Подспутниковые измерения влажности и диэлектрической проницаемости почв на частотах от 1 МГц до 3 ГГц и сопоставление с данными SMAP

В настоящем докладе описываются методика и техника измерений комплексной диэлектрической проницаемости почв в полевых условиях. Экспериментальные установки состояли из ячеек на основе симметричной полосковой линии (Bobrov et al., 2024) и компактных векторных анализаторов цепей (Бобров и др., 2024). Использовались следующие измерители: LibreVNA, sv4401a и nanoVNA-V2 Plus4. Приборы могут измерять комплексные коэффициенты передачи и отражения в диапазоне частот от 50 кГц до 4 ГГц (LibreVNA до 6 ГГц). Измерители подключали к разъемам ячеек (типа SMA) с помощью коаксиальных высокочастотных кабелей. Калибровку измерителей выполняли в сечении подключения кабелей к ячейкам. В симметричной полосковой линии ячеек отсутствовала боковая стенка, это делало их область измерений доступной и позволяло удобно и оперативно загружать почвенные агрегаты, что обеспечивало сохранение естественной влажности и контроль плотности измеряемых образцов. Конструкция ячеек была спроектирована таким образом, чтобы обеспечить эффективное распространение основного типа волн (ТЕМ-волна) с минимизацией отражений от нерегулярностей тракта (в местах перехода от коаксиальной линии высокочастотного разъема к центральной полоске линии ячейки) и искажений фронта электромагнитной волны. Размеры области измерений ячеек выбраны как для вывода частоты возбуждения высших типов волн (начиная с H10) за верхнюю рабочую частоту диапазона проводимых измерений, так и для возможности загрузки почвенных агрегатов средних размеров (до 10-15 мм). Измерительные ячейки и векторные анализаторы цепей предварительно тестировались в лабораторных условиях и показали удовлетворительную точность определения комплексной диэлектрической проницаемости почв.
Измерения проводились на пяти полях в разных районах Омской области в летний и осенний периоды. Диэлектрическая проницаемость почв определялась в слое 0-5 см с последующим определением влажности и сухой плотности образца почвы в ячейке термостатно-весовым способом. Параллельно определялась влажность почвы в слоях 0-2 см и 2-4 см при отборе проб с помощью колец Качинского.
Определение комплексной диэлектрической проницаемости почв в диапазоне частот от 0,1 МГц до 40–50 МГц производилось путем измерения комплексного коэффициента отражения от одного из разъемов ячейки при осуществлении режима холостого хода на другом разъеме. Расчет производился в предположении, что ячейка на этих частотах является сосредоточенным конденсатором. В диапазоне частот от 30-40 МГц до 3 ГГц производилось измерение комплексного коэффициента передачи и сопоставление с расчетным значением по формуле для тонкого диэлектрического слоя. На частотах 30-50 МГц наблюдалось хорошее согласование результатов.
Широкополосные спектры диэлектрической проницаемости использовались для оценки содержания физической глины (частиц размером менее 0,01 мм) в почвах.
Производилось сравнение значений влажности, определённых при контактном отборе проб и восстановленных по данным дистанционных микроволновых радиометрических измерений на частоте 1,4 ГГц. Использовались данные, представленные в формате SMAP Level 3 с пространственным разрешением в 9 км. Как показал сравнительный анализ данных, восстановленные и измеренные значения влажности совпадают друг с другом при условии малых пространственных вариаций типа подстилающей поверхности в пределах пикселя ГИС продукта «The global SMOS Level 3 daily soil moisture and brightness temperature maps».
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-27-10037, https://rscf.ru/project/23-27-10037/.