Современные проблемы радиофизики и акустики
27.05.2019 г.
В рамках направления "Современные проблемы радиофизики и акустики, в том числе фундаментальные основы радиофизических и акустических методов связи, локации и диагностики, изучение нелинейных волновых явлений" программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013 - 2020 годы ФИЦ "Красноярский научный центр СО РАН" реализует следующие бюджетные проекты:
Проект
Диэлектрическая спектроскопия талых и мерзлых почв и надпочвенных покровов в МГц и ГГц диапазоне частот и изучение закономерностей радиотеплового излучения, отражения и рассеяния электромагнитных волн от поверхности Земли с учетом состава и температурно-влажностного режима подповерхностной слоистой структуры снег-растительность-почва с целью разработки информационных технологий дистанционного зондирования Земли для арктической тундры
Ключевые слова
дистанционное зондирование Земли, радиометрия и радиолокация поверхности Земли, рефлектометрия, диэлектрическая спектроскопия, фазовые переходы, диэлектрическая проницаемость, талые и мерзлые почвы, влажность почв, температура почвЦель исследования
Целью проекта является создание физических основ для разработки принципиально новых информационных технологий дистанционного зондирования вертикального распределения влажности и температуры в почвенном покрове территории арктической зоны Сибири, с использованием радарных и радиометрических данных, российских и зарубежных спутников, а также сигналов спутниковых навигационных систем. В рамках поставленной цели будут получены следующие результаты:
- Отобраны образцы почвенного покрова в различных географических и ландшафтных условиях тестовых участков тундровой зоны Сибири, проведены диэлектрические измерения талых и мерзлых почвенных образцов.
- Созданы спектроскопические модели диэлектрической проницаемости в МГц и ГГц диапазонах частот для минеральных и органических почв арктической зоны Сибири, при влажности почвы от воздушно сухой до полевой влагоемкости в температурных диапазонах от – 30 до 25°С. Модели будут сформулированы в виде физических законов и позволят прогнозировать комплексную диэлектрическую проницаемость в зависимости от частоты электромагнитного поля, содержания воды, температуры, минерального и органического составов почв, плотности сухого сложения почвы.
- Разработан метод исследования фазовых переходов почвенной воды с использованием данных диэлектрических измерений.
- Разработаны теоретические модели микроволнового радиотеплового излучения и радарного рассеяния слоисто-неоднородной структуры почвенного и надпочвенного покрова для почв арктической тундры, в ходе естественных циклов увлажнения и высыхания, замерзания и оттаивания.
- На основе многоугловых и многочастотных радиометрических и радарных наблюдений создать методы и алгоритмы восстановления профилей влажности и температуры в деятельном слое почвы арктической тундры.
- С целью тестирования разработанных диэлектрических моделей, методов и алгоритмов проведены лабораторные и натурные полевые исследования, с использованием широкополосной рефлектометрической установки, поляриметрического рефлектометра, созданного на базе приемников сигналов ГЛОНАСС и GPS, данных дистанционного зондирования Земли радаров ALOS PALSAR, ALOS-2 PALSAR2, Sentinel-1, радиометров AMSR2(GCOM-W1), SMAP, MIRAS(SMOS), МТВЗА-ГЯ (серия «Метеор», используя в том числе архивные данные).
- Будут предложены оригинальные методики обработки данных спутникового дистанционного зондирования микроволновых радаров Sentinel-1, ALOS-2 PALSAR, микроволновых радиометров AMSR2, SMOS, SMAP, МТВЗА-ГЯ\Метеор-М, а также сигналов навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, позволяющие восстанавливать как влажность и температуру поверхности почвы, так и неоднородное вертикальное распределение влажности и температуры в поверхностной части деятельного слоя почвы, включая почвы арктической тундры Сибири.
Актуальность
В настоящее время за рубежом созданы инновационные информационные технологии, которые обеспечивают космический мониторинг влажности поверхности почвенного покрова с использованием микроволновых радиометров спутников SMOS и SMAP. Ключевым элементом алгоритмов восстановления влажности суши из данных микроволнового дистанционного зондирования спутников SMAP и SMOS является диэлектрическая модель почв. Последние исследования в северных широтах показали, что для арктических территорий восстанавливаемые значения влажности почв на основе данных дистанционного зондирования спутников SMAP и SMOS относительно наземных измерений имеют высокую погрешность, которая не удовлетворяет стандартам Всемирной метеорологической организации к спутниковым продуктам. Высокие погрешности спутникового измерения влажности почв арктических территорий связаны со слабой изученностью как радиоизлучательных и отражательных свойств, так и диэлектрических свойств тундрового почвенного покрова в зависимости от температуры, фазового и количественного состава связанной и свободной воды в почвах с различным содержанием органического вещества и глинистой фракции. При этом проблема дистанционного зондирования температуры поверхности и профилей температуры тундровой почвы в корневой зоне растений с использованием микроволновых радиометров и радаров находится в постановочной стадии, а космические продукты не созданы. Целесообразность продолжающихся работ по теме государственного задания в рамках настоящего проекта определяется необходимостью совершенствования диэлектрических моделей талых и мерзлых, минеральных и органических почв, моделей радиотеплового излучения и радарного рассеяния с целью уменьшения погрешности информационных технологий спутникового дистанционного мониторинга влажности и температуры в поверхностном слое почвы тундровой зоны. Фундаментальные исследования участников проекта в области диэлектрической спектроскопии почвенных покровов имеют высокую научную значимость и находят непосредственное практическое применение в самых современных космических продуктах спутников SMAP и SMOS уже в настоящее время.Руководители проекта
|
Миронов Валерий Леонидович доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Институт физики им.Л.В. Киренского СО РАН +7 391 2905028 rsdvm@ksc.krasn.ru |
|
Музалевский Константин Викторович кандидат физико-математических наук заведующий лабораторией Институт физики им.Л.В. Киренского СО РАН +7 391 2905028 rsdkm@ksc.krasn.ru |
Поделиться: