Содержание к диссертации
Введение
І. Теоретическиеасііектьірасіірсютранениязлектромагнитных волн в растительных покровах
1. Основные подходы к описанию распространения электромагнитных волн в растительной среде.
1.1. Краткое описание объекта исследований. 13
1.2. Общий подход к описанию распространения электромагнитных волн в растигельных покровах .
2. Модель растительности в виде сплошной среды. 20
2.1. Распространение электромагнитных волн в случайно неоднородной сплошной среде.
2.2. Эффективная диэлектрическая проницаемость растительной среды. 29
3. Модель растительности в виде совокупности рассеивателей (дискретная модель).
3.1. Распространение электромагнитных волн в случайно неоднородной дискретной среде.
3.2. Ослабление и рассеяние электромагнитных волн элементами растительности. 42
4. Диэлектрические свойства элементов растительности . 49
4.1. Теоретические модели. 49
4.2. Экспериментальные данные. 53
5. Распространение электромагнитных волн в растительном слое. Связь между электродинамическими и биометрическими характеристиками растительности.
II. Теоретические представления о свч излучении земной поверхности при наличии растительного покрова .
1. Общий подход к нахождению характеристик СВЧ излучения системы почва- растительность.
2. Обоснование возможности применения теории переноса излучения к растительной среде.
3. СВЧ излучение растительного слоя. 77
4. СВЧ излучение системы почва - растительный слой. 79
5. Связь параметров радиационной модели с характеристиками почвы и растительности.
Связь радиояркостной температуры почвы с ее геофизическими характеристиками.
Связь интегрального ослабления в растительности с ее биометрическими показателями.
Связь альбедо растительного полупространства с типом растительного покрова и его состоянием .
Влияние неполного покрытия растительностью земной поверхности. 99
Экспериментальные исследования ослабления и излучения свч волн растительными покровами .
Методы экспериментальных исследований. 103
Лабораторные исследования ослабления и излучения СВЧ волн раститель- 109
ными покровами.
Измерения ослабления СВЧ излучения элементами растений. 109
Измерения ослабления СВЧ излучения в растительном слое. 116
Исследования ослабления и излучения СВЧ волн растительными покровами с помощью передвижной наземной установки . 126
Исследование ослабления и излучения СВЧ волн растительными покровами с борта самолетов лабораторий. 13 5
Использование результатов работы в задачах дистанционного радиофизического зондирования земных покровов .
Учет влияния растительности при дистанционном СВЧ радиометрическом зондировании земных покровов.
Учет влияния растительности при одночастотных измерениях. 146
Учет влияния растительности при спектральных измерениях. 150
Применение СВЧ радиометрического метода для определения биометрических характеристик растительных покровов.
Учет влияния растительности при дистанционном СВЧ радиолокационном зондировании земных покровов.
Ослабление электромагнитных волн растительностью при радиосвязи. 166
Другие возможные применения результатов работы. 169
Заключение 171
Литература
- Общий подход к описанию распространения электромагнитных волн в растигельных покровах
- Распространение электромагнитных волн в растительном слое. Связь между электродинамическими и биометрическими характеристиками растительности.
- Связь альбедо растительного полупространства с типом растительного покрова и его состоянием
- Исследования ослабления и излучения СВЧ волн растительными покровами с помощью передвижной наземной установки
Введение к работе
Данная работа посвящена развитию основ СВЧ радиометрического метода дистанционного зондирования растительных покровов. Эта задача является частью общего научного направления по разработке методов и средств дистанционного радиофизического зондирования окружающей среды. Фундаментальные принципы данного направления заложены в работах [1-12]. Огромный вклад в становление указанного направления внес Анатолий Евгеньевич Башаринов, одним из последних аспирантов которого посчастливилось быть автору. Дистанционное радиофизическое зондирование природной среды является бурно и стремительно развивающимся направлением. Достаточно сказать, что в последнем Международном симпозиуме по данной проблеме (International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 21-25 July 2003, Toulouse, France) приняли участие более 1600 человек (по сравнению с 1400 участниками аналогичного симпозиума в 2002 году) и представлено более 2100 докладов [13].
Исследование СВЧ излучения системы почва — растительность, а также возможностей определения параметров почвы и растительности по данным дистанционного СВЧ радиометрического зондирования с борта самолетов и спутников активно ведется на протяжении последних тридцати лет многочисленными научными группами и организациями различных стран. Библиография работ по указанной проблеме насчитывает сотни наименований. Принципиальные возможности применения СВЧ радиометрического метода для определения влажности почвы под растительным покровом и биометрических показателей растительности выявлены в работах автора и его коллег около четверти века назад. Основные результаты исследований в области СВЧ радиометрии растительных покровов, проведенных автором за указанный период в Институте радиотехники и электроники РАН, опубликованы в работах [14-38] и докладах на конференциях [43-59]. По результатам работы получены авторские свидетельства на изобретения [39-42]. Несмотря на то, что ряд основных результатов диссертационной работы получен и опубликован достаточ но давно, их актуальность и интерес к проведению исследований в данной области не только не ослаб, но и существенно вырос в последнее десятилетие. Данный факт объясняется, во-первых, важностью самого объекта исследований в общей системе дистанционного экологического мониторинга поверхности суши и, во-вторых, возросшими техническими возможностями СВЧ радиометрических средств дистанционного зондирования с космических носителей. Действительно, влажность почвы и растительный покров играют ключевую роль в гидрологическом цикле, в процессах переноса влаги и энергии на грани-. це поверхности суши и атмосферы вследствие испарения, инфильтрации и транспирации. Применение СВЧ радиометрических средств зондирования Земли с космических носителей требует разработки систем с высоким пространственным разрешением для получения радио изображений земной поверхности. В современных и проектируемых космических системах это достигается с помощью многолучевых антенн, электронного сканирования с использованием больших антенн, синтезирования апертуры приемных антенных систем. Крупные международные проекты, включающие глобальный мониторинг влажности почвы и гидрологического состояния поверхности суши, как осуществленные («Приро-да»[60], EOS Aqua [61]), так и планируемые (SMOS [62]% показывают, что вопрос о применении СВЧ радиометрических методов дистанционного зондирования системы почва -растительность все больше переходит из области теоретических изысканий в плоскость практического применения. В связи с этим необходимо разрабатывать методики определения параметров почвы и растительного покрові по данным дистанционного СВЧ радиометрического зондирования и проверять эти методики на практике. Поэтому опыт подобной работы, накопленный автором и его коллегами за последние три десятилетия, может быть весьма полезным.
Основной целью работы являлось, следующее:
• разработка основ теории распространения электромагнитных волн СВЧ диапазона в растительных покровах и, в связи с этим, развитие теории распространения волн в случайно-неоднородных средах;
• создание теории СВЧ излучения земной поверхности при наличии растительного покрова, которая являлась бы основой для интерпретации данных дистанционного СВЧ радиометрического зондирования системы почва-растительность;
• разработка на базе этой теории методик определения по данным СВЧ радиометрических измерений параметров почвы (в основном, влажности почвы) при наличии растительного покрова и биометрических показателей самой растительности.
При достижении указанной цели получены следующие новые научные результаты, выдвигаемые на защиту.
1. Разработаны основы теории распространения СВЧ волн в растительных покровах. Развиты электродинамические модели растительного покрова в виде непрерывной среды и совокупности рассеивателей [14,17- 21,25,28,29,31,33, 37,48, 52, 54- 57], впервые установлено соотношение между этими моделями и определены границы их применимости [19,25,34,37]. В непрерывной модели с использованием методов теории распространения электромагнитных волн в среде сильными флуктуациями диэлектрической проницаемости получены соотношения для эффективной диэлектрической проницаемости случайно-неоднородной дискретной среды. В дискретной модели установлено соответствие между различными приближениями теории распространения волн в дискретных средах, получены выражения для коэффициента экстинкции (погонного ослабления) дискретной среды. Автором разработана оригинальная методика и первым проведены измерения в СВЧ диапазоне сечений ослабления и рассеяния элементов растительности - листьев, стеблей и веток [19, 22]. Развиты электродинамические модели для расчета указанных сечений, хорошо согласующиеся с данными эксперимента [19,22,29].
2. Автором предложен ряд оригинальных методик для измерения характеристик ослабления СВЧ излучения в растительных средах с борта самолета, наземных передвижных установок и в лабораторных условиях [15, 16, 18- 21, 26, 27, 30, 31, 34, 36, 38, 44, 47, 50, 53, 58]. Указанные методики нашли применение в работах многих исследователей.
3. На основе развитых теоретических представлений о распространении СВЧ излучения в растительном покрове и данных экспериментальных исследований в натурных и лабораторных условиях установлена связь характеристик ослабления и рассеяния СВЧ излучения в растительной среде с ее биометрическими показателями [14, 17-21, 25- 28, 30, 31, 34- 37,47]. Впервые предложены модельные соотношения для расчетов интегрального ослабления СВЧ излучения в растительности [14, 17, 18, 19], которые широко используются исследователями в практике СВЧ радиометрических измерений.
4. Автором впервые предложены [18, 19, 20] и теоретически и экспериментально обоснованы [18-21, 27, 30, 32, 34, 47, 51] модели СВЧ излучения земной поверхности при наличии растительного покрова, которые являются в настоящее время основой для разработки методов определения параметров почвы и растительности по данным дистанционных СВЧ радиометрических измерений.
5. Автором разработаны методики применения СВЧ радиометрического метода для дистанционного зондирования состояния почвенно-растительных покровов [18-21]. Им разработаны методики учета экранирующего влияния растительности и определения биомассы растительного покрова по данным СВЧ радиометрических измерений [18-21, 23, 24, 39], которые прошли всестороннюю опытную проверку в различных регионах страны и за рубежом.
Результаты исследований автора позволяют сформулировать следующие положения, выносимые на защиту.
1. Для расчета характеристик распространения, рассеяния и ослабления СВЧ волн в растительной среде предпочтительно использовать дискретную модель растительности в ви де совокупности рассеивателей - листьев, веток, стеблей, стволов. Применение в рамках данной модели приближения независимых рассеивателей и теории переноса излучения теоретически и экспериментально обосновано автором в дециметровом диапазоне длин волн. В сантиметровом диапазоне в указанное приближение необходимо вводить поправки на взаимное экранирование рассеивателей, приводящее к нелинейной зависимости коэффициента экстинкции от числа рассеивателей в единичном объеме. Непрерывная модель растительности может применяться для расчетов ослабления излучения лиственной компонентой растительности в дециметровом диапазоне длин волн.
2. В работе установлены зависимости между характеристиками распространения СВЧ волн в растительности и ее биометрическими показателями. Интегральное ослабление СВЧ излучения в слое растительности определяется, прежде всего, влагозапасом растительного покрова на единицу площади и зависит от относительной объемной плотности растительности и объемного влагосодержания фитоэлементов. При постоянной плотности растительности и влагосодержании фитоэлементов интегральное ослабление является линейной функцией влагозапаса. Коэффициент отражения СВЧ излучения от растительного слоя определяется характерными размерами и формой фитоэлементов (типом растительного покрова) и их влагосодержанием. Указанные зависимости прошли всестороннюю теоретическую и экспериментальную проверку многочисленными исследователями и являются базовыми при интерпретации данных дистанционного СВЧ радиометрического зондирования системы почва-растительность.
Развитые в работе модели СВЧ излучения растительных покровов позволяют корректно рассчитать характеристики собственного радиотеплового излучения системы почва-растительность. Параметрами моделей являются радиояркостная температура почвы, коэффициент передачи (интегральное ослабление излучения) растительности, коэффициент отражения растительного полупространства и температура растительности. Указанные величины связаны с геофизическими и биометрическими параметрами почвы и рас тительности, что и делает возможным определение этих параметров по данным СВЧ радиометрических измерений. Разработанная автором модель СВЧ излучения земной поверхности при наличии растительного покрова, известная как х — ю модель, в настоящее время является базовой и широко применяется при интерпретации данных дистанционного СВЧ радиометрического зондирования.
4. Экранирующее влияние растительности при СВЧ радиометрическом зондировании земной поверхности количественно характеризуется коэффициентом передачи раститель АТрзл ного покрова /3 = ———-, где АТ„ зл и AT3Jl - измеряемые радиояркостные контрасты AT3J .
земной поверхности с растительностью и без нее, соответственно. В дециметровой области СВЧ диапазона все типы растительных покровов являются полупрозрачными (/? 0,5 ), в сантиметровой области наблюдается значительное экранирование излучения растительностью ( р 0,5). Разработанный автором метод учета влияния растительности при одно-частотных измерениях в дециметровом диапазоне длин волн и наличии априорных оценочных данных о биомассе растительности позволяет получать значения радиояркостной температуры почвы под растительностью с погрешностью не хуже 10...20 К. Данный метод обеспечивает измерение влажности почвы под растительностью с биомассой до 200...300 ц/га с относительной погрешностью не хуже 10.. .30 % от значений, получаемых для открытой почвы. Метод учета влияния растительности по данным измерений на нескольких длинах волн не требует наличия количественной априорной информации о растительном покрове. При этом погрешности определения характеристик почвы под растительностью не превышают указанные погрешности при одночастотных измерениях.
5. СВЧ радиометрический метод позволяет определять биомассу растительного покрова на фоне сильно увлажненной почвы и водной поверхности. Для растительности, подстилаемой водной поверхностью (камыш, тростник, высшая водная растительность, посевы риса), относительная погрешность определения биомассы составляет 10...20 %, что со поставимо с точностью, обеспечиваемой традиционными наземными методами. Метод позволяет определять 4...5 градаций биомассы сельскохозяйственных посевов при значительном увлажнении почвы, наблюдаемом после полива или выпадения осадков. Разработанные автором методики определения влажности почвы под растительным покровом и биометрических показателей растительности по данным дистанционного СВЧ радиометрического зондирования делают СВЧ радиометрический метод эффективным инструментом для дистанционного контроля гидрологического состояния почвы и состояния растительного покрова в региональном и глобальном масштабах. Указанные методики широко используются в настоящее время при обработке данных дистанционного СВЧ радиометрического зондирования.
Все основные результаты работы получены автором лично. Автор благодарен всем своим коллегам, принимавшим участие в измерениях и помогавшим автору при проведении модельных расчетов (смотри список публикаций [14-59]). Автор признателен Арманду Н.А. и Полякову В.М. за постоянный интерес к работе и полезное обсуждение результатов. Автор особо благодарен Шутко А.М., совместно с которым проведен ряд важных исследований, и Головачеву СП., принимавшему активное участие в экспериментальных исследованиях, за поддержку и дружескую помощь.
Результаты работы докладывались на ряде Всесоюзных и Международных конференций, а также на научных семинарах Института радиотехники и электроники РАН. Результаты работы также докладывались на научных семинарах и в виде лекций для сотрудников в зарубежных научно-исследовательских центрах: в Институте радиоэлектроники Академии наук КНР (Пекин), в Джао Тонг Университете КНР (Шанхай), в Институте исследования электромагнитных волн Италии (Флоренция), в Институте сверхвысокочастотной техники Немецкой аэрокосмической администрации (Веслинг), в Чукурова Университете Турции(Адана), в Турецком исследовательском центре на Мраморном море (Стамбул). Результаты работы докладывались на ряде рабочих совещаний по проведению Международных аэрокосмических экспериментов, проводимых в рамках программы совета «Интеркосмос» («Гюнеш-84», «Курск-85», «Геоэкс-86», «Геомон-90»). Результаты работы являлись составной частью методических материалов по определению характеристик земной поверхности с помощью дистанционных СВЧ радиометрических измерений, переданных в рамках контрактов через Всесоюзное Объединение «Внештехника» научно-производственным организациям Болгарии, Венгрии и Вьетнама. Результаты работы неоднократно экспонировались на ВДНХ в составе стендов ИРЭ РАН. Автор награжден двумя бронзовыми и одной серебряной медалями Выставки.
Результаты работы, как уже отмечалось, широко используются при интерпретации данных дистанционного радиофизического зондирования земной поверхности при наличии растительного покрова. Результаты работы могут также применяться при глобальном картировании ослабления волн растительными покровами и, на этой базе, радиояркостных характеристик поверхности суши, при разработке систем экологического мониторинга космического базирования, при разработке методов дистанционного контроля радиационного баланса и состояния земных покровов, при решении задач радиосвязи и при моделировании электродинамических характеристик природных сред.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. В первой главе развиваются теоретические представления о распространении СВЧ волн в растительных средах. Дано краткое описание объекта исследований, изложен общий подход к описанию распространения электромагнитных волн в растительных покровах, развиты электродинамические модели растительности в виде сплошной среды и совокупности рассеивателей, установлена связь характеристик распространения электромагнитных волн в растительности с ее биометрическими показателями.
Во второй главе развивается теория СВЧ излучения земной поверхности при наличии растительного покрова. Обосновано применение теории переноса излучения к естественным растительным покровам, развиты модели для нахождения параметров СВЧ излучения растительного слоя и системы почва растительность, установлена связь параметров радиационной модели с характеристиками почвы и растительности.
В третьей главе рассматриваются экспериментальные исследования ослабления и излучения СВЧ волн растительными покровами. Предложены методики измерения характеристик ослабления и излучения СВЧ волн растительными покровами в лабораторных условиях, при помощи передвижной наземной установки и с борта самолетов. На базе результатов экспериментальных исследований обоснована применимость развитых теоретических представлений о распространении СВЧ волн в растительном покрове и СВЧ излучении земной поверхности при наличии растительного покрова.
В четвертой рассматривается использование результатов работы в задачах дистанционного радиофизического зондирования земных покровов. Рассмотрены методы учета экранирующего влияния растительности при СВЧ пассивном и активном зондировании почвы, показаны возможности применения СВЧ радиометрического метода для определения биометрических показателей растительности, указаны другие возможные области применения результатов работы.
В заключении приведены основные результаты и выводы диссертации и обсуждены возможные направления дальнейших исследований.
Общий подход к описанию распространения электромагнитных волн в растигельных покровах
Моделирование распространения, ослабления и рассеяния электромагнитных волн в растительных покровах наталкивается на ряд серьезных трудностей. С теоретической точки зрения растительные покровы являются принципиально случайно неоднородной средой с неоднородностями различной формы и размеров. В рассматриваемом частотном диапазоне размеры листьев и стеблей, веток и стволов сравнимы с длиной волны, что делает очень трудной задачу моделирования распространения электромагнитных волн в такой среде ввиду необходимости применения теории дифракции при анализе рассеяния волн единичной неоднородностью. Строгое решение задачи распространения электромагнитной волны в растительном слое чрезвычайно сложно (если возможно вообще). Указанные обстоятельства предопределяют необходимость использования приближенных моделей. Получили распространение модели растительного покрова в виде слоя сплошной среды со случайным значением диэлектрической проницаемости или совокупности слу чайно расположенных поглощающих расееивателей. Соотношение между этими двумя концептуально различными подходами и пределы их применимости для описания распространения электромагнитных волн в растительных покровах впервые рассмотрены автором в работах [25, 28, 34] с позиций общей теории распространения волн в случайно неоднородной среде [84]. Электрическое поле Ё(г) в какой-либо случайно неоднородной среде определяется интегральным уравнением [34] где Ё$(г) — падающее поле, к - волновое число в свободном пространстве (0 = 2я IЛ), є(/0 случайная диэлектрическая проницаемость и G(r,r\) - функция Грина свободного пространства. Для получения моментов случайного поля уравнение (1.1) записывается в виде бесконечного ряда по кратности рассеяния, а затем, этот ряд усредняется по ансамблю случайных реализаций. Пренебрежение некоторыми членами ряда (слабосвязанными диаграммами рассеяния [84]) позволяет получить уравнение типа Дайсона для среднего поля и Бете — Солпитера для ковариации поля. Принципиальной точкой теории является соответствующий выбор начального поля внутри неоднородности при записи ряда многократного рассеяния. Формальный выбор в качестве такого поля падающего поля EQ(?) дает в случае сплошной среды
Важно подчеркнуть, что интегрирование в (1.1) для действительно дискретной среды (как растительность, например) должно проводиться по элементам объема где s(r ) Ф\, то есть по объемам рассеивателей. Следовательно, вьщеляя объемы рассеивателей, выражение (1.1) может быть записано в виде [34]:
Видно, что в дискретной модели благодаря выделению объема рассеивателей ряд многократного рассеяния начинается с поля внутри изолированной неоднородности. В теории сильных флуктуации диэлектрической проницаемости сплошной среды [84] выделение поля внутри неоднородности осуществляется путем вьщеления сингулярности функции Грина в (1.1) в виде дельта функции и интегрирования в (1.1) в смысле главного значения (смотри ниже). Это позволяет решить задачу нахождения эффективной диэлектрической проницаемости случайно неоднородной среды с сильным отклонением є от единицы, но для малых по сравнению с длиной волны электрических размеров неоднородностей (квазистатическое приближение). В дискретном приближении поле внутри рассеивателя может быть найдено из решения дифракционной задачи.
Представляет интерес найти [34], когда приближения сплошной среды и дискретной среды дают близкие результаты. Из (1.2), (1.5), и (1.6) видно, что это происходит, когда оператор рассеяния изолированной частицы может быть разложен в виде сходящегося ряда Борна. Из (1.6) следует, что это выполняется при следующих условиях. Первое условие: \ss -1«1, что соответствует рассеянию Рэлея - Ганса в дискретной модели и теории малых возмущений для сплошной среды. Второе условие: kod\ss -1«1 где d- характерный размер рассеивателя (например, толщина листьев), что соответствует рэлеевскому рассеянию для частиц и теории сильных флуктуации для сплошной среды.
Если рассеиватели являются жесткими, т.е. ряд Борна, формально полученный из (1.6), не сходится, применение модели сплошной среды к реально дискретной среде лишено смысла. Из достаточного условия k0d\ss- «\ (1.7) можно оценить предел применимости модели сплошной среды к растительности. Для листьев d 0,2 мм (толщина листьев большинства сельскохозяйственных культур и деревь ев), es 20, и, принимая k0d(ss -1) = 0,3, получаем Л 8 см. Это означает, что оба приближения могут применяться для моделирования распространения волн в лиственной компоненте растительности вплоть до С-диапазона. Для более высоких частот применение дискретной модели предпочтительнее.
В непрерывной модели растительный покров представляется в виде однородной среды, характеризующейся значением ее эффективной диэлектрической проницаемости Єег или тензором ief. В работах [65-67, 85, 86] авторы использовали для вег формулы, полученные для смеси диэлектриков в электростатическом приближении. В [87] концепция сплошной среды использовалась для нахождения ослабления волн в листве. Волновые поправки к эффективной диэлектрической проницаемости eef получены в [88-90] на основе теории малых возмущений. Векторная задача нахождения єег, учитьгоающая сингулярность функции Грина, рассмотрена в работах [25, 91] на основе результатов теории распространения электромагнитных волн в среде с сильными неоднородностями диэлектрической проницаемости.
Распространение электромагнитных волн в растительном слое. Связь между электродинамическими и биометрическими характеристиками растительности.
Количество работ, содержащих экспериментальные данные о сечениях ослабления и рассеяния элементов растений, невелико. Впервые измерения указанных сечений листьев и стеблей различной формы и размеров были проведены автором в работах [19, 22] с использованием СВЧ радиометрического метода (смотри вторую главу). Активные методы использовались исследователями в основном для изучения обратного рассеяния волн элементами растительности, а также для измерения ослабления излучения совокупностью растительных элементов (посевом в целом или ветками деревьев).
Измерения ослабления и сдвига фазы на вертикальной и горизонтальной поляризации в посеве кукурузы проведены в [67] на частотах 1,62,4,75 и 10,2 ГГц. Измерения проведены при углах падения 20, 40, 60 и 90 относительно нормали к кукурузным стеблям. Экспериментальные данные сопоставлены с расчетными значениями для модели бесконечных цилиндров (стебли) и хаотически ориентированных дисков (листья). Предложенные модели ослабления оказались пригодными для данного типа покрова.
Измерения обратного рассеяния от листьев проведены в [127, 130]. В [130] модель диска и цилиндра конечной длины, базирующаяся на обобщенном приближении Рэлея — Ганса, сопоставлена с измерениями сечения обратного рассеяния листа осины и березовой палочки. Наблюдалось хорошее согласие между теорией и экспериментом за исключением малых по отношению к оси цилиндра углов падения. Это объяснялось возможной дифракцией на концах палочки (торцах цилиндра), так как модель рассматривает поле внутри палочки как поле внутри бесконечного цилиндра. Необходимость учета дифракции на торце цилиндра при малых углах падения впервые отмечена Н.А. Армандом, который сформулировал и поставил данную задачу перед автором. Дифракция на торце кругового цилиндра была рассмотрена в [19], где было рассчитано дополнительное ослабление за счет возбуждения падающей волной собственных волн диэлектрического волновода.
Распространение в модельном покрове, составленном из голых веток лиственных деревьев или веток с хвоей, исследовалось экспериментально на частоте 9 ГГц в [139] и интерпретировалось в [140] на основе теории Фолди - Лакса распространения среднего поля в разреженной дискретной среде. Использование амплитудной функции сегмента бесконечного цилиндра для нахождения характеристик ослабления излучения ветками дало хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными значениями ослабления.
Радиометрический метод использовался в [141] для измерения коэффициента прохождения и коэффициента отражения листьев сельскохозяйственных культур и деревьев на частотах 21, 35 и 94 ГГц. Поскольку применяемые частоты были достаточно велики, модель плоского бесконечного диэлектрического слоя оказалась в хорошем согласии с экспериментом. Это позволило пересчитать полученные данные в значения диэлектрической проницаемости листьев и изучить диэлектрические свойства последних в указанном диапазоне частот.
Радиометрический метод использован автором для измерения сечений ослабления и рассеяния листьев и веток на частотах 1,1,67 и 13,3 ГТц [19,22]. В этих работах получены и приведены экспериментальные зависимости указанных сечений от размеров листьев и стеблей, близких по форме к дискам, полосам и цилиндрам. Экспериментальные данные сопоставлены с расчетными значениями сечений для моделей, рассмотренных выше. Краткое описание методики и результатов измерений дано во второй главе.
Анализ результатов перечисленных исследований позволяет сделать следующие выводы. Ослабление и рассеяние электромагнитных волн листьями на частотах ниже S-диапазона в целом удовлетворительно описывается моделью тонкой плоской частицы (обобщенным приближением Рэлея — Ганса). Эта модель успешно применяется в известных MIMICS и Santa Barbara моделях обратного рассеяния от растительных покровов [73, 74]. На сантиметровых волнах эффекты резонансного ослабления и рассеяния, возникающие при размерах (диаметре, ширине) листьев, сравнимых с длиной волны, становятся значительными [22]. В указанном частотном диапазоне необходимо дальнейшие развитие модельных представлений для описания рассеяния и ослабления волн листьями. Для a,D (5..A0)A (а - ширина листа в виде полосы, D - диаметр круглого листа) модель большой плоской частицы применима, в том числе и в сантиметровом диапазоне. Модель длинного цилиндра удовлетворительна для расчетов crs и ае стеблей и веток при их длине / (3...5)Я. При 1«Х (хвоя), может использоваться модель малых частиц. Когда / Я, резонансные эффекты ослабления могут быть значительны [22].
Связь альбедо растительного полупространства с типом растительного покрова и его состоянием
Более точные расчеты спектральной зависимости коэффициента удельного ослабления Ъ для различных сельскохозяйственных культур, а также альбедо единичного объема о проведены автором в работах [19, 28], где представлены спектральные зависимости Ь и Ф в диапазоне длин волн 2...30 см. Принималось во внимание распределение биомассы в посеве по стеблям и листьям, распределение элементов растительного покрова по размерам и ориентациям, т.е. усреднение коэффициента экстинкции с учетом распределения растительных элементов по размерам и ориентациям. Примеры указанных зависимостей приведены на рис. 10, 11. Полученные расчетные зависимости хороню согласуются с данными целенаправленно поставленных измерений ослабления излучения различными культурами [31] и литературными данными [37] (смотри главу 2).
Следует особо отметить, что соотношения (L85), Q -86) впервые предложенные автором в работах [19-21], в дальнейшем подвергались серьезной экспериментальной проверке рядом исследователей [101] и детальному теоретическому анализу [165, 166]. Результаты указанных независимых исследований подтвердили применимость модели (1.86) для расчетов ослабления СВЧ излучения в растительном покрове на частотах ниже 7,5 ГГц и модели (1.85) на более высоких частотах при соответствующем подборе параметров А и Ъ. В настоящее время, указанные соотношения являются базовым при интерпретации данных дистанционного СВЧ радиометрического зондировании земной поверхности при наличии растительного покрова [61,101,167,168].
При получении теоретических оценок ослабления необходимо учитывать следующее. і. Элементы растений заменяются в моделях геометрическими телами простой формы (диски, цилиндры), что уже является приближением. Однако даже и для этих простых форм строгое решение дифракционной задачи отсутствует, что обуславливает применение различных приближений. Коэффициент экстинкции единичного объема находится как сумма сечений ослабления элементов, находящихся в этом объеме. При этом не учитывается корреляция расположения рассеивателей и их взаимное экранирование. В результате ошибка модели может быть значительной.
Растительные покровы являются принципиально случайно неоднородной средой, и ослабление излучения в них должно рассматриваться как случайная величина. Вычисляя ослабление при заданных размерах элементов растений и прочем, можно получить лишь некоторое среднее значение ослабления, которое представляется важным при низком пространственном разрешении зондирующих антенных систем, производящих пространственное усреднение характеристик объекта. Статистический разброс (дисперсия) значений ослабления на заданной частоте может также быть оценен из модели [48]. Этот разброс может достигать при высоком пространственном разрешении до 50% и вьппе от среднего значения для однородного посева, например, кукурузы [67].
Особый интерес представляет относительный уровень ослабления на различных частотах и его стабильность, поскольку отношение ослабления на различных частотах используется при обращении радиационных моделей и определения характеристик исследуемого объекта при многочастотном зондировании.
Теоретические модели очень важны и играют жизненную роль в процессе исследования, так как они незаменимы при проведении анализа чувствительности радиационных параметров (коэффициента обратного рассеяния или радиояркостной температуры) к изменению параметров исследуемой среды и при выявлении направлений дальнейших исследований. Однако, по нашему мнению, поскольку процесс моделирования связан с определенными допущениями и упрощениями исследуемого объекта, полученные модельные соотношения позволяют найти лишь приближенную связь, например, ослабления с выявляемыми параметрами растительной среды, определяющими его уровень. Параметры же (коэффициенты) модели следует уточнять путем регрессионного анализа экспериментальных данных. Например, для какой-либо части рассматриваемого частотного диапазо на разумно искать коэффициент экстинкции в виде (1.85), вытекающем из модельного анализа проведенного автором [35,37]: где А - форм-фактор, определяющийся типом покрова, w — влагосодержание единичного объема растительности, р — коэффициент, зависящий от влагосодержания растительных элементов, и/"— частота. Возможны также и другие формы регрессионных моделей.
Различия в значениях ослабления при различной поляризации электромагнитной волны возникают и наблюдаются экспериментально, когда в растительном покрове имеется какая-либо компонента с выраженной ориентацией (стебли, стволы) [37]. В этом случае ослабление находится как сумма ослаблений хаотической (листья) компонентой и ориентированной компонентой (стебли). Расчетные спектральные зависимости ослабления на вертикальной и горизонтальной поляризации различными сельскохозяйственными культурами и экспериментальные данные приведены автором в работах [28, 31] (рис. 10, 11). Различие в ослаблении на вертикальной и горизонтальной поляризациях может быть очень большим и используется при определении параметров растительности и почвы при дистанционном зондировании на различных поляризациях [21-23, 169].
Исследования ослабления и излучения СВЧ волн растительными покровами с помощью передвижной наземной установки
С точки зрения моделирования СВЧ радиационных характеристик почвенный покров представляет собой полупространство с шероховатой поверхностью и характеризуется случайным пространственно-неоднородным распределением диэлектрической проницаемости, как по глубине, так и по поверхности. Для нахождения коэффициента излучения почвы необходимо в соответствии с законом Кирхгофа найти отношение суммарной интенсивности отраженного от почвы излучения, которое включает в себя когерентную (зеркальную) и некогерентную (диффузную) компоненты, к интенсивности падающего излучения и вычесть это отношение из единицы [5, 12]. Строгое решение такой задачи вряд ли возможно, что предопределило использование приближенных моделей почвенной среды. Проблема выбора любой физической модели объекта сталкивается с дилеммой: с одной стороны модель должна быть достаточно простой, чтобы по ней можно было что-нибудь посчитать, с другой стороны модель должна описывать характеристики объекта с приемлемой точностью. Простейшей моделью почвы является модель однородного диэлектрического полупространства с гладкой поверхностью [5, 12]. В этом случае имеется лишь зеркальная компонента отраженного излучения, интенсивность которой может быть найдена с использованием формул Френеля для коэффициента отражения.
Следующим шагом к уточнению модели является учет влияния изменения диэлектрической проницаемости с глубиной (неоднородного по глубине увлажнения). Данный вопрос достаточно полно изучен в работах Е.А. Реутова и в [12], где найдены поправки к модели однородной среды для различных видов профилей изменения диэлектрической проницаемости по глубине, в том числе исследовано влияние на коэффициент излучения наличия переходных слоев с большим градиентом диэлектрической проницаемости. Наличие на поверхности почвы шероховатостей приводит к уменьшению когерентной компоненты отраженного излучения, но к появлению диффузно рассеянного излучения [12]. Оценки этих эффектов проводятся на основе теории малых возмущений (для шероховатостей с малыми по сравнению с длиной волны размерами) или на основе приближения ІСирхгофа для пологих шероховатостей. Поскольку указанные эффекты с точки зрения нахождения суммарной интенсивности отраженного излучения частично компенсируют друг друга, наличие шероховатостей не приводит к значительным отклонениям коэффициента излучения шероховатой поверхности от коэффициента излучения гладкой поверхности, рассчитанного по формулам Френеля [12]. Следует отметить, что в виду отсутствия строгого решения для задачи рассеяния волн на шероховатой поверхности, оценки влияния неровности поверхности почвы на ее СВЧ излучение получают из данных модельных и натурных экспериментов [12, 198-202]. Эмпирические модели, предложенные в [198, 199] для расчета поправки к модели однородной гладкой поверхности за счет наличия шероховатостей, экспериментально проверялись в работах [200-202]. Как указано в [61, 202], эти модели недостаточно точны, что указывает на необходимость дальнейшего исследования влияния поверхностных неровностей на радиотепловое излучение почвы. Как показывают экспериментальные исследования [12, 200-202], существенное изменения коэффициента излучения (А/г 0,1) наблюдается при переходе от гладкой почвы (а/Я -0,1, где а среднеквадратичное отклонение высот неровностей, Я - длина волны излучения) к слабо шероховатой почве (а/Л-0,5). Дальнейшее увеличение высот неровностей не приводит к изменению коэффициента излучения. В работах [203, 204] указывается, что появление неровностей сопровождается разрыхлением приповерхностного слоя, что приводит к уменьшению его объемного влагосодержания и, как результат, к увеличению коэффициента излучения почвы. Модельные эксперименты проведены А.М. Шутко на крыше здания при формировании неровностей поверхности почвы без изменения влагосодержания приповерхностного слоя. Они показали, что изменение радиояркостной температуры ше роховатой почвы от уровня радиояркостной температуры гладкой почвы с той же влажностью не превышает 5... 10 К. Близкие величины изменения радиояркостной температуры шероховатой почвы по сравнению с гладкой почвой дают и модельные оценки [12]. Таким образом, при моделировании СВЧ излучения почвы (а также при восстановлении параметров почвы и растительности по данным дистанционных СВЧ радиометрических измерений [12]) базовой является модель однородного диэлектрического полупространства с гладкой поверхностью. Неоднородное по глубине изменение диэлектрической проницаемости, наличие шероховатостей на поверхности почвы, неоднородность глубинного температурного профиля и пространственного распределения температуры в пределах пятна диаграммы приемной антенны рассматриваются как мешающие факторы, которые определяют статистический характер зависимости радиояркостной температуры от диэлектрической проницаемости (и, следовательно, влагосодержания) почвы. Введение указанных факторов в модель с последующей попыткой их оценки и уточнения получаемых данных о влажности почвы приводит к существенным практическим трудностям, а зачастую и принципиально невозможно.
