RU2695764C1 - Radiometer moisture meter - Google Patents
Radiometer moisture meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2695764C1 RU2695764C1 RU2018105113A RU2018105113A RU2695764C1 RU 2695764 C1 RU2695764 C1 RU 2695764C1 RU 2018105113 A RU2018105113 A RU 2018105113A RU 2018105113 A RU2018105113 A RU 2018105113A RU 2695764 C1 RU2695764 C1 RU 2695764C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- microwave
- cold
- hot
- Prior art date
Links
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 27
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 29
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
- G01N22/04—Investigating moisture content
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения, а именно к СВЧ-радиометрическим приемникам для техники дистанционного зондирования земной поверхности и экологии.The invention relates to the field of instrumentation, namely to microwave radiometric receivers for remote sensing techniques of the earth's surface and ecology.
В частности к СВЧ радиометрии.In particular, to microwave radiometry.
Изобретение может быть использовано для измерения и регистрации влагосодержания почвогрунтов, радиояркостных температур собственного радиотеплового излучения подстилающей поверхности на двух поляризациях при визировании под углом к вертикали, а также при визировании в надир, по нормали к поверхности и может применяться в промышленности и сельском хозяйстве.The invention can be used to measure and record the moisture content of soil, radio brightness temperatures of the own thermal radiation of the underlying surface at two polarizations when sighting at an angle to the vertical, as well as when sighting in nadir, normal to the surface and can be used in industry and agriculture.
Известны схемы модуляционных радиометров, в которых применяется модуляция и непрерывная внутренняя калибровка по двум опорным источникам с различными температурами и антенной, способной принимать электромагнитные волны на одной поляризации. Например, радиометр с двухопорной модуляцией [1, 2].Known modulation radiometer circuits in which modulation and continuous internal calibration are applied to two reference sources with different temperatures and an antenna capable of receiving electromagnetic waves on the same polarization. For example, a radiometer with two-support modulation [1, 2].
Из известных устройств наиболее близким можно считать радиометр с трехопорной модуляцией [3], содержащий последовательно соединенные приемную антенну, являющуюся входом устройства, трех-входовый СВЧ-переключатель, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр, синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции и регистратор, на управляющие входы СВЧ-переключателя, синхронного фильтра и синхронного детектора подаются сигналы управления модуляцией от прибора управления модуляцией, а также «горячую» и «холодную» эталонные согласованные нагрузки, выходы которых соединены со входами СВЧ-переключателя, и конструктивно связанные с ними термодатчики «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок, выходы которых соединены со входами блока вычисления множительно-делительной операции, и нагревательный элемент, конструктивно связанный с «горячей» эталонной согласованной нагрузкой и нагревающий ее до температуры выше температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки.Of the known devices, one may consider the closest radiometer with a three-way modulation [3], containing a series-connected receiving antenna, which is the input of the device, a three-input microwave switch, high-frequency amplifier, quadratic detector, low-frequency amplifier, synchronous filter, synchronous detector, unit the calculation of the multiplication-dividing operation and the registrar, the control inputs of the microwave switch, synchronous filter and synchronous detector are fed control signals modulation from the device is controlled I by modulation, as well as “hot” and “cold” reference matched loads, the outputs of which are connected to the inputs of the microwave switch, and structurally related temperature sensors of “hot” and “cold” reference matched loads, the outputs of which are multiplied -dividing operation, and a heating element structurally associated with the “hot” reference coordinated load and heating it to a temperature above the temperature of the “cold” reference coordinated load.
Основным признаком технического решения является то, что благодаря наличию трех эталонных согласованных нагрузок с различными температурами, процесс модуляции совмещен с процессом непрерывной внутренней калибровки, так, что на выходе радиометра непрерывно регистрируются значения антенных температур.The main feature of the technical solution is that due to the presence of three reference matched loads with different temperatures, the modulation process is combined with a continuous internal calibration process, so that the antenna temperature values are continuously recorded at the radiometer output.
Однако, недостатком описанных радиометров является то, что они не способны измерять влажность почвы за одно измерение яркостной температуры подстилающей поверхности. Поскольку известные методики измерения влажности почвы при помощи радиометра [4, 5] основаны на том, что СВЧ-радиометром измеряются яркостные температуры исследуемого плоского участка поверхности земли при визировании под некоторым углом на вертикальной и горизонтальной поляризациях электромагнитной волны и при визировании в надир (по нормали к плоскости поверхности), требуется провести три последовательных измерения при помощи одного радиометра, либо использовать результаты измерения трех различных радиометров, работающих одновременно по общему исследуемому участку поверхности земли. Оба варианта измерения влажности почвы имеют существенные недостатки. Так, при измерении влажности почвы одним радиометром в стационарном положении трудно обеспечить автоматическое последовательное переключение поляризаций, за счет поворота антенного устройства на 90 градусов и изменение угла визирования для измерения в надир. Кроме того, при использовании радиометра на подвижном носителе технически трудно обеспечить троекратное перемещение носителя с радиометром по одной и той же траектории, а при большой длине траектории возникают большие перерывы во времени между визированиями одного участка местности, что приводит к дополнительным ошибкам измерений влажности почвы. При использовании трех радиометров, работающих одновременно, система получается слишком громоздкой, тяжелой и требующей утроенного количества энергии для питания. Кроме того, технически невозможно обеспечить идентичность измерений различных радиометров из-за технологических разбросов параметров приемных антенн и приемников и трудностей с взаимной калибровкой, что также приводит к дополнительным ошибкам измерений влажности почвы.However, the disadvantage of the described radiometers is that they are not able to measure soil moisture in one measurement of the brightness temperature of the underlying surface. Since the known methods for measuring soil moisture using a radiometer [4, 5] are based on the fact that the microwave radiometer measures the brightness temperatures of the investigated flat part of the earth’s surface when viewing at an angle at a vertical and horizontal polarizations of the electromagnetic wave and when sighting in nadir (normal to the surface plane), it is required to conduct three consecutive measurements with a single radiometer, or use the measurement results of three different radiometers working simultaneously continuously investigated the general part of the surface of the earth. Both options for measuring soil moisture have significant drawbacks. So, when measuring soil moisture with a single radiometer in a stationary position, it is difficult to ensure automatic sequential switching of polarizations by rotating the antenna device 90 degrees and changing the viewing angle for measurement in nadir. In addition, when using a radiometer on a movable carrier, it is technically difficult to ensure that the carrier with the radiometer trips along the same trajectory, and with a long trajectory, there are large time gaps between sightings of one area, which leads to additional errors in measuring soil moisture. When using three radiometers operating simultaneously, the system turns out to be too bulky, heavy and requiring three times the amount of energy to power. In addition, it is technically impossible to ensure the identity of the measurements of various radiometers due to technological variations in the parameters of the receiving antennas and receivers and difficulties with mutual calibration, which also leads to additional errors in measuring soil moisture.
Таким образом, для уменьшения абсолютной погрешности измерения влагосодержания почвогрунтов, необходимо одновременно измерять общим приемником яркостные температуры исследуемого участка местности по двум поляризациям - горизонтальной и вертикальной под углом от 30 до 60 градусов к плоскости поверхности, и при визировании в надир, то есть под углом 90 градусов к плоскости поверхности. Поставленную цель можно достичь путем применения специальной антенной решетки. На первых двух выходах антенной решетки формируются сигналы, принятые по вертикальной и горизонтальной поляризациям. Диаграммы направленности антенны формируются так, чтобы ось главного лепестка была бы направлена вдоль нормали к плоскости раскрыва антенны. Диаграммы направленности по обеим поляризациям должны быть максимально идентичными. Также на одном из выходов антенны должен формироваться сигнал, принятый в режиме отклонения луча от направления нормали на некоторый угол, например, на 30 градусов. Радиометр влагомер размещается над исследуемым участком поверхности земли на подвижном носителе, в частности, на борту беспилотного летательного аппарата, например, квадрокоптера, как показано на фиг. 1.Thus, in order to reduce the absolute error in measuring the moisture content of soils, it is necessary to simultaneously measure the brightness temperature of the studied area using a common receiver by two polarizations - horizontal and vertical at an angle of 30 to 60 degrees to the surface plane, and when sighting in nadir, that is, at an angle of 90 degrees to the surface plane. This goal can be achieved by using a special antenna array. At the first two outputs of the antenna array, signals are received that are received along the vertical and horizontal polarizations. The radiation patterns of the antenna are formed so that the axis of the main lobe would be directed along the normal to the plane of the antenna aperture. The radiation patterns for both polarizations should be as identical as possible. Also, at one of the antenna outputs, a signal must be formed, received in the mode of deviation of the beam from the direction of the normal by a certain angle, for example, by 30 degrees. A moisture meter radiometer is located above the investigated surface of the earth on a mobile carrier, in particular, on board an unmanned aerial vehicle, for example, a quadrocopter, as shown in FIG. one.
Таким образом, целью изобретения является повышение точности измерения влагосодержания почвы путем применения специальной антенной решетки, способной принимать собственное радиотепловое излучение почвы в заданном диапазоне СВЧ одновременно на двух поляризациях с направления нормали к плоскости раскрыва антенны и с направления под углом к нормали. Также радиометр влагомер должен быть способен оперативно пересчитывать измеренные значения яркостных температур в значения влагосодержания почвы при помощи специализированного вычислителя. Поскольку яркостная температура влажной почвы существенно выше яркостной температуры открытой воды [6], без существенной потери точности может использоваться режим двухопорной модуляции вместо режима трехопорной модуляции.Thus, the aim of the invention is to improve the accuracy of measuring soil moisture content by using a special antenna array that can receive its own thermal radiation from the soil in a given microwave range at two polarizations simultaneously from the normal direction to the aperture plane of the antenna and from the direction at an angle to the normal. Also, a moisture meter radiometer should be able to quickly recalculate the measured values of brightness temperatures in the values of soil moisture content using a specialized calculator. Since the brightness temperature of moist soil is much higher than the brightness temperature of open water [6], without significant loss of accuracy, the two-support modulation mode can be used instead of the three-support modulation mode.
Поставленная цель достигается тем, что в известный радиометр с трехопорной модуляцией содержащий последовательно соединенные, приемную антенну, являющуюся входом устройства, трех-входовый СВЧ-переключатель, СВЧ-циркулятор, первый вход которого подключен к выходу СВЧ-переключателя, ко второму входу СВЧ-циркулятора подключена «холодная» эталонная согласованная нагрузка, выход СВЧ-циркулятора подключен ко входу усилителя высокой частоты, направление циркуляции СВЧ-циркулятора выбрано от второго входа к первому входу и от первого входа к выходу, усилитель высокой частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный фильтр и синхронный детектор, блок вычисления множительно-делительной операции и регистратор, на управляющие входы СВЧ-переключателя, синхронного фильтра и - синхронного детектора подаются сигналы управления модуляцией от прибора управления модуляцией, а также «горячую» эталонную согласованную нагрузку, выход которой соединен с первым входом СВЧ-переключателя, «холодную» эталонную согласованную нагрузку, выход которой соединен со вторым входом СВЧ-циркулятора, термодатчики «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок конструктивно связанные с ними, выходы которых соединены с входами блока вычисления множительно-делительной операции, и нагревательный элемент, конструктивно связанный с «горячей» эталонной согласованной нагрузкой и нагревающий ее до температуры выше температуры «холодной» эталонной согласованной нагрузки дополнительно введены спецвычислитель, на вход которого подается сигнал с выхода блока вычисления множительно-делительной операции, а выход соединен со входом регистратора, антенная решетка, состоящая из конструктивно связанных четырех пар элементарных антенных вибраторов, один вибратор для приема вертикально поляризованной электро-магнитной волны и другой для приема горизонтально поляризованной электро-магнитной волны, расположенные в одной плоскости, так что их центры образуют квадрат, выходы всех четырех вибраторов вертикальной поляризации соединены со входами второго СВЧ-сумматора, выход которого соединен с третьим входом СВЧ-переключателя, выходы двух смежных вибраторов горизонтальной поляризации соединены с двумя входами первого СВЧ-сумматора, а выходы других двух вибраторов соединены со входами двух управляемых фазовращателей, управляющие входы которых соединены с выходом прибора управления модуляцией, а выходы соединены с другими двумя входами первого СВЧ-сумматора, выход первого СВЧ-сумматора соединен со вторым входом СВЧ-переключателя.This goal is achieved by the fact that in the known radiometer with three-axis modulation containing a series-connected, receiving antenna, which is the input of the device, a three-input microwave switch, a microwave circulator, the first input of which is connected to the output of the microwave switch, to the second input of the microwave circulator “cold” reference matched load is connected, the output of the microwave circulator is connected to the input of the high-frequency amplifier, the circulation direction of the microwave circulator is selected from the second input to the first input and from the first input to the output, a high-frequency amplifier, a quadratic detector, a low-frequency amplifier, a synchronous filter and a synchronous detector, a unit for calculating the multiplication-dividing operation and a registrar, the control inputs of the microwave switch, synchronous filter and - synchronous detector are supplied with modulation control signals from the modulation control device as well as a “hot” reference matched load, the output of which is connected to the first input of the microwave switch, a “cold” reference matched load, the output of which is connected to the second the input of the microwave circulator, the temperature sensors of the “hot” and “cold” reference matched loads structurally associated with them, the outputs of which are connected to the inputs of the unit for calculating the multiplication-dividing operation, and a heating element structurally connected to the “hot” reference matched load and heating it to temperatures above the temperature of the “cold” reference coordinated load, a special calculator is additionally introduced, the input of which supplies a signal from the output of the unit for calculating the multiplicative division operation, and the output is connected to the recorder’s input, an antenna array consisting of four structurally connected pairs of elementary antenna vibrators, one vibrator for receiving a vertically polarized electromagnetic wave and the other for receiving a horizontally polarized electromagnetic wave, located in one plane, so that their centers form square, the outputs of all four vibrators of vertical polarization are connected to the inputs of the second microwave adder, the output of which is connected to the third input of the microwave switch, the outputs of two adjacent x horizontal polarized vibrators are connected to two inputs of the first microwave adder, and the outputs of the other two vibrators are connected to the inputs of two controlled phase shifters, the control inputs of which are connected to the output of the modulation control device, and the outputs are connected to the other two inputs of the first microwave adder, the output of the first microwave the adder is connected to the second input of the microwave switch.
Предлагаемый радиометр влагомер удовлетворяет критерию «существенные отличия», так как присущие ему существенные признаки не содержатся в известных устройствах и в них не реализуется заявленный положительный эффект.The proposed radiometer hygrometer meets the criterion of "significant differences", since its inherent essential features are not contained in known devices and they do not realize the claimed positive effect.
Изобретение будет понятно из следующего описания и приложенных к нему чертежей.The invention will be clear from the following description and the accompanying drawings.
На фиг. 2 изображена схема радиометра влагомера.In FIG. 2 shows a diagram of a hygrometer radiometer.
Предлагаемый радиометр влагомер содержит первый элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электро-магнитной волны 1, первый элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электро-магнитной волны 2, второй элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электро-магнитной волны 3, второй элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электромагнитной волны 4, третий элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электро-магнитной волны 5, третий элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электро-магнитной волны 6, четвертый элементарный вибратор приема горизонтально поляризованной электромагнитной волны 7, четвертый элементарный вибратор приема вертикально поляризованной электро-магнитной волны 8, первый управляемый фазовращатель 9, второй управляемый фазовращатель 10, первый СВЧ-сумматор 11, второй СВЧ-сумматор 12, трех-входовый СВЧ-переключатель 13, СВЧ-циркулятор 14, усилитель высокой частоты 15, квадратичный детектор 16, усилитель низкой частоты 17, синхронный фильтр 18 и синхронный детектор 28, блок вычисления множительно-делительной операции 19, спецвычислитель 20, регистратор 21, прибор управления модуляцией 22, «холодную» эталонную согласованную нагрузку 23, термодатчик «холодной» эталонной согласованной нагрузки 24, «горячую» эталонную согласованную нагрузку 25, термодатчик «горячей» эталонной согласованной нагрузки 26, нагревательный элемент «горячей» эталонной согласованной нагрузки 27.The proposed radiometer hygrometer contains a first elementary vibrator for receiving a horizontally polarized
Предлагаемый радиометр влагомер работает следующим образом. Как и в радиометре с двухопорной модуляцией, прием сигнала производится периодически, с частотой модуляции, например, один килогерц. За время одного периода модуляции половину периода модуляции принимается и накапливается сигнал от одного из входов антенной решетки, для чего СВЧ-переключатель по управляющему сигналу от прибора управления модуляцией периодически во время первого периода модуляции переключает сигнал с выхода первого сумматора приема «горизонтальной» поляризации электро-магнитной волны, на вход СВЧ-циркулятора и далее с выхода СВЧ-циркулятора на вход усилителя высокой частоты. Аналогично, на время равное одной четверти периода модуляции СВЧ-переключатель переключает на вход СВЧ-циркулятора сигнал от «горячей» эталонной согласованной нагрузки и на время равное одной четверти периода модуляции СВЧ-переключатель переводится в высокоимпедансное состояние, при этом на вход усилителя высокой частоты передается сигнал от «холодной» эталонной согласованной нагрузки. За время одного периода модуляции на выходе синхронного детектора формируются два сигнала: Ua-Ux и Uг-Ux, первый пропорционален разности антенной температуры и шумовой температуры источника «холодного» шума и второй пропорционален разности температуры «горячей» и «холодной» эталонных согласованных нагрузок. Аналогично радиометру с двухопорной модуляцией в блоке множительно-делительной операции производится вычисление антенной температуры по формуле:The proposed radiometer moisture meter works as follows. As in a dual-base modulation radiometer, the signal is received periodically, with a modulation frequency of, for example, one kilohertz. During one modulation period, half of the modulation period, a signal is received and accumulated from one of the inputs of the antenna array, for which the microwave switch periodically during the first modulation period switches the signal from the output of the first adder of the “horizontal” polarization of the electric magnetic wave, to the input of the microwave circulator and then from the output of the microwave circulator to the input of the high-frequency amplifier. Similarly, for a time equal to one quarter of the modulation period, the microwave switch switches the signal from the “hot” reference matched load to the input of the microwave circulator and for a time equal to one quarter of the modulation period, the microwave switch is transferred to the high-impedance state, while the high-frequency amplifier is transmitted to the input of the amplifier signal from a “cold” reference matched load. During one modulation period, two signals are generated at the output of the synchronous detector: Ua-Ux and Uh-Ux, the first is proportional to the difference between the antenna temperature and the noise temperature of the source of “cold” noise and the second is proportional to the difference in temperature of the “hot” and “cold” reference matched loads. Similarly to a radiometer with two-support modulation in the block of the multiplication-dividing operation, the antenna temperature is calculated by the formula:
где UА - напряжение, пропорциональное температуре антенны;where U A is the voltage proportional to the temperature of the antenna;
UХ - напряжение, пропорциональное температуре «холодной» эталонной согласованной нагрузки;U X is the voltage proportional to the temperature of the “cold” reference matched load;
UГ - напряжение, пропорциональное температуре «горячей» эталонной согласованной нагрузки;U G - voltage proportional to the temperature of the "hot" reference matched load;
ТГ и ТХ - температуры, измеренные термодатчиками «холодной» и «горячей» эталонных согласованных нагрузок.Т Г and Т Х - temperatures measured by “cold” and “hot” reference temperature sensors.
При подключенном ко входу модулятора в первом цикле модуляции сигнала с выхода сумматора приема «горизонтальной» поляризации электро-магнитной волны величина ТА будет равна величине радиояркостной температуры Th, принятой по «горизонтальной» поляризации наклонного луча (см. фиг. 1).When connected to the modulator input in the first cycle of signal modulation from the output of the adder of reception of the "horizontal" polarization of the electromagnetic wave, the value of T A will be equal to the value of the radio brightness temperature T h , taken according to the "horizontal" polarization of the inclined beam (see Fig. 1).
В следующем (втором) периоде модуляции СВЧ-модулятор, по управляющему сигналу с выхода прибора управления модуляцией, подключает с выхода второго СВЧ-сумматора приема «вертикальной» поляризации электро-магнитной волны сигнал на вход СВЧ-циркулятора. При подключенном ко входу модулятора во втором цикле модуляции сигнала с выхода сумматора приема «вертикальной» поляризации электро-магнитной волны величина ТА будет равна величине радиояркостной температуры Tv, принятой по «вертикальной» поляризации наклонного луча (см. фиг. 1).In the next (second) period of modulation, the microwave modulator, by the control signal from the output of the modulation control device, connects the signal to the input of the microwave circulator from the output of the second microwave adder to receive “vertical” polarization of the electromagnetic wave. When connected to the input of the modulator in the second cycle of modulating the signal from the output of the adder receiving the "vertical" polarization of the electromagnetic wave, the value of T A will be equal to the value of the radio brightness temperature T v adopted by the "vertical" polarization of the inclined beam (see Fig. 1).
В следующем (третьем) периоде модуляции, по управляющему сигналу с выхода прибора управления модуляцией первый и второй управляемые фазовращатели переводятся в режим поворота фазы сигнала на некоторый угол, так чтобы сформировать отклоненный от нормали к плоскости раскрыва антенны на некоторый заданный угол (например на 30 градусов) луч, а также СВЧ-модулятор, подключает с выхода первого СВЧ-сумматора приема «горизонтальной» поляризации электро-магнитной волны сигнал на вход СВЧ-циркулятора. При подключенном ко входу модулятора в третьем цикле модуляции сигнала с выхода сумматора приема «горизонтальной» поляризации электро-магнитной волны величина ТА будет равна величине радиояркостной температуры Tn, принятой по «горизонтальной» поляризации вертикального луча, соответствующего визированию в надир (см. фиг. 1). Следует отметить, что при визировании в надир радиояркостные температуры по каналу «горизонтальной» поляризации и по каналу «вертикальной» поляризации равны.In the next (third) period of modulation, according to the control signal from the output of the modulation control device, the first and second controlled phase shifters are put into the phase rotation mode of the signal by a certain angle so as to form a certain angle (for example, 30 degrees) deviated from the normal to the aperture plane of the antenna ) the beam, as well as the microwave modulator, connects the signal to the input of the microwave circulator from the output of the first microwave adder to receive the "horizontal" polarization of the electromagnetic wave. When connected to the modulator’s input in the third cycle of signal modulation from the output of the adder of reception of the “horizontal” polarization of the electromagnetic wave, the value of T A will be equal to the radio brightness temperature T n adopted by the “horizontal” polarization of the vertical beam corresponding to the sight in nadir (see Fig. . one). It should be noted that when sighting in nadir, the radio brightness temperatures along the channel of "horizontal" polarization and along the channel of "vertical" polarization are equal.
Таким образом за три последовательных периода модуляции с выхода блока вычисления множительно-делительной операции в спецвычислитель поступят три значения температур Th, Tv и Tn. Процесс продолжается периодически в течение времени периода накопления сигналов τ, например равного одной секунде. Все это время полученные величины Th, Tv и Tn суммируются спецвычислителем и после последнего цикла накопления вычисляются их средние значения за весь период накопления. Эти величины и являются исходными данными для вычисления спецвычислителем значения влажности почвы с последующей передачей значения влажности почвы в регистратор для запоминания полученного значения. По истечении периода накопления τ процесс повторяется периодически в течение всего требуемого времени измерения.Thus, for three consecutive periods of modulation, three temperatures T h , T v and T n will be sent to the special calculator from the output of the block for calculating the multiplication-dividing operation. The process continues periodically during the time period of the accumulation of signals τ, for example equal to one second. All this time, the obtained values of T h , T v and T n are summed by a special calculator and after the last accumulation cycle, their average values for the entire accumulation period are calculated. These values are the initial data for calculating the soil moisture value by a special calculator, followed by transferring the soil moisture value to the recorder to store the obtained value. After the accumulation period τ, the process is repeated periodically throughout the required measurement time.
Алгоритм вычисления влажности почвы основан на том, что для разных типов почвы величина влажности почвы связана с величиной действительной части диэлектрической проницаемости почвы известными функциональными зависимостями (см. [4, 5]), которые могут быть заложены для каждого типа почвы в постоянную память спецвычислителя. В свою очередь, от диэлектрической проницаемости почвы зависит ее отражательная способность, которая определяется известными формулами Френеля.The algorithm for calculating soil moisture is based on the fact that for different types of soil the soil moisture value is related to the value of the real part of the dielectric constant of the soil by known functional relationships (see [4, 5]), which can be stored for each soil type in the permanent memory of a special calculator. In turn, its reflectivity depends on the dielectric constant of the soil, which is determined by the well-known Fresnel formulas.
Для расчетов соответствующих коэффициентов могут быть использованы формулы угловой зависимости коэффициентов отражения Френеля (по методу профессора Шутко A.M. (см. [4, 6]), имеющие следующий вид:To calculate the corresponding coefficients, the formulas of the angular dependence of the Fresnel reflection coefficients (according to the method of Professor Shutko A.M. (see [4, 6]) can be used, having the following form:
где ε - комплексная диэлектрическая проницаемость почвы равная ε'+iε'';where ε is the complex dielectric constant of the soil equal to ε '+ iε' ';
ε' - действительная часть диэлектрической проницаемости почвы;ε 'is the real part of the dielectric constant of the soil;
i - мнимая единица;i is the imaginary unit;
ε'' - мнимая часть диэлектрической проницаемости почвы;ε '' is the imaginary part of the dielectric constant of the soil;
rv, rh - коэффициенты отражения на «вертикальной» и «горизонтальной» поляризациях;r v , r h are the reflection coefficients at the “vertical” and “horizontal” polarizations;
Tv, Th - соответствующие яркостные температуры по каналу «вертикальной» и «горизонтальной» поляризаций;T v , T h — corresponding brightness temperatures along the channel of “vertical” and “horizontal” polarizations;
Т0 - термодинамическая температура;T 0 - thermodynamic temperature;
Ts - радиояркостная температура неба 2.72 К,T s - radio brightness temperature of the sky 2.72 K,
θ - угол наблюдения к нормали, например равный 30°.θ is the angle of observation to the normal, for example, equal to 30 °.
Графики зависимостей при ε=10 и T0=300 К коэффициентов отражения на «вертикальной» и «горизонтальной» поляризациях rv, rh от угла визирования θ представлены на фиг. 3. а соответствующие графики яркостных температур Tv, Th по каналу «вертикальной» и «горизонтальной» поляризаций представлены на фиг. 4.The dependences at ε = 10 and T 0 = 300 K for the reflection coefficients on the “vertical” and “horizontal” polarizations r v , r h on the viewing angle θ are shown in FIG. 3. and the corresponding graphs of brightness temperatures T v , T h along the channel of “vertical” and “horizontal” polarizations are presented in FIG. four.
При визировании в надир, когда θ=0, обе формулы (2) для коэффициентов отражения на «вертикальной» и «горизонтальной» поляризациях дают одно и тоже значение коэффициента отражения rn:When sighting in nadir, when θ = 0, both formulas (2) for the reflection coefficients on the “vertical” and “horizontal” polarizations give the same reflection coefficient r n :
Формулы (2) и (3) образуют систему уравнений с тремя известными величинами Th, Tv и Tn, полученными в результате измерения, и тремя неизвестными величинами Т0, ε' и ε''. Спецвычислитель решает эту систему уравнений численным методом, и по найденной величине ε' определяет значение влажности почвы [7].Formulas (2) and (3) form a system of equations with three known values of T h , T v and T n obtained as a result of measurement, and three unknown values of T 0 , ε 'and ε''. A special calculator solves this system of equations by a numerical method, and from the found value ε 'determines the soil moisture value [7].
Спецвычислитель может быть реализован, в частности, на микросхеме микроконтроллера ATMEGA128, имеющей собственный аналого-цифровой преобразователь и достаточное количество портов ввода-вывода и интерфейсов для реализации внутри него функций описанных блоков управления модуляцией, синхронного фильтра и синхронного детектора, множительно-делительной операции и регистратора или интерфейса регистратора, при использовании в качестве носителя информации, например, карт памяти типа SD Card.The special calculator can be implemented, in particular, on the ATMEGA128 microcontroller chip, which has its own analog-to-digital converter and a sufficient number of input-output ports and interfaces for implementing the functions of the described modulation control units, a synchronous filter and a synchronous detector, a multiplier-divider operation, and a registrar or recorder interface, when used as a storage medium, for example, memory cards such as SD Card.
В остальном радиометр влагомер работает по известной схеме.The rest of the radiometer hygrometer works according to a well-known scheme.
Использование изобретения позволит повысить точность измерения влагосодержания почвогрунтов.The use of the invention will improve the accuracy of measuring the moisture content of soil.
Список использованных источниковList of sources used
1. О.Б. Белоусов, В.А. Плющев, И.А. Сидоров, С.И. Галаган. «Обработка информации тепловой пассивной РЛС средствами программируемой логики», Сборник трудов 57 Научно-технической конференции Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет), Часть третья, Технические науки, Москва, 2008 г. стр. 19-241. O.B. Belousov, V.A. Plyushchev, I.A. Sidorov, S.I. Galagan. “Processing of Thermal Passive Radar Information by Programmable Logic”, Proceedings of the 57th Scientific and Technical Conference of the State Educational Institution of Higher Professional Education Moscow State Institute of Radio Engineering, Electronics and Automation (Technical University), Part Three, Technical Sciences, Moscow, 2008 p. 19-24
2. В.А. Плющев, И.А. Сидоров, «Сканирующий радиометр» Патент РФ №2495443 приоритет от 12.05.2012. МКИ: G01R 29/08.2. V.A. Plyushchev, I.A. Sidorov, “Scanning Radiometer” RF patent No. 2495443 priority of 05/12/2012. MKI: G01R 29/08.
3. В.С. Верба, В.А. Плющев, И.А. Сидоров, «Радиометр с трехопорной модуляцией» Патент РФ №2510513, приоритет от 16.05.2012 г. МКИ: G01R 29/083. V.S. Willow, V.A. Plyushchev, I.A. Sidorov, “Radiometer with three-support modulation” RF patent №2510513, priority from 05/16/2012 MKI: G01R 29/08
4. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов // М., «Наука». 1986 г. 286 с.4. Jokingly A.M. Microwave radiometry of the water surface and soil // M., "Science". 1986 286 p.
5. В.С. Верба, Б.Г. Татарский, В.А. Плющев, И.А. Сидоров и др. «Радиолокационные системы авиационно-космического мониторинга земной поверхности и космического пространства» // М. «Радиотехника». 2014 г. 570 с.5. V.S. Willow, B.G. Tatarsky, V.A. Plyushchev, I.A. Sidorov et al. “Radar systems for aerospace monitoring of the Earth’s surface and outer space” // M. “Radiotekhnika”. 2014 570 s.
6. Р.П. Быстров, Г.К. Загорин, А.В. Соколов, Л.В. Федорова, «Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов» // М., «Радиотехника», 2008 г. 320 с.6. R.P. Bystrov, G.K. Zagorin, A.V. Sokolov, L.V. Fedorova, “Passive radar: methods for detecting objects” // M., “Radio Engineering”, 2008, 320 p.
7. А.Е. Башаринов, А.С. Гурвич, СМ.Т. Егоров, «Радиоизлучение земли как планеты» // М., «Наука», 1974 г. 188 с.7. A.E. Basharinov, A.S. Gurvich, S.M.T. Egorov, “Radio emission of the earth as a planet” // M., “Science”, 1974, 188 pp.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018105113A RU2695764C1 (en) | 2018-02-12 | 2018-02-12 | Radiometer moisture meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018105113A RU2695764C1 (en) | 2018-02-12 | 2018-02-12 | Radiometer moisture meter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2695764C1 true RU2695764C1 (en) | 2019-07-25 |
Family
ID=67512419
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018105113A RU2695764C1 (en) | 2018-02-12 | 2018-02-12 | Radiometer moisture meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2695764C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2737068C1 (en) * | 2020-02-05 | 2020-11-24 | Общество с ограниченной ответственностью "МИРАГЛБЭКС" | Remote moisture meter |
| CN116577832A (en) * | 2023-05-12 | 2023-08-11 | 中国科学院东北地理与农业生态研究所 | High-resolution lake ice detection method based on unmanned aerial vehicle-mounted microwave radiation observation system |
| RU2804381C1 (en) * | 2023-03-01 | 2023-09-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Device for remote measurement of humidity of flat-layer dielectric with losses |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU243258A1 (en) * | Государственный всесоюзный институт проектированию , научно исследовательским работам | DEVICE FOR MEASURING MOISTURE | ||
| SU980039A1 (en) * | 1981-07-21 | 1982-12-07 | Государственный Научно-Исследовательский Центр Изучения Природных Ресурсов | Device for remote sounding of enviroment |
| SU1504584A1 (en) * | 1987-07-02 | 1989-08-30 | Киевский технологический институт легкой промышленности | Shf moisture meter |
| US6247246B1 (en) * | 1998-05-27 | 2001-06-19 | Denver Instrument Company | Microwave moisture analyzer: apparatus and method |
| WO2009071144A1 (en) * | 2007-12-03 | 2009-06-11 | Sartorius Ag | Method and device for determining the moisture in a material |
| RU2510513C2 (en) * | 2012-05-16 | 2014-03-27 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Radiometer with three-point modulation |
-
2018
- 2018-02-12 RU RU2018105113A patent/RU2695764C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU243258A1 (en) * | Государственный всесоюзный институт проектированию , научно исследовательским работам | DEVICE FOR MEASURING MOISTURE | ||
| SU980039A1 (en) * | 1981-07-21 | 1982-12-07 | Государственный Научно-Исследовательский Центр Изучения Природных Ресурсов | Device for remote sounding of enviroment |
| SU1504584A1 (en) * | 1987-07-02 | 1989-08-30 | Киевский технологический институт легкой промышленности | Shf moisture meter |
| US6247246B1 (en) * | 1998-05-27 | 2001-06-19 | Denver Instrument Company | Microwave moisture analyzer: apparatus and method |
| WO2009071144A1 (en) * | 2007-12-03 | 2009-06-11 | Sartorius Ag | Method and device for determining the moisture in a material |
| RU2510513C2 (en) * | 2012-05-16 | 2014-03-27 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Radiometer with three-point modulation |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2737068C1 (en) * | 2020-02-05 | 2020-11-24 | Общество с ограниченной ответственностью "МИРАГЛБЭКС" | Remote moisture meter |
| RU2804381C1 (en) * | 2023-03-01 | 2023-09-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северо-Кавказский федеральный университет" | Device for remote measurement of humidity of flat-layer dielectric with losses |
| CN116577832A (en) * | 2023-05-12 | 2023-08-11 | 中国科学院东北地理与农业生态研究所 | High-resolution lake ice detection method based on unmanned aerial vehicle-mounted microwave radiation observation system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Corbella et al. | The visibility function in interferometric aperture synthesis radiometry | |
| US3378846A (en) | Method and apparatus for testing phased array antennas | |
| RU2695764C1 (en) | Radiometer moisture meter | |
| Domnin et al. | Kharkiv incoherent scatter facility | |
| Garbacz | Determination of antenna parameters by scattering cross-section measurements | |
| CN103257340A (en) | Method for calibrating amplitude consistency of a plurality of ground receivers with radar satellite | |
| RU2510513C2 (en) | Radiometer with three-point modulation | |
| Goodberlet et al. | Two-load radiometer precision and accuracy | |
| Kim et al. | Loss measuring of large aperture quasi-optics for W-band imaging radiometer system | |
| CN110196401B (en) | Calibration system and method for synthetic aperture phased array microwave radiometer | |
| Niu et al. | Experimental study of an L-band synthetic aperture radiometer for ocean salinity measurement | |
| RU2737068C1 (en) | Remote moisture meter | |
| Lu et al. | A L-band phased array radiometer for sea surface salinity | |
| Henault et al. | Effects of mutual coupling on the accuracy of adcock direction finding systems | |
| US3303503A (en) | Single-site monopulse ranging system | |
| Hong et al. | Beamformer calibration using coded correlations | |
| Skou | Aspects of the SMOS pre-launch calibration | |
| Price | A measurement of the sky brightness temperature at 408 MHz | |
| Lahtinen et al. | Fully polarimetrie radiometer calibration: Determining retardation plate's characteristics | |
| Chen et al. | Calibration and measurement of a wideband six-port polarimetric measurement system | |
| RU2611720C1 (en) | Method for radar target identification (alternatives) | |
| US2540536A (en) | Obstacle detection system | |
| Aja Abelán et al. | Calibration of a polarimetric microwave radiometer using a double directional coupler | |
| Zhao et al. | A real-time calibration method of visibility function for passive millimeter wave imaging | |
| Li et al. | FPASMR: A new instrument for future sea surface salinity measurement |