость смеси, воды и сухого грунта; ρw
- относительная объемная концентрация воды.
При расчетах учтена полоса приема сигнала радиометра и некоторый разброс
углов наблюдения, определяемый диаграммой направленности антенны.
РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ
При расчетах радиояркостной температуры для промежуточного слоя грунта
относительная объемная концентрацией воды принималась равной 2%, а для нижнего
полубесконечного слоя грунта брали значение влажности 40%. Расчеты выполнялись
для длины волны 20 см. Ширина диаграммы направленности антенны брали равной
10°, а ширина полосы пропускания радиометра принималась 10% от центральной
частоты.
Результаты расчетов для углов 40°, 60° и 80° для длины волны 20 см приведены
на рис. 2. Как видно из графиков, наблюдаются осцилляции мощности излучения на
двух линейных поляризациях, причем при углах меньших, чем угол Брюстера для
полубесконечной среды в виде грунта, они в фазе, а при больших углах в противофазе.
При угле, близкому к углу Брюстера, осцилляции радиояркостной на вертикальной
поляризации прекращаются. Ранее этот эффект наблюдали для ледяного покрова [6].
Кроме того, радиояркостная температура на ГП при некоторых толщинах может
превышать ее значение на ВП, что не наблюдается, если толщина промежуточного
слоя, будет больше чем несколько длин волн. Также этот эффект наблюдается только
для резко неоднородных слоев. Так если влажность нижнего слоя будет меньше 30%, а
верхнего
3%
при
всех
толщинах
промежуточного
сухого
слоя
значение
радиояркостной температуры на вертикальной поляризации будет больше, чем
значение на горизонтальной поляризации для дециметрового диапазона.
592
Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой
Рис.2 Зависимость радиояркостной температуры для вертикальной (пунктирная
линия) и горизонтальной (сплошная линия) поляризациях сухого (с объемной
концентрацией влаги ( W ) 2%) грунта, лежащего на более влажном ( W = 40%)
грунте от его толщины на длине волны 20 см при углах наблюдений а) 40°, б) 60°, в)
80°.
593
Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование грунта при его промерзании.
Результаты измерений приведены на рис. 3
Рис. 3. Зависимость радиояркостной температуры влажного грунта от времени при
его промерзании на длине волны 2,3 см.
Как видно из полученных экспериментальных данных в начальный момент
времени наблюдаются осцилляции радиояркостных температур на горизонтальной и
вертикальной поляризациях, причем данные вариации происходят в противофазе.
Значение радиояркостной температуры на ВП превышает значение на ГП при всех
значениях толщин промежуточного слоя. Это говорит о том, что диэлектрическая
проницаемость нижнего слоя имеет недостаточно высокое значение (а промежуточный
слой обладает существенными потерями) для того, чтобы значение радиояркостной
температуры на ГП при некоторых толщинах превышало значение на ВП.
Измерение теплового излучения влажного грунта при нанесении на его
поверхность тонкого сухого слоя грунта. При данных измерениях были
получены следующие результаты, которые приведены на рис.4. При увеличении
слоя сухого песка на поверхности влажного происходит увеличение значения
радиояркостной
температуры,
при
этом
наблюдаются
осцилляции
радиояркостных температур на двух линейных поляризациях. При больших углах
594
Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой
Рис.4. Значение радиояркостных температур увлажненного грунта с сухим
поверхностным слоем в зависимости от толщины сухого слоя. Длина волны 2,3 см.
Углы наблюдения а) 45°; б) 60°; в) 70°.
595
Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой
наблюдений осцилляции в противофазе, а при углах меньших, чем угол Брюстера для
полубесконечной среды (грунта) осцилляции радиояркостной температуры находятся
в фазе.
При угле наблюдения 70° при толщине сухого слоя 4 мм значение
радиояркостных температур на ГП на волне 2,3 см стало больше, чем на ВП.
Таким образом, экспериментально было показано, что значение радиояркостной
температуры на горизонтальной поляризации может, при некоторых условиях,
принимать значения, большие, чем на вертикальной поляризации.
ВЫВОДЫ
В результате исследований теплового излучения грунта, представляющего из
себя трехслойную среду с промежуточным тонким слоем (соизмеримым по толщине с
длиной волны) и значением диэлектрической проницаемости промежуточного слоя
меньшим, чем значение нижнего полубесконечного слоя, были получены следующие
результаты.
1. Наблюдаются осцилляции радиояркостных температур на горизонтальной и
вертикальной поляризациях в сантиметровом диапазоне по мере увеличения толщины
промежуточного слоя.
2. При углах наблюдений меньших, чем угол Брюстера для полубесконечных
среды (нижней среды) осцилляции радиояркостных температур для ВП и ГП
наблюдаются в фазе, а при углах наблюдений больших, чем данный угол, осцилляции
находятся в противофазе.
3. Теоретически и экспериментально показано, что возможны случаи когда
значение радиояркостной температуры трехслойных сред на ВП меньше, чем значение
на ГП., что может наблюдаться при высушивании верхнего слоя грунта или при его
промерзании.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ященко А.С. Суточная динамика радиояркостной температуры почв в
процессах испарения и инфильтрации, замерзания и оттаивания. Дисс. канд. физ.-мат.
наук. Омск. 2009. 140 с.
2. Liu Q., Augstein E., and Darovskikh A. Polarization Anomaly of the Microwave
Brightness Temperature from Ice. // Appl. Opt. 1998. V. 37. No 12. P. 2228-2230.
3. Бордонский Г.С., Гурулев А.А., Цыренжапов С.В., Крылов С.Д. Радиотепловое
излучение озерного льда в весенний период // Исслед. Земли из космоса. №2. 2005. С.
76 – 81.
4. Клепиков И.Н., Шарков Е.А. Теоретические исследования собственного
излучения резконеоднородных неизотермических сред // Исслед. Земли из космоса.
1992. № 6. С. 3-15.
5. Шутко А.М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.:
Наука, 1986. 188 с.
6. Гурулев А.А., Орлов А.О., Цыренжапов С.В. Тепловое излучение трехслойной
среды с тонким промежуточным слоем // Исслед. Земли из космоса. 2010. (в печати).
596