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

Описана методика и техника измерений комплексной диэлектрической проницаемости почв в полевых условиях, проводимых с целью оценки параметров диэлектрических моделей, применяемых в алгоритмах восстановления влажности почв методами спутниковой микроволновой радиометрии. Экспериментальные установки состояли из ячеек на основе симметричной полосковой линии и компактных векторных анализаторов цепей: LibreVNA, sv4401a и nanoVNA-V2 Plus4, позволяющих измерять комплексные коэффициенты передачи и отражения в диапазоне частот от 50 кГц до 4 ГГц (LibreVNA до 6 ГГц). Конструкция ячеек была спроектирована таким образом, чтобы повысить частоты возбуждения высших типов волн (начиная с H1) выше 3–5 ГГц при расстоянии между внешними проводниками 28,5 мм. 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. Параллельно определялась влажность почвы в слоях 0-2 см и 2-4 см. 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. Для оценки содержания физической глины (частиц размером менее 0,01 мм) в почвах использовались значения комплексной диэлектрической проницаемости на частоте 1 МГц и найденное путем диэлектрических измерений значения максимального количества связанной воды в почвах. Проведено сравнение полученных результатов с результатами определения содержания глины методом седиментации. Среднее отклонение значений влажности, найденных диэлектрическим методом, не превышало 5%, максимальное отклонение – менее 10%.
Производилось также 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, в большинстве случаев дистанционно определяемые значения влажностей выше определяемых контактным способом. Пересчет содержания глины из системы Качинского (частицы размером менее 10 мкм) в систему USDA (частицы размером менее 2 мкм) показал, что используемые в алгоритме восстановления влажности SMAP значения содержания глины (в системе USDA) превышают реальные значения. Это является возможной причиной завышенных значений влажности.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-27-10037, https://rscf.ru/project/23-27-10037/.