盐碱土壤的散射行为从古吉拉特邦5.3 GHz频率

文摘

本研究提出了实验测量复介电常数c波段微波干燥和潮湿的盐碱土壤收集的频率从丹迪(区域一家)的古吉拉特邦(印度)。自动设置在5.3 GHz频率调谐微波用于这一目的。然后使用测量介电常数的值估计散射系数利用微扰模型。我们的结果表明相对较低的增长率在ε’和数量级高值ε”这些盐碱土壤重量MC从10到30%时比早些时候报道non-saline土壤的研究人员。此外,MC的恒定值,土壤样品的散射系数与入射角的增加也会增加垂直极化,并增加持续60 70 o之间的角度,在它达到最大值,除此之外,它大幅减少。进一步为垂直和水平偏振,入射角在恒定值,我们的结果表明相对较低的增长率在盐碱土壤的散射系数值比早些时候报道non-saline土壤重量MC时改变从10到20%。这个数据是非常有用的理解盐碱土壤的介电行为和设计活动对这些土壤传感器。

关键字

介电常数、介电损耗、散射系数、盐渍土、c波段微波频率。

我的介绍。

迄今为止,天,使用微波遥感技术的新兴领域研究地球的自然资源。微波遥感地球的自然材料,如土壤和水有密切依赖他们的电气参数。最重要的参数是介电常数。微波遥感土壤湿度依赖于大型对比水的介电常数(80)和干燥的土壤(2 - 4)。干土壤的含水量增加介电常数增加因此,这直接影响到反向散射系数[1]。的知识土壤介电常数和散射系数有助于研究干燥和潮湿土壤利用微波传感器。几个研究人员报告他们的发现研究电介质和散射特性的土壤从世界各地不同的微波频率(三分之一)。然而,大多数报告的这些研究都是肥沃的土壤或non-saline相关的。

研究评估相比,介电常数和土壤含水量之间的关系,这些研究介电常数之间的关系,土壤含盐量和背散射系数是罕见的。在本文中,我们研究了盐度/导电性的影响土壤复介电常数,因此c波段的散射系数的频率。盐度是土壤退化的主要环境因素之一。盐度通常导致生物量减少。大约有百分之七的土壤全世界遭受这种现象[20]。

土壤中可溶性盐溶液的存在也有一个直接影响介电常数的值。水的介电常数的虚部是敏感盐度在微波频率低于10 GHz,而水的介电常数的实部与频率敏感盐度> 5 GHz [21]。一般来说,盐度增加了介电常数的增加,电导率随着盐度。这种效果是在更高的频率< 3 GHz [22]。由于这种效应,盐影响土壤与雷达能被探测到,但在这种情况下,表面粗糙度和植被影响必须消除精确测量土壤水分[23]。

目前的研究工作的主要目的或目标是提供详细的地面真实实验数据的介质和散射特性如介电常数(ε),介电损耗(ε”)和散射系数,并研究他们的变化与水分含量(MC)四种不同盐渍土样品在c波段微波频率,5.3 GHz。散射系数的估计价值,需要在设计主动微波遥感传感器。这样的研究是必要的关联可以从卫星遥感数据。这证实了有必要和重要性的研究工作在本研究报告。

二世。材料和方法

准备的土壤样品

在目前的调查,四个不同的土壤样本来自不同的地方躺在面积约6平方公里的丹迪古吉拉特邦(区域一家)的地点。这些高矿化度及其深度介于0-20厘米。表层土壤样品是由回转器已筛振动筛(规模425μm)去除粗粒子。已筛出细粒子然后干的热风烤箱温度在110 oc 24小时为了完全消除微量的水分。烘干的或干燥等干燥的样品然后被称为基样品相比,湿样品。土壤的各种重量的样品水分内容准备通过添加蒸馏水的确切数额的已知质量烘箱干燥的土壤。水保混合物充分混合,被关在一个封闭的容器妥善解决几个小时。

土壤样品的理化分析

所有四个土壤样品分析可用营养物质的状态和其他物理-化学性质的标准分析方法从农业大学土壤测试实验室,浦那。丹迪的详细物理和化学分析报告(Gujrat)土样在表1和2,分别。从表1中,我们看到,几乎所有的土壤样品的体积密度值略低于正常的指定范围。此外,这四个土壤样本显示凋萎点(WP)变化范围从0.106到0.193。小王和Schmugge模型[24]已被用于计算凋萎点(WP)和过渡这些土壤的水分(Wt)。

最引人注目的特征从表2,所有这些土壤样本有很高的电导率值(大约100次或超过正常EC范围)和可用的钾,K(大约10到20倍临界极限)。高EC值标明所有土壤样品高盐度。pH值在表2表明,所有土壤样品是轻微或中等碱性。此外,这些土壤也相对高的铜和锌值和低氮和铁的值比正常范围内。

介电性能的测量方法

波导细胞方法用于确定土壤样品的介电性能。自动微波设置(图1)TE10模与耿氏源操作所需的c波段频率,基于pc的开槽线控制和数据采集系统用于这一目的。它由单片机(8051)和ADC-12 - MCP (3202) Visual-Based软件。由于雾化获得的主要优点是分辨率的增加输出,减少反对错误的开槽线,驻波模式的可视化表示。样品的长度通常是在λ/ 4的倍数。

信号产生的微波源允许事件在土壤样本。给定的土壤样本反映出其正面入射信号的一部分。反射波与入射波相结合给驻波模式。然后使用这些驻波模式确定的值最小值的变化是由于之前和之后插入土壤样本。介电常数的计算方法是通过测量介质材料的驻波比和最小值的驻波模式的转变在矩形波导中。这种转变发生时由于导波长的变化介绍了波导介质材料。用这些值的最小值的变化,电压驻波比,波导尺寸,指导波长,等在一个精心设计的计算机程序,的值确定土壤的介电常数和介电损耗。为了改善这些结果的准确性,平均几个读数。

从测量介电常数和介电损耗,盐渍土样品的散射参数可以确定。

散射系数利用摄动模型的估计

使用不同的模型取决于表面的性质。对于波导单元方法,波导内的土壤表面光滑;因此,扰动模型是相当合适的(25 - 26)。表面微扰的方法需要标准偏差小于约5%的电磁波的波长。因此,在目前的情况下,C -带表面标准差约1.4毫米。相应的表面相关长度大约是13.2毫米。为了应用摄动模型,得到满足的必要条件

三世。结果与讨论

介电常数的变化与水分含量

图2显示了介电常数的变化与不同重量MC(%)四丹迪的盐渍土样本(Gujrat状态)在5.3 GHz频率。这些土壤样本的MC(%)在一系列变化从0%(烘箱干燥),约30%的土壤样本。所有四个土壤样本研究,介电常数ε的,一般来说,发现增加与增加在MC的研究范围。然而,这种变化是非线性的和趋势几乎是类似的样品,除了它们的相对大小。这样小的变化大小差异可能是由于四个土壤样品的理化性质进行了研究。ε值的范围从2.4到15.7的5.3 GHz和MC变化0 - 30%。

这些结果是类似的结果在某些方面获得的众多研究人员(2 - 14)早些时候土壤的水分对介电性能的影响。但是,我们的研究结果表明相对较低增长率ε的土壤样品当他们的重量MC改变从10至30%,显示关闭协议类似研究盐碱土壤(研讨会)。因此,我们的研究结果清楚地表明土壤盐碱化的影响介电常数的实部ε’。这可能主要是因为明显高的电导率值/盐度的这四个土壤样本比早些时候所使用的调查人员(2 - 14)。

介电损耗与水分含量的变化

图3显示了介电损耗的变化与不同重量MC(%)为所有四个土壤样本研究丹迪的网站在c波段(5.3 GHz)频率和MC(%)的土壤样本是多种多样的(烘箱干燥)的范围从0%到30%。所有四个土壤样品的介电损耗ε”,一般来说,发现随着重量增加而增加MC的范围进行了研究。然而,这种变化也几乎是非线性和趋势

类似的情况下,除了它们的相对大小。在图3中,MC(%)的恒定值,对土壤具有相对更大的价值的EC我们观察相应更高价值的ε”。从这个网站所有的土壤样本,ε”的值从0.20到7.8不等。再一次,我们的结果的一个突出特点是,我们观察到数量级高值ε”这些土壤样本丹迪与MC %的变化比non-saline土壤样本研究的早期调查人员(2 - 14)。这也可能主要是因为我们的土壤样本相当高的电导率值(大约100次或超过正常EC范围)和可用的钾,K(大约10到20倍临界极限)。这清楚地表明,在这项研究中使用的所有土壤样品高盐度。因此,我们的研究结果清楚地表明土壤盐度的显著影响介电常数的虚部ε”和与类似研究显示关闭协议盐碱土壤(研讨会)。

散射系数与入射角的变化水平(VV)和垂直极化(HH)频率5.3 GHz丹迪站点土壤样本

图4(模拟)显示四个土壤样品的散射系数变化与MC(%)和不同的入射角和三种不同的MC(0%、10%和20%),垂直和水平偏振在5.3 GHz频率,分别。散射系数的变化趋势与MC和入射角度几乎是所有四个土壤样本相似,除了它们的相对大小。这样小的变化大小差异可能是由于四个土壤样品的理化性质进行了研究。可以看出在MC恒定值,土壤样品的散射系数随入射角增加垂直极化,并增加持续60 70 o之间的角度,它到达最大值和超越这一特定角度,散射系数大幅降低。这个角的值是发现稍微更高的MC。此外,对垂直极化,在入射角恒定值,散射系数发现土壤样本值显著增加,增加的MC (%)。

在水平极化的情况下,土样的散射系数值几乎保持不变,入射角度约40 - 50°慢慢开始减少。50°之外,它与入射角的增加明显下降,约为70 - 80°,此后的散射系数值几乎相等的所有三个MC。因此,在一般情况下,对水平极化散射系数随入射角的增加而减小。这是进一步观察到土壤的散射系数的大小相同入射角垂直极化,而不是更多的水平极化。然而,对于水平极化,在入射角恒定值,散射系数的土壤样本也发现显著增加增加MC的值(%),类似于垂直极化。因此,这里给出结果/图也显示类似的趋势,协议在某些方面的实验结果和理论预测调查人员早些时候non-saline土壤[11-19]。但是,我们的研究结果表明在散射系数值相对较低的增长率为盐渍土样品当他们的重量MC改变从10至20%,与类似的研究再次显示关闭协议盐碱土壤(研讨会)。这预计由于散射系数的直接依赖于介电常数的实部。因此,我们的研究结果清楚地表明土壤盐度对散射系数的影响。

盐碱土壤的散射系数的数据是非常有用的在设计有源传感器等类型的土壤。这些传感器非常检索所需的土壤含水量的遥感卫星数据。因此报道的研究不仅有助于理解土壤物理学还可能会发现在各个领域的使用主要在农业。

四。结论

盐碱土壤复介电常数的增加而增加MC在c波段频率(%)。然而,这也是非线性变化和趋势几乎是类似的情况下,除了它们的相对大小。我们的结果进一步表明相对较低的增长率和数量级高值ε的ε”这些盐碱土壤重量MC从10到30%时比non-saline土壤研究人员早些时候报道了。

在MC恒定值,土壤样品的散射系数随入射角增加垂直极化,并增加持续60 70 o之间的角度,它达到最大值,除此之外,它大幅减少。

水平极化,MC的恒定值,散射系数随入射角的增加而减小。

对于垂直和水平偏振,恒定值的入射角,散射系数的土壤样本发现显著增加与增加的MC (%)。然而,我们的研究结果显示相对较低的增长率在盐碱土壤的散射系数值比早些时候报道non-saline土壤重量MC时改变从10到20%。我们的结果显示关闭协议类似的盐碱土壤的研究。

承认

作者非常感谢空间应用中心,ISRO,艾哈迈达巴德(印度)提供资金,开展这项研究,还本金,喷气z . b .帕蒂尔学院,后为他的这种合作和鼓励在这工作。

引用

亨德森f·m·刘易斯·a·J。,一个¢成像的原理及应用RadarA¢,第八章,第3版,(纽约)约翰•威利和儿子Inc ., 1998。
柯蒂斯j . O。、¢水分对介电性能的影响的soilsA¢,IEEE地球科学和遥感,IEEE地球科学和遥感,39卷,问题1,第128 - 125页,2001年。
宫V。Darshane S和谢赫S。、¢Ku波段微波传输和反射潮湿的棕色和黑色soilA¢,印度j .广播和空间物理,79卷,12个问题,1419 - 1422年,2005页。
斯利瓦斯塔瓦美国k和Mishra g P。、¢研究土壤的特点恰蒂斯加尔邦的x波段frequencyA¢,成就法,29卷,问题4,343 - 347年,2004页。
Chaudhari h . c, Shinde诉J。、¢电介质研究潮湿土壤在x波段微波frequencyA¢,国际自然科学学报,3卷,问题3,75 - 78年,2008页。
Navarkhele V V。,Nakade s t . A和谢赫。、¢介质的方法来确定土壤中含水量使用E微波传输技术在J -班达¢,印度本月J。科学。卷,86年,第729 - 723页,2006年。
Gadani D·h·和Vyas以及a D。,一个¢古吉拉特邦的土壤复介电常数的测量X和c波段微波frequenciesA¢,印度广播和空间物理,j . 37卷,第229 - 221页,2008年。
亚历克斯z . c, Behari J。、¢复杂介质介电常数的土壤作为频率的函数,水分和textureA¢,印度j .纯粹和应用物理。34卷,第323 - 319页,1996年。
Ulaby F.T.,摩尔上面和Fung A.K.、¢微波遥感:主动和被动,卷I-IIIA¢,addison - wesley出版公司Inc ., I - 1981卷,2 - 1982和3 - 1986。
马蹄莲O.P.N.,野生动物V。,Bohra C。Naik,基准线哈桑,w和巴厘岛H.S.,一个¢估计从给定的质地土壤介电常数的微波frequencyA¢,印度j .广播和空间物理,33卷,第200 - 196页,2004年。
Ahire官员和Chaudhari公关、¢发射和散射的行为从卡纳塔克邦在微波干燥和潮湿的黑土frequencyA¢,国际物理和数学科学学报,3卷,问题1,32-39,2013页。
Ahire官员和Chaudhari公关,Maity s和Chakraborty M。、¢变异的发射率和散射系数与入射角的土壤和水分含量在c波段frequencyA¢,国际科学杂志》上的研究出版物,4卷,问题4,1 - 8,2014页。
马蹄莲O.P.N.和汉纳,一个¢估计散射系数与不同的水分含量在微波干燥和潮湿土壤frequenciesA¢,印度广播和空间物理学报,30卷,第111 - 106页,2001年。
马蹄莲O.P.N.,约纳利。,Das B。Mishra k . P。,Kalita m和Haque S.S.,一个¢干燥土壤发射和散射的行为从东北印度¢,印度广播和空间物理学报,33卷,第328 - 321页,2004年。
马蹄莲O.P.N. Kalita.S。、¢估计散射系数的盐渍土略粗糙表面和起伏的表面微波frequenciesA¢,印度广播和空间物理学报,33卷,第410 - 405页,2004年。
Fung A.K.陈,李z和K.S.,一个¢反向散射从随机粗糙介质surfaceA¢,IEEE反式。地球科学与遥感(美国),30卷,356页,1992年。
Ulaby F.T.、¢雷达测量土壤水分contentA¢,IEEE事务在天线和传播,AP-12, 257 - 265年,1974页。
Ulaby F.T.Sarabandi K。麦当劳K。,Whrrt m·多布森医学博士、¢密歇根微波树冠散射模型¢,国际遥感学报,11卷,pp.1223 - 1253, 1990。
李。,王L.M.,邓小平H。,周Q.B.,李Z.C.、¢反演模型研究土壤表面粗糙度通过使用微波远程sensingA¢,Proc。龙1项目,ESA sp - 655, 2008。
索我。,一个¢碱土土壤:土壤学报碱土国际研讨会。问题,属性,UtilisationA¢,Osijek,南斯拉夫,6月15 - 20,1988年,由M编辑亚当,农业学院,Osijek大学9-25,1988年。
多布森m . C。f·t·Ulaby, m . t . Hallikainen和m . A . El-Rayes¢微波介电行为的湿soil-Part II:介质混合modelsA¢IEEE地球科学、遥感、23卷,35-46,1985页。
多布森m . c & f·t·Ulaby¢SIR-B初步评估的土壤水分,表面粗糙度,和作物树冠coverA¢,IEEE地球科学和遥感,24卷,第526 - 517页,1986年。
佐我,我。A . r . Huete, d . Troufleau m . s .莫兰& A·维达尔,一个¢ERS-1关系合成孔径雷达数据和测量表面粗糙度和土壤含水率ofrocky半干旱rangelandA¢,水资源研究、34卷,第1498 - 1491页,1998年。
王,j . R。,Schmugge T。、¢实证模型复杂的土壤介质介电常数的函数水contentA¢,IEEE反式。Geosci。远程Sens。18卷,第295 - 288页,1980年。
Yadav, V。,阿尼尔•库马尔(Anil Kumar) A . Sharan s Sinha A.K. Yadav, m·古普塔V.K. Jangid, r。农业科学杂志》上,42卷,42-49,2009页。
Heiniger r·w·麦克布莱德r g。粘土,d, E。、¢使用土壤电导率提高养分ManagementA¢,农学杂志,95卷,第519 - 508页,2003年。