Взаємозв'язок характеристик розсіяного сигналу з параметрами поверхні при багаточастотних методах дистанційного зондування

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ

ім. О.Я. Усикова

01.04.03 -Радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико - математичних наук

Взаємозв'язок характеристик розсіяного сигналу з параметрами поверхні при багаточастотних методах дистанційного зондування

Яцевич Сергій Євгенович

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України.

Науковий керівник роботи: доктор технічних наук, професор,

Кулємін Геннадій Петрович,

Інститут радіофізики та електроніки

ім. О.Я. Усикова Національної академії

наук України, м. Харків, головний

науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, доцент

Рогожкін Євген Васильович,

Національний технічний університет “Харківський

політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Харків, професор кафедри радіоелектроніки ;

кандидат фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник

Можаєв Олександр Олександрович,

Військовий науковий центр космічних

досліджень при Харківському

військовому університеті, м. Харків,

провідний науковий співробітник.

Провідна установа: Харківський національний університет

ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і

науки України, кафедра прикладної

електродинаміки.

Захист відбудеться “30.” .........10........., 2001 р. о ...15... годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 в ІРЕ ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури 12, у залі засідань)

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім.О.Я. Усикова Національної академії наук України за адресою: м. Харків, вул. Ак. Проскури 12.

Автореферат розісланий “.26.....” ...........09................ 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кириченко О.Я.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В наш час активно застосовуються дистанційні методи дослідження поверхні Землі засобами активної і пасивної радіолокації аерокосмічного базування у НВЧ діапазоні радіохвиль. Перспектива радіофізичних методів дистанційного зондування безпосередньо зв'язана з прикладними задачами інтерпретації отриманої інформації.

При дослідженні поверхні суші, що являє собою складну електрофізичну і геометричну систему, виникають труднощі при розробці електродинамічних моделей, які адекватно описують процеси зворотного розсіювання. Тому одним з перспективних шляхів розвитку методів інтерпретації радіофізичної інформації є експериментальне з'ясування взаємозв'язків характеристик розсіяних радіосигналів з параметрами поверхні суші.

У численних експериментальних роботах отримано великий обсяг даних про взаємозв'язок характеристик розсіяних і випромінених радіосигналів з інтегральними параметрами рослинного покриву і ґрунтів. Однак ці дослідження не охоплюють різних умов спостереження, розрізнені за часом і географічними поясами, практично відсутні дані про синхронні вимірювання в широкому діапазоні радіохвиль. Все це істотно ускладнює розробку методів інтерпретації отриманих результатів.

Актуальність дисертаційної роботи обумовлюється необхідністю розробки нових дистанційних методів, спрямованих на підвищення ефективності оцінки параметрів ґрунтів і рослинного покриву, а також з недостатньою інформативністю одноканальних радіофізичних даних дистанційного зондування для розв'язання задач, які пов'язані зі створенням земельного кадастру, контролем і прогнозуванням врожайності, запобіганню критичних ситуацій. Задачі, що розв'язуються в роботі, спрямовані на розробку нових методів, які дозволяють підвищити інформативність даних дистанційного зондування, завдяки використанню особливостей відбиття радіохвиль від поверхні землі в суттєво різних частотних діапазонах .

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Результати досліджень, наведені в роботі, отримані в рамках проведення наступних НДР в ІРЕ НАН України:

1. НДР "Теоретичне й експериментальне вивчення проблем багаточастотних радіолокаційних досліджень природного середовища і створення багатоцільового літакового радіолокаційного комплексу дистанційного зондування", (шифр теми - "Природа", № держ. реєстрації 0193U034733), виконаної за постановою Бюро ВФА АН УРСР від 11.12.90, пр. № 10 у період з 1991 по 1995 рік.

2. НДР "Дослідження площинного і динамічного розподілу вологості ґрунту за допомогою радіофізичних багаточастотних методів локації", (шифр теми "Природа-1", № держ. реєстрації 0196U006113), виконаної за постановою Бюро ВФА НАН України від 19.01.96, пр. № 9 у період з 1996 по 2000 рік.

При виконанні НДР “Природа” та “Природа 1” здобувач був відповідальним виконавцем робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є експериментальне виявлення закономірностей, що обумовлюють взаємозв'язок енергетичних характеристик розсіювання радіохвиль НВЧ діапазону з параметрами ґрунтів і рослинного покриву, і подальша розробка на підставі цих закономірностей методів інтерпретації багаточастотних даних дистанційного зондування.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

на підставі аналізу закономірностей розсіювання радіохвиль НВЧ - діапазону ґрунтами і рослинним покривом визначити основні вимоги до параметрів систем дистанційного зондування і до умов спостереження;

розробити багаточастотну радіолокаційну та радіометричну апаратуру аерокосмічного базування для дослідження параметрів поверхні суші в натурних умовах; дистанційне зондування аерокосмічний ґрунт рослинний

провести дослідження впливу геометричних, електрофізичних, біометричних та інших параметрів ґрунтів і рослинного покриву на енергетичні характеристики розсіяних сигналів;

вивчити можливості практичного використання багаточастотного аерокосмічного моніторингу поверхні суші для дистанційної діагностики ґрунтів і рослинного покриву в інтересах народного господарства України.

Об'єктом дослідження є процес розсіювання радіохвиль покривами суші в широкому діапазоні радіохвиль.

Предметом дослідження - вивчення взаємозв'язку характеристик розсіяного сигналу з геометричними, біометричними та фізикохімічними параметрами поверхні при багаточастотних методах дистанційного зондування.

Методи дослідження. Робота виконана з використанням сучасних теоретичних моделей розсіювання радіохвиль поверхнею суші і статистичних методів аналізу даних. У дослідженнях застосовувалися описи статистичних характеристик ділянок поверхні суші, отриманих емпіричним шляхом. Висока точність експериментів забезпечувалася проведенням автоматичним внутрішнім калібруванням датчиків дистанційного зондування в комплексі з зовнішнім калібруванням по еталонних відбивачах і активних відповідачах. Обробка інформації заснована на відомих методах статистичної радіофізики. При інтерпретації радіолокаційних зображень використані контактні дані, які отримані спільно з фахівцями в області ґрунтознавства й агрохімії. Достовірність результатів підтверджується високою точністю та сталими результатами багаторазових вимірювань.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна результатів дисертаційної роботи полягає в наступному:

Вперше показано, що багатоочастотне радіолокаційне зондування в 3-сантиметровому, 23-сантиметровому, і 180-сантиметровому діапазонах радіохвиль дозволяє проводити класифікацію ґрунтового покриву по гранулометричному складу.

Експериментально доведено, що синхронне радіолокаційне і радіометричне дистанційне зондування в 3-сантиметровому і 8-міліметровому діапазонах радіохвиль, відповідно, дозволяє досліджувати сезонну динаміку зміни параметрів рослинного покриву. Одноканальна класифікація за даними 3 сантиметрового діапазону може застосовуватися тільки для розподілу сільськогосподарських рослин на просапні культури і культури суцільної сівби. Використання двох частотних радіолокаційних і радіометричних даних дозволяє впевнено розрізняти типи культур, як між цими класами, так і в межах класів.

Установлено, що при радіолокаційній зйомці ґрунтів і рослинного покриву в 3 сантиметровому діапазоні радіохвиль на кутах візування більше 450 спостерігається лінійна залежність між біометричними характеристиками рослинного покриву (висота, проективне покриття, вологість) і інтенсивністю відбитого сигналу; найбільш висока кореляція характеристик ґрунтів (вологість, діелектрична проникність) з інтенсивністю відбитого сигналу спостерігається для кутів візування 20-400.

Показано, що використання даних космічного дистанційного зондування в 3-сантиметровому діапазоні хвиль разом з даними мережі гідрометеопунктів дозволяє оцінити агрометеорологічну ситуацію, зокрема оцінювати стан сніжного покриву і вміст вологи в ґрунті в осінньо-зимовий період року і здійснювати картування цих параметрів на великих територіях.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційної роботи реалізовані при розробці і створенні авіаційного радіолокаційного комплексу дистанційного зондування Землі "МАРС", що дозволяє проводити багатоцільові дослідження поверхні Світового океану і суші. Обробка інформації на борту дозволяє оперативно використовувати її споживачами для рішення екологічних, гідрологічних, сільськогосподарських, геологічних і широкого кола інших народногосподарських задач. Низка запропонованих методик по вивченню ґрунтового і рослинного покривів із застосуванням багаточастотної радіофізичної інформації використовується в Харківському Інституті ґрунтознавства й агрохімії ім. А.Н. Соколовського. Результати обробки космічної інформації ШСЗ "Січ-1" застосовувалися в роботі гідрологічних служб Харківського Гідрометеоцентру під час весняної повені 1996р. по державній програмі "Повінь-96".

При виконанні роботи отримано великий обсяг даних дистанційного зондування поверхні Землі за допомогою багаточастотних датчиків і контактних даних про властивості досліджуваних поверхонь, що дозволить створювати нові моделі розсіювання радіохвиль і розробити нові методики інтерпретації отриманої інформації.

Висновки, рекомендації і технічні рішення, отримані в дисертації, використані при проектуванні перспективних космічних радіолокаційних систем. Технічні рішення і методики обробки можуть бути використані для створення апаратури й інфраструктури прийому й обробки даних дистанційного зондування.

Результати, отримані в дисертації, можуть знайти застосування в науково - дослідних установах і організаціях, що працюють в області радіофізики, ґрунтознавства, аграрних наук, екології, картографії і землекористування, досліджень природного середовища Землі та ін.

Особистий внесок здобувача. Здобувач брав участь у створенні комплексу радіофізичної апаратури (РФА) ШСЗ "Космос - 1500", "Космос - 1602" у частині розробки ряду вузлів НВЧ і радіочастотної частини НВЧ скануючого радіометра РМ-08, а також відпрацьовуванні і проведенні натурних експериментів. У період функціонування ШСЗ "Січ-1" автор здійснював прийом наукової інформації. З його участю проводилася первинна і тематична обробка прийнятої інформації, а також взаємодія зі споживачами інформації [1,5,6,9,10,14,15,19].

Здобувач взяв участь у створенні літакової апаратури "Аналог" з комплексом РФА. Вніс основний внесок у дослідження розсіювання і випромінювання радіохвиль біометричними і ґрунтовими параметрами з використанням комплексу РМ-08, РБО-3. За результатами робіт автору була присуджена премія ім. Ленінського комсомолу в галузі науки і техніки [2-5,11,12,16-18].

При особистій участі автора роботи розроблені й обладнані багаточастотні літакові лабораторії МРЛК і "МАРС", де він займався розробкою і виготовленням ряду вузлів РМ-08, РСА-23, РБО-3, а також питаннями загального функціонування багатогочастотного комплексу. При проведенні вимірювань визначав задачі та брав участь в літакових дослідженнях. Визначав задачі для робіт з наземного забезпечення досліджень. Брав участь в розробці методик та в обробці та інтерпретації результатів літакових та наземних вимірювань. [5,7,8,11].

У роботах [3,4,7-9,12-13,16-19] автор проводив порівняння радіофізичної інформації з результатами наземних досліджень, інтерпретацію та узагальнення отриманих даних.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, наведені в дисертаційній роботі, були представлені на наступних конференціях і семінарах: ХIV Всесоюзная конференция по распространению радиоволн. Москва, 1984 г; Всесоюзной конф. "Космические методы изучения биосферы", г. Звенигород, 1988 г; Всесоюзная научно-техническая конференция “Методы представления и обработки случайных сигналов”. Харьков, ХИРЭ,1989 г; Sixth International school on microwave physics and technique. Varna, Bulgaria, 2-7 October, 1989; The Fourth Ukraine Russia China Symposium on Space Science and Technology. Ukraine, Kiev, 1996, sept.12-17; 27th International Symposium on Remote Sensing of Environment Tromso, Norway, June-8-12, 1998.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в 5 статтях у фахових журналах та у 4 статтях у наукових виданнях, у 2 авторських свідоцтвах на винаходи, 2 препринтах, у 6 матеріалах і тезах Всесоюзних і міжнародних конференцій і семінарів.

Структура дисертації. Дисертація містить вступ, 4 основних розділи, 25 табл. і 68 рис., висновки, додаток на 35 стор., список використаних джерел з 128 найменувань на 15 стор. Повний обсяг дисертації 209 стор.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дисертаційної роботи наведений опис стану наукової проблеми. Показано новизну й актуальність проведення багаточастотних досліджень поверхні Землі радіофізичними методами з аерокосмічних носіїв.

У першому розділі проведений аналіз характеристик радіолокаційних сигналів, розсіяних поверхнею, що підстилає, у рамках існуючих моделей розсіювання. Оцінки характеристик сигналів, відбитих ґрунтами, проведені за допомогою методів малих збурень (розмір шорсткості багато менше довжини хвиль опромінення) і методу дотичної площини (розмір шорсткості багато більше довжини хвилі), двох-масштабної моделі (для інтерпретації даних про розсіювання радіохвиль із широким спектром вертикальних і горизонтальних нерівностей), методу малих нахилів (для розсіювання на поверхні з нерівностями довільної висоти, але досить положистих). Показано, що перспективними моделями для оцінки характеристик сигналів, відбитих рослинним покривом, є моделі покривної “хмари” для одношарового і багатошарового покриттів. А також найбільш перспективна складна модель, яка враховує внесок поверхневого розсіювання ґрунтом (метод малих збурень), об'ємного розсіювання рослинним покривом (вдосконалена модель "хмари") і розсіювання за рахунок взаємодії поверхня - об'єм (домінуючими є дискові або трубчасті випадково розташовані розсіювачі). Розглянуто моделі розсіювання від сніжного покриву, що враховують вплив земної поверхні, що знаходиться під ним, а також розсіювання на границі повітря - сніг і розсіювання в обсязі снігу.

Показано, що перераховані вище моделі розрахунку застосовні лише до ідеалізованих моделей границь розподілу природних середовищ, що можуть бути описані однозначними плавними функціями просторових змінних. Вирішальне слово щодо застосовності тієї чи іншої моделі розсіювання належить, врешті решт, експериментам.

На підставі відомих теоретичних і експериментальних досліджень показано, що найбільш перспективними методами вивчення параметрів поверхні суші є комплексні багаточастотні радіофізичні методи, що використовують інформацію активної і пасивної локації в широкому діапазоні частот синхронно в часі і просторі. Відзначено, що для виконання картографічних і геологічних робіт найбільш застосовні сантиметровий (СМ) і дециметровий (ДМ) діапазони радіохвиль, для вивчення підповерхневих структур - СМ, ДМ і метровий (М) діапазони, для визначення запасу вологи ґрунтів необхідне комплексування датчиків СМ, ДМ, М діапазонів з датчиком міліметрового (ММ) діапазону радіохвиль. Для розв'язання задач діагностики сільськогосподарських рослин краще використовувати СМ і ММ діапазони радіохвиль.

В другому розділі розглянуто параметри багаточастотного радіолокаційного комплексу "МАРС", призначеного для дослідження поверхні суші. У комплексі реалізований багаточастотний підхід до рішення задачі дослідження суші в реальному часі і просторі. Обрані частотні діапазони (ММ, СМ, ДМ, М) цілком охоплюють задачі, що виникають при дослідженні грунтів і рослинного покриву, а реалізована роздільча здатність (20-50 м) і смуги огляду (30-50 км) дозволяють робити дослідження поверхні суші з оптимальним для цих задач роздільчою здатністю у досить широкій смузі огляду. Для отримання абсолютних значень вимірюваних сигналів запропоновано і реалізовано процедуру внутрішнього калібрування системи, що дозволяє проводити порівняння ПЕПР (питомої ефективної поверхні розсіяння) в умовах тривалих польотів над різними поверхнями. Проведено порівняльний аналіз ПЕПР, отриманих при використанні механізму внутрішнього калібрування, з даними зовнішнього калібрування по еталонних куточках і активних відповідачах. Для РБО (радіолокатор бічного огляду) сумарна середньоквадратична похибка виміру не перевищує -2 дБ, для РСА (радіолокатор з синтезованою апертурою) - 3,2 дБ. Оцінено внесок умов поширення на точність зовнішнього калібрування радіолокаторів. Показано, що похибки, які виникають при проходженні сигналу через атмосферні турбулентності, можуть досягати 0,1...12 дБ і повинні бути враховані при одержанні абсолютного значення ПЕПР.

Описано радіолокатор бічного огляду ШСЗ серії "Космос - 1500" ("Океан", "Січ-1"). Розглянуто питання функціонування і калібрування космічних РБО.

У третьому розділі наведено результати комплексного експерименту, що включають проведення літакових і наземних вимірів параметрів поверхні суші, а також обробку результатів. Визначено критерії вибору наземних полігонів і досліджуваних параметрів ґрунтів і рослинного покриву. Показано методики і реалізація проведення контактних вимірів основних параметрів: геометричних профілів поверхні, вологості ґрунту поверхневої і на різних глибинах, вологості приповерхнього шару повітря і його температури, щільності ґрунтів по глибинах, гранулометричного складу ґрунтів, опису біометричних характеристик рослинного покриву, висоти і щільності снігу, кількості вільної води в снігу. Описано методики проведення синхронного багаточастотного зондування тестових полігонів і наведено результати вимірів.

При інтерпретації даних застосовано сучасні методи статистичної обробки, використані методи парної кореляції, регресійний і кластерний аналіз. У ході досліджень виявлено, що на відбитий сигнал істотний вплив мають показники рослинного покриву. При цьому вплив рослинності на відбитий сигнал зменшується зі збільшенням довжини хвилі. Оптимальним показником, що описує внесок рослинності у формування відбитого радіосигналу, є "об'ємна вологість рослинного покриву". Коефіцієнти кореляції rсм=0,78, rдм=0,68, rм=0,4. Поділ різних типів культур відбувається в СМ діапазоні радіохвиль, що підтверджує літературні дані про можливість використання цього діапазону для ідентифікації культур. Виникаючі неоднозначності при розпізнаванні просапних культур і культур суцільної сівби удалося усунути поєднуючи дані СМ радіолокатора бічного огляду з даними НВЧ радіометра ММ діапазону.

При сезонному дослідженні характеристик розсіювання і випромінювання посівів сільськогосподарських культур у СМ та ММ діапазоні отримані залежності, що характеризують основні фази розвитку рослин. Побудовано експериментальні кутові залежності ПЕПР для посівів соняшника, кукурудзи, цукрового буряка, ячменю, багаторічних трав у період максимального розвитку біомаси.

У СМ діапазоні результати досліджень показали, що найбільш високі коефіцієнти кореляції з ґрунтовими показниками (вологість, діелектрична проникність) спостерігаються на кутах візування 200-400, а для дослідження шару рослинності (висота рослин, проективне покриття, об'ємна вологість) - на кутах більше 450.

Результати аналізу ґрунтової складової показують, що істотний зв'язок між даними радіолокаційного зондування має місце для щільності верхнього шару ґрунту на глибинах 0-20см. Відзначено, що цей зв'язок зменшується зі збільшенням довжини хвилі радіолокатора (0-10 см: rсм=0,63, rдм=0,61, rм=0,56) і збільшенням глибини шару проникнення (10-20 см: rсм=0,58, rдм=0,53, rм=0,52; 20-30 см: rсм=0,31, rдм=0,34, rм=0,53).

Аналіз даних показав, що між даними літньої радіолокаційної зйомки і ваговою вологістю ґрунту існує середній ступінь кореляції (r=0,45...0,53) у всіх діапазонах. Найбільша кореляція з об'ємною вологістю ґрунту в поверхневому шарі виявлена для дециметрового діапазону.

Проведене розпізнавання полів із ґрунтами різного гранулометричного складу показало, що, знаючи тільки зміст фізичної глини (змісту часток розмірами менше 0,01мм), можна проводити ґрунтове районування за даними багаточастотного радіолокаційного зондування. Найкраще розпізнавання ґрунтів по гранулометричному складу спостерігається для комбінації даних СМ і ДМ діапазонів радіохвиль.

У роботі отримані регресійні рівняння, що описують внесок окремих складових системи грунт - рослинність у формування відбитого сигналу в СМ, ДМ і М діапазонах радіохвиль.

При виконанні робіт отримано кутові залежності ПЕПР для сільськогосподарських полів з різним типом культурної обробки, характер яких підтверджує відомі теоретичні результати.

У четвертому розділі проведений аналіз космічної інформації, отриманої радіолокатором бічного огляду 3х-сантиметрового діапазону ШСЗ “Океан”, “Січ-1” з метою оцінки інформації про просторовий розподіл вологості ґрунтів і сніжного покриву на великих територіях в інтересах гідрометеорології.

Експериментальні дані, отримані для двох випадків агрометеорологічних умов (випадання опадів на мерзлий і теплий ґрунт), мають принципово різний характер, що обумовлює зміну контрастів при випаданні опадів на мерзлий ґрунт у межах 4-10 дБ і 1-7 дБ на відталу, що дає можливість контролювати ці умови при регулярному спостереженні заданого регіону.

Аналіз радіолокаційних зображень показує, що за радіофізичними даними можливе спостереження динаміки сніжного покриву і сніготанення. Розходження контрастів між сніжним покривом на сухому ґрунті і мокрому снігу на вологому ґрунті складає величину - 10-17дБ у секторі кутів 200ё600, що дозволяє проводити їхню ідентифікацію і визначати зміст вологи в снігу.

Показано, що аналіз межі сніготанення і вміст вологи в сніжному покриві дозволяють робити гідрологічні прогнози, а в сукупності з даними про кількість опадів, що випали, прогнозувати стартову вологу в ґрунті і проводити оцінку врожайності сільськогосподарських культур.

У висновках сформульовано основні результати і висновки дисертаційної роботи.

У додатках наведено дані наземного дослідження тестових полігонів.

ВИСНОВКИ

Основні результати експериментальних досліджень взаємозв'язку характеристик розсіяного сигналу з параметрами поверхні при багаточастотних методах дистанційного зондування полягають у наступному:

1. Аналіз сучасних теоретичних і експериментальних досліджень розсіювання і випромінювання радіохвиль ґрунтами і рослинним покривом показав перспективність проведення синхронних радіофізичних спостережень аерокосмічними датчиками дистанційного зондування в широкому діапазоні частот.

2. Розглянуто параметри багаточастотного радіолокаційного комплексу "МАРС", призначеного для дослідження поверхні суші. Обрані частотні діапазони (ММ, СМ, ДМ, М) цілком охоплюють задачі, що виникають при дослідженні ґрунтів і рослинного покриву. Реалізована роздільча здатність (20-50м) і смуги огляду (30-50км) дозволяють робити дослідження поверхні суші з оптимальною для цих задач роздільчою здатністю у досить широкій смузі огляду.

Для отримання абсолютних значень вимірюваних сигналів запропоновано і реалізовано процедуру внутрішнього калібрування системи, що дозволяє проводити порівняння ПЕПР в умовах тривалих польотів над різними поверхнями, що підстилають. Проведено порівняльний аналіз ПЕПР, отриманих при внутрішньому калібруванні, з даними зовнішнього калібрування по еталонних відбивачах і активних відповідачах. Для РБО сумарна середньоквадратична похибка виміру не перевищує - 2 дБ, для РСА - 3,2 дБ. Показано, що при виконанні польотів у складних метеорологічних умовах похибки, що виникають при проходженні сигналу через атмосферні утворення (туман, дощі), можуть досягати 0,1...12 дБ і повинні бути враховані при одержанні абсолютного значення ПЕПР.

Створено методики комплексних експериментів, що включають проведення літних і наземних вимірів параметрів поверхні суші, а також обробку результатів. Визначено критерії вибору наземних полігонів і досліджуваних параметрів ґрунтів і рослинного покриву, які вносять основний внесок у розсіяний і випромінений сигнал.

3. У ході досліджень установлено, що істотний вплив на відбитий сигнал роблять показники рослинного покриву. При цьому вплив рослинності на відбитий сигнал зменшується зі збільшенням довжини хвилі радіолокатора. Оптимальним показником, що описує внесок рослинності у формування відбитого радіосигналу, є об'ємна вологість рослинності.

Показано, що найкращий поділ різних типів культур відбувається в СМ діапазоні радіохвиль. Виникаючі неоднозначності при розпізнаванні просапних культур (цукровий буряк, кукурудза, соняшник) і суцільної сівби (різні злакові, багаторічні трави, стерня) вперше вдалося усунути, поєднуючи дані СМ радіолокатора бічного огляду і СВЧ радіометра ММ діапазону.

При виконанні сезонних вимірів у СМ і ММ діапазонах отримано зміни ПЕПР і радіояркостної температури, викликані основними фазами розвитку сільськогосподарських культур, побудовано експериментальні кутові залежності ПЕПР для посівів соняшника, кукурудзи, цукрового буряка, ячменю, багаторічних трав у період максимального розвитку біомаси.

4. У СМ діапазоні результати досліджень показали, що найбільш прийнятними кутами спостереження за ґрунтовою складовою є кути 200-400, а для дослідження шару рослинності - кути більш 450.

5. Результати аналізу ґрунтової складової показують, що існує зв'язок між даними радіолокаційного зондування для щільності верхнього шару ґрунту на глибинах 0-20 см, причому цей зв'язок зменшується в міру збільшення довжини хвилі радіолокатора і в міру збільшення глибини шару проникнення.

Аналіз даних показав, що між даними літньої радіолокаційної зйомки в СМ, ДМ, М діапазонах радіохвиль і ваговою вологістю ґрунту існує середній ступінь залежності. Найкращий взаємозв'язок спостерігається для даних ДМ діапазону з об'ємною вологістю ґрунтів у поверхневому шарі 0-10см.

Виконане розпізнавання полів із ґрунтами різного гранулометричного складу за даними багаточастотного зондування показало можливість проведення ґрунтового районування. Краще розпізнавання ґрунтів по гранулометричному складу спостерігається для комбінації даних СМ і ДМ діапазонів радіохвиль.

6. Експериментальні дані, отримані РБО ШСЗ "Океан", "Січ-1" для двох випадків агрометеорологічних умов (випадання опадів на мерзлий і теплий ґрунт), мають принципово різний характер, що дає можливість контролювати ці умови при регулярному спостереженні заданого регіону.

7. Аналіз космічних радіолокаційних зображень показує, що за радіофізичними даними можливе спостереження динаміки сніжного покриву і сніготанення. Розходження контрастів між сніжним покривом на сухому ґрунті і мокрому снігу на вологому ґрунті в секторі кутів -200-600 дозволяє проводити їхню ідентифікацію і визначати зміст вологи в снігу, контролювати динаміку границь сніготанення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Шестопалов В.П., Калмыков А.И., Комяк В.А., Курекин А.С., Пичугин А.П., Гавриленко А.С., Евдокимов А.П., Еленский Л.В., Ефимов В.Б., Зельдис В.И., Иголкин В.В., Кавелин С.С., Кулешов Ю.А., Левантовский В.Ю., Левда А.С., Спиридонов Ю.Г.. Торчун П.М., Фетисов А.Б., Цімбал В.Н., Шило С.А., Яцевич С.Е. Комплексные исследования природной среды Земли радиолокационным методом // ДАН СССР. -1985. -Т.284, №.1. -С.98-102.

2. Комяк В.А., Левда А.С., Шило С.А., Яцевич С.Е. Бортовой СВЧ радиометр с цифровой обработкой данных.// Сб.науч.тр. Использование радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. - Харьков, ИРЭ АН Украины, -1993. -C.33-42.

3. Калмыков А.И., Щербинин И.В., Яцевич С.Е. Комплексные радиофизические исследования сельскохозяйственных угодий // Cб. науч. тр.: Космическая наука и техника. / АН УССР, Комиссия космических исследований. - Киев: -Наукова думка. -1990. -С.32-36.

4. Шило С.А., Яцевич С.Е Экспериментальные исследования радиоизлучательных характеристик растительного покрова в восьми- миллиметровом диапазоне волн // Сб. научн. трудов АН УССР, Институт радиофизики и электроники: Радиофизические методы и средства для исследования окружающей среды в миллиметровом диапазоне. -Киев: Наукова думка, -1988. С.31-38.

5. Комяк В.А., Левда А.С., Шило С.А., Яцевич С.Е. Особенности наземной калибровки бортовых радиометрических систем с антеннами больших размеров // Изв. ВУЗов “Радиоэлектроника”. -1999г.- Т.42, №12. -С.10-16.

6. Драновский В.И., Дюняшев В.В., Евдокимов А.П., Ефимов В.Б., Иголкин В.В., Калмыков А.И., Комяк В.А., Крыжановский В.В., Курекин А.С., Левантовский В.Ю., Левда А.С., Рыбин В.В., Салтыков Ю.Д., Фетисов А.Б., Цымбал В.Н., Шило С.А., Яцевич С.Е. Комплекс радиофизической аппаратуры ИСЗ "Січ-1" // Космічна наука і технологія. -1998. -Т. 4, №2/3. - C.21-26.

7. Яцевич С.Е., Курекин А.С., Уваров В.Н., Левда А.С. Автоматическая внутренняя калибровка радиолокационных систем дистанционного зондирования// Космічна наука і технология.- Киев.-1998 -Т4, N2/3. -С.34-39.

8. Яцевич С.Е., Ефимов В.Б., Цымбал В.Н., Ачасов А.Б., Шатохин А.В. Исследования земельных рессурсов по материалам многочастотной радиолокационной съемки.// Космічна наука і технологія. -Киев.-1999. -Т.5, №2/3. -С.34-40.

9. Ефимов В.Б., Калмыков И.А., Яцевич С.Е. Особенности наблюдения снежного покрова радиолокационной системой ИСЗ "Січ-1" // Космічна наука і технология.- Киев.-1998. -Т.4, №2/3. -С.27-34.

10. Сканирующий радиометр для дистанционного зондирования: А.с. 1217101 СССР МКИ G 01 S 13/95 / А.П. Евдокимов, В.А. Комяк, В.В. Крыжановский, А.С. Левда, С.А. Провалов, В.П. Шестопалов, С.А. Шило, С.Е. Яцевич. - №3837351; Заяв. 25.01.85; Опубл. 8.11.1985, Бюл. №9. -С.251.

11. Сканирующий радиометр для дистанционного зондирования: А.с.1336733 СССР МКИ G 01 S 13/95. / В.А. Комяк, А.С. Левда, С.А. Шило, С.Е. Яцевич. - №3948313; Заявл. 27.08.85; Опубл. 8.05.1987, Бюл. №33, -С.270.

12. Гавриленко А.С., Крыжановский В.В., Кулешов Ю.А., Лазебный В.С., Провалов С.А., Торопов Г.Б., Фетисов А.Б., Шило С.А., Яцевич С.Е. Комплекс радиофизической аппаратуры для дистанционного зондирования природной среды. / Препринт ИРЭ АН УССР. Институт радиофизики и электроники. -Харьков. -1986. - № 321 - 40с.

13. Кулемин Г.П., Харченко Т.Н., Яцевич С.Е. Дистанционное зондирование снега радиолокационными методами. / Препринт НАН Украины, Институт радиофизики и электроники. -Харьков.-1992.-№92-8. -36с.

14. Гавриленко А.С., Ефимов В.Б., Калмыков А.И., Комяк В.А., Курекин А.С., Кулешов Ю.А., Левантовский В.Ю., Пичугин А.П., Фетисов А.Б., Цымбал В.Н., Шило С.А., Яцевич С.Е. Радиолокационная система бокового обзора ИСЗ "Космос-1500" // Тез. Докл. ХIV Всесоюзн. конф. по распространению радиоволн. -М.: Наука. -1984. -Ч.2. -С.173-175.

15. Komyak V.A., Levda A.S., Rubin V.V., Shilo S.A., Yatsevich S.Ye. The scanning mic- rowave radiometer RM-0,8 for "Ocean-1"/ "Sith-1" Satellite Series // Proceeding of Fourth Ukraine-Russia-China Symposium on Spaсe Science and Technology.- Vol.1. - Kiev (Ukraine). -1996. - P.65-67.

16. Kulemin G. R., Shcherbinin I. V., Yatsevich S. E. Physical Principles of Microwave Remote Sensing of Terrains // Proc. of the 6th physics international school “Microwave physics and technique” -Varna(Bulgaria). - World Scientific Publ.Co. Singapore, Utopia Press.-1989. -P.16-33.

17. Яцевич С.Е., Гавриленко А.С. Еленский Л.В., Калмыков А.И., Шило С.А. Возможности исследования сельскохозяйственных угодий активно-пассивной радиофизической аппаратурой с аэрокосмических носителей // Тез. докл. Всесоюзной конф."Космические методы изучения биосферы", / Комиссия АН СССР по изучению природных ресурсов с помощью космических средств, Институт географии АН СССР, г.Звенигород. - 1988 г. -С.48

18. Калмыков А.И. Щербинин И.В. Чапля Е.Я.Яцевич С.Е. Комплексные радиофизические исследования сельскохозяйственных угодий и полей // тез.докл. Всесоюзн. научно-технической конф. Методы представления и обработки случайных сигналов. -Харьков, ХИРЭ.-1989. -С.137.

19. Еfimov V.B., Kalmykov I.A., Yatsevich S.Ye., Timchenko A.I. The features of radar observation of snow cover from the satellite "Sitсh-1" // 27th International Symposium on Remote Sensing of Environment. - Tromso, Norway.-1998.- Р.338-342.

АНОТАЦІЇ

Яцевич С.Є. Взаємозв'язок характеристик розсіяного сигналу з параметрами поверхні при багаточастотних методах дистанційного зондування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2001.

Дисертацію присвячено експериментальним дослідженням характеристик розсіяного сигналу при багаточастному зондуванні параметрів ґрунтів і рослинного покриву. Експерименти проведені дистанційними методами в широкому діапазоні частот з борта літака-лабораторії ІЛ-18. При обробці використовувалися дані радіолокаторів бічного огляду 3х см, 23х см і 180 сантиметрового діапазонів, а також дані скануючого радіометра 8ми міліметрового діапазону. Використано дані контактних вимірів.

У дисертації показано переваги багаточастотного радіолокаційного зондування перед одноканальними методами для оцінки параметрів ґрунтів і рослинного покриву. Установлено зв'язки відбитого сигналу з гранулометричним складом ґрунтів, щільністю і вологістю. Показано можливості багатоканальної ідентифікації агрокультур і визначення ряду їхніх біометричних параметрів.

У роботі подано результати застосування космічної інформації РБО ШСЗ “Січ-1” для оцінки агрометеорологічної ситуації в осінньо-зимовий період року.

Ключові слова: радіолокація, радіометрія, багаточастотність, дистанційне зондування, ґрунти, рослинність.

Яцевич С.Е. Взаимосвязь характеристик рассеянного сигнала с параметрами поверхности при многочастотных методах дистанционного зондирования . - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, Харьков, 2001.

Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, выводы, приложение. Список использованных источников содержит 128 наименований.

В первой главе проведен анализ характеристик радиолокационных сигналов, рассеянных подстилающей поверхностью в рамках существующих моделей рассеяния. Показано, что наиболее перспективными методами изучения параметров поверхности суши являются комплексные многочастотные радиофизические методы, использующие информацию активной и пассивной локации в широком диапазоне частот синхронно во времени и пространстве.

Во второй главе рассмотрены параметры многочастотного радиолокационного комплекса "МАРС". Выбранные диапазоны (8 мм, 3 см, 23 см, 180 см) полностью охватывают задачи, возникающие при исследовании почвогрунтов и растительного покрова, а реализованное пространственное разрешение (20-50 м) и полосы обзора (30-50 км) позволяют производить исследование с оптимальным для этих задач разрешением в достаточно широкой полосе обзора. Для получения абсолютных значений измеряемых сигналов реализована процедура внутренней калибровки системы. Проведен сравнительный анализ УЭПР (удельной єффективной поверхности рассеяния) с данными внешней калибровки по эталонным уголкам и активным ответчикам. Для РБО суммарная среднеквадратическая ошибка измерения не превышает -2 дБ, для РСА - 3,2 дБ. Показано, что ошибки, возникающие при прохождении сигнала через атмосферные турбулентности, могут достигать 0,1…12 дБ и должны быть учтены при получении абсолютного значения УЭПР.

В третьей главе представлен комплексный эксперимент, включающий проведение летных и наземных измерений параметров поверхности суши, а также обработку результатов.

В ходе исследований установлено, что на отраженный сигнал существенное влияние оказывают показатели растительного покрова. При этом влияние растительности на отраженный сигнал уменьшается с увеличением длины волны. Оптимальным показателем, описывающим вклад растительности в формирование отраженного радиосигнала, является "объемная влажность агрофона". Коэффициенты корреляции rсм=0,78, rдм=0,68, rм=0,4. Разделение различных типов культур происходит в СМ диапазоне. Возникающие неоднозначности при распознавании пропашных культур и культур сплошного сева удалось устранить, комплексируя данные СМ радиолокатора бокового обзора с данными СВЧ радиометра ММ диапазона.

При сезонном исследовании характеристик рассеяния и излучения посевов сельскохозяйственных культур в СМ диапазоне получены зависимости, характеризующие основные фазы развития растений.

В СМ диапазоне результаты исследований показали, что наиболее высокие коэффициенты корреляции с почвенными показателями наблюдаются на углах визирования 200-400, а для исследования слоя растительности - на углах более 450.

Результаты анализа почвенной составляющей показывают, что существенная связь между данными радиолокационного зондирования имеет место для плотности верхнего слоя почвы на глубинах 0-20 см. Отмечено, что эта связь уменьшается с увеличением длины волны радиолокатора и увеличением глубины слоя проникновения. Анализ данных показал, что между данными летней радиолокационной съемки и весовой влажностью почвы существует средняя степень корреляции (r=0,45…0,53) во всех диапазонах. Наибольшая корреляция с объемной влажностью почвы в поверхностном слое отмечена для дециметрового диапазона.

Проведенное распознавание полей с почвами различного гранулометрического состава показало, что, зная только лишь содержание физической глины, можно проводить почвенное районирование по данным многочастотного радиолокационного зондирования. Наилучшее распознавание почв по гранулометрическому составу наблюдается для комбинации данных СМ и ДМ диапазонов радиоволн.

В четвертой главе проведен анализ космической информации, полученной РБО ИСЗ “Океан”, “Січ-1” для оценки информации о влажности почв и снежного покрова на больших территориях. Экспериментальные данные, полученные для двух случаев агрометеорологических условий (выпадение осадков на мерзлую и теплую почву), имеют принципиально различный характер, что дает возможность контролировать эти условия при регулярном наблюдении заданного региона.

Анализ радиолокационных изображений показывает, что по радиофизическим данным возможно наблюдение динамики снежного покрова и снеготаяния. Различие контрастов между снежным покровом на сухой почве и мокрым снегом на влажной почве позволяет проводить их идентификацию и определять содержание влаги в снеге.

Ключевые слова: радиолокация, радиометрия, многочастотность, дистанционное зондирование, почвогрунты, растительность.

Yatsevich S. Ye. Connection of the scattered signal characteristics with surface parameters for multi-frequency methods of remote sensing. - Manuscript.

The thesis submitted for a scientific degree of candidate of physics and mathematics in specialization 01.04.03 - radio physics. - The Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of the NAS of Ukraine, Kharkiv, 2001.

Dissertation has been devoted to the experimental investigation of the scattered signal parameters for multi-frequency remote sensing of the soil and vegetation characteristics. The experimental study has been carried out by remote sensing technique for wide band frequency with the laboratory aboard the plane IL-18. To provide the processing the data obtained with side-looking radar for 3 cm, 23 cm, and 180 cm and with the scanning radiometer for 8mm wavelength have been used. The field observation data also have been taken into account.

The advantages of the multi-frequency remote sensing compared with one frequency method have been presented in dissertation for soil and vegetation parameters estimation. The connection between scattered signal and soil moisture, density and granulemetrical structure has been obtained. The possibilities of the multicanal identification of the agricultural vegetation and determination of its biophysical parameters have been shown.

The results of the application of space information obtained with SLR aboard the satellite "SICH-1" for estimation of the agrobiological and weather situation in autumn-winter season have been presented in the manuscript.

Key words: radar, radiometry, multi-frequency, remote sensing, soil, and vegetation.

Размещено на Allbest.ru

...