Отражение микроволн L-диапазона от снежного покрова

Отражение и рассеяние земной поверхностью микроволнами является основой теории и практики радиолокационного и радиотеплового аэрокосмического зондирования Земли. Отраженные сигналы несут информацию о характеристиках земной поверхности и верхнем слое почвы, определение которых происходит в результате решения обратной задачи. Поэтому очень важно иметь электродинамическую модель, которая адекватно описывает процессы отражения от земной поверхности. Снег является важнейшей составляющей земного покрова в холодный период и одним из актуальных направлений дистанционного зондирования является изучение снежных покровов земной поверхности, которому посвящено большое количество работ, например, [1–3]. Значение снега и льда обусловлено непосредственной связью их состояния на планете с проблемой глобального потепления и другими критическими процессами.

В известной литературе не обнаружено исследований по расчетно-экспериментальным оценкам коэффициента отражения микроволн от слоистой структуры «снег–почва». Между тем, они могут дать возможность как более точного учета их влияния на характеристики радиолокационных и радиотепловых сигналов, так и более адекватного восстановления параметров льда и снега с помощью дистанционного зондирования. В природе снег является достаточно сложной системой, имеющей, например различную зернистую структуру, от которой возможно объемное рассеяние, и слоистое строение, которые не учитываются теорией для однородных сред. С целью экспериментального исследования отражения микроволн от снежного покрова и сравнения с результатами расчета были проведены предварительные натурные наземные исследования отражения микроволн в условиях полигона.

Теория. В качестве первого приближения будем считать рассматриваемые среды однородными и характеризующимися своими комплексными диэлектрическими проницаемостями (КДП)

8 = 81 — i 82, где 81 и 82 - действительная и мнимая части КДП, соответственно.

Для численных оценок используем следующие значения КДП.

Снег. В качестве КДП в микроволновом диапазоне используем полуэмпирическую формулу [1; 4]

8 ! = 1 + 1,6 р + 1,86 р ³,               (1)

где ρ – плотность снега, г/см³. Значения ρ могут быть заключены в пределах от 0,02–0,25 для свежевыпавшего снега и 0,3–0,5 перед периодом таяния. Значения 8 2 для снега не превышают 10^-4 — 10^-2 [5].

Мерзлая почва . У мерзлой почвы в зависимости от состава и температуры согласно графическим зависимостям, приведенным в работе [5], 8 1 = 4 — 8, 8 2 = 0,1 — 2.

При расчетах амплитуды и фазы коэффициента отражения R от слоистых структур использовалась формула [6]

R = R 12 + R 23 e -^ik ² d

1 + R 12 R 23 e "2^{ik 2} d ’

где R 12 , R 23 – коэффициенты отражения на границах «полупространство 1 – полупространство 2» и «полупространство 2 – полупространство 3», соответственно; k 2 – проекция волнового вектора в среде 2 на перпендикулярное поверхностям направление; d – толщина слоя. Соответственно, цифра 1 обозначает атмосферу, 2 – снег, 3 – почву.

Формула (2) получена для случая плоской волны, падающей на дискретно-слоистую среду с плоскими границами раздела.

Вычисления по формуле (2) показывают, что как амплитуды, так и аргументы коэффициента отражения при определенных соотношениях параметров сред изменяются достаточно заметно [7]. Аналогичные изменения были также получены для случая дискретной слоистости влажности почвы [8]. В радиолокационной интерферометрии, основанной на измерении фазы отраженной волны, отсутствие учета этих изменений фазы может привести к заметным ошибкам.

Условия и результаты эксперимента. На сравнительно ровную мерзлую почву с остатками прошлогодней травы и с размерами вертикальных неровностей приближенно до ±1 см механическим способом

Рис. 1. Зависимости коэффициента отражения от высоты снежного покрова на частоте 1,4 ГГц

Рис. 2. Зависимости коэффициента отражения от высоты снежного покрова на частотах 1,4 ГГц ( а ) и 1,8 ГГц ( б )

а б

накладывался снег с целью образования покрова различной высоты, затем поверхность снега заглаживалась, насколько это было возможно, далее процесс проходил в обратном порядке. Измеренная плотность снега находилась в пределах 0,24 - 0,35 г/см³. Измерения выполнялись по бистатической схеме. Излучающая и приемная антенны представляли собой измерительные рупорные антенны П6-23, направленные на точку зеркального отражения. Центры антенных апертур находились на высоте 1,73 м и расстояние между ними, соответственно, составляло 2 м. Диаграммы направленности антенн имели ширину 33° в Е- плоскости и 28° в Н -плоскости.

На рис. 1 приведены зависимости модуля коэффициента отражения от высоты снега на частоте 1,4 ГГЦ при горизонтальной поляризации излучения, полученные 16.03.2013 г. при температуре воздуха –3 °С и температуре снега –5 °С. Угол падения составлял 30°, границы облучаемой зоны при этом угле представляют контур размером 1,2×1,2 м. Развязка по полю, прямо распространяющемуся от излучающей антенне к приемной, составляла 60 дБ.

Расчетная кривая, полученная из формулы (2) при плотности снега, равной 0,3, также представлена на рис. 1.

Результаты, полученные 31.03.2013г. при температуре воздуха –5 °С и температуре снега –7 °С на частотах 1,4 ГГц и 1,8 ГГц при горизонтальной поляризации и угле падения 40°, на рис. 2 представлены. Высота антенн составляла 2,3 м, расстояние между ними 3,86 м. Размеры облучаемой зоны 1,6 м × 1,8 м Развязка по прямому полю составляла 40 дБ и 54 дБ, соответственно.

Из приведенных результатов следует, что наблюдается достаточно существенные вариации уровня отраженного поля от высоты снежного слоя. Так, экспериментальные данные, приведенные на рис. 1, показали наличие колебаний уровня поля до 18 дБ. Ме- жду тем, расчетная кривая, довольно точно показывая расположение экстремумов, предсказывает колебания уровня до значения 7 дБ. Результаты, приведенные на рис. 2, напротив, показывают хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных по значениям отраженного поля в максимумах и минимумах и расходятся между собой в местоположении экстремумов в зависимости от высоты снежного слоя. Таким образом, можно сделать вывод, что наблюдается частичное соответствие между расчетными и экспериментальными результатами. Возможными причинами расхождения между ними могут являться: неровности почвы, влияние остатков травы, зернистость снега, неизбежные неровности поверхности снега при его механическом заглаживании, влияние слоистости снега, поскольку при заглаживании поверхности верхний слой уплотняется. Необходимо также учитывать сферический характер падающей волны и влияние направленности антенн. Для более достоверного понимания механизма отражения от почвы, покрытой снегом, необходимы дальнейшие исследования.