Новые подходы к дистанционному определению портрета профиля влажности по измеренным характеристикам собственного теплового поля земной поверхности

В рамках выполнения проекта проведены комплексные исследования по созданию научных основ и методологии, обеспечивающих создание принципиально нового класса аппаратуры – микроволновой радиометрической системы на основе технологии монолитных интегральных схем для дистанционной диагностики влажности и температуры почвогрунтов на глубине. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы по дистанционному получению информации о температуре и влагосодержании поверхностных и подповерхностных слоев почвы посредством СВЧ-радиометрии для оценки уровня научных исследований по данной тематике. Выполнено уточнение и обоснование основных параметров радиометрической системы для дистанционного получения информации о температуре и влагосодержании поверхностных и подповерхностных слоев почвы на больших площадях с цифровой обработкой данных в реальном масштабе времени, достаточными для использования её в системе точного земледелия. Сформулированы оптимальные принципы построения микроволновой радиометрической системы дистанционного определения влагосодержания почв и температуры поверхностных и глубинных слоев почвы с учетом оптимизации выбора частотного диапазона, полосы приема, требований к качеству фильтрации шумоподобного сигнала, времени накопления и вторичной обработки полученной информации. Выполнено математическое моделирование процесса приема собственного радиотеплового излучения подстилающей поверхности для уточнения параметров радиометрического приемника и требуемой диаграммы направленности антенной системы. Выполнено моделирование параметров электромагнитного поля и разработаны виртуальные модели антенн радиометра и определены их основные характеристики: диаграммы направленности, распространение поля в ближней зоне антенн, согласование антенн с радиометром, изготовлены макеты антенн и выполнены экспериментальные исследования их основных параметров. Выполнен выбор и оптимизация параметров для накопления базы данных с целью уточнения температурно- влажностных характеристик почвы и выработки рекомендаций. Выполнено макетирование антенной системы, исследование возможности совмещения в одном антенном устройстве возможности одновременного приема микроволн в нескольких частотных диапазонах на двух поляризациях. Сформулированы требования к специализированному стенду для настройки и испытаний составных элементов и всей радиометрической системы в целом. Выполнены экспериментальные исследования помеховой обстановки в исследуемых частотных диапазонах в лабораторных и полевых условиях для уточнения требований к помехозащищенности микроволнового радиометрической системы. Разработана методика внутренней и внешней калибровок микроволновой радиометрической системы для дистанционного определения влагосодержания почв и температуры поверхности, обеспечивающие повышение точности измерения радиояркостных температур и долговременной стабильности параметров радиометра. Проведено исследование путей и способов повышения помехоустойчивости микроволновой радиометрической системы для дистанционного определения влагосодержания почв и температуры поверхности земли, а также её электромагнитной совместимости с электронными системами носителя. Разработана методика пересчета измеренных значений антенной температуры во вторичные параметры – температуру и влажность почвы и оценка возможности его реализации в реальном масштабе времени на бортовом вычислителе. Создан специализированный стенд для исследовательских испытаний радиометрической системы и отдельных ее элементов. Разработаны и изготовлены основные узлы прототипа микроволновой радиометрической системы дистанционного определения влагосодержания почв и температуры поверхностных и глубинных слоев почвы. Разработано программное обеспечение для обработки радиометрической информации, визуализации результатов зондирования и построения карт температуры поверхности и влагосодержания. Изготовлен прототип микроволновой радиометрической системы дистанционного определения влагосодержания и температуры поверхностных и глубинных слоев почвы. Разработана методика обработки радиометрической информации и отладка программного обеспечения для пересчета значений антенных температур и построения тематических карт влажности и температуры почвы. Выполнены исследовательские испытания прототипа микроволновой радиометрической системы для дистанционного определения влагосодержания и температуры поверхностных и глубинных слоев почвы на специализированном стенде. Выполнено тестирование электромагнитной совместимости радиометрической системы с возможными носителями – наземными мобильными платформами и беспилотными летательными аппаратами. Проведена серия натурных экспериментов по дистанционному измерению температуры и влажности почвы с использованием прототипа микроволновой радиометрической системы и построением карт температуры и влажности почвы на опытных полях с сопряженным измерением почвенных условий экспериментов стандартными методами. Выполнено тестирование программы для реализации задачи дистанционного определения влажности и температуры почвы с выдачей рекомендаций для принятия решений в полевых условиях, накопление реальной базы данных, на различных участках земной поверхности. Выполнен анализ результатов натурных экспериментов по дистанционному измерению температуры и влажности почвы с использованием прототипа микроволновой радиометрической системы на опытных полях с сопряженным измерением почвенных условий экспериментов стандартными методами. Выполнено обобщение результатов исследований по созданию научных основ дистанционного получения информации о температуре и влагосодержании поверхностных и подповерхностных слоев почвы на больших площадях посредством СВЧ-радиометрии с цифровой обработкой данных в реальном масштабе времени с точностью и разрешающей способностью, достаточными для использования её в системе точного земледелия. Проведены патентные исследования, зарегистрировано 2 результата интеллектуальной деятельности. Всего за три этапа опубликовано 32 научные статьи и одна монография. Подготовлена и представлена к защите одна кандидатская диссертация и готовится одна докторская диссертация. Результаты проекта также опубликованы на сайте кафедры «Технологии приборостроения» МГТУ им. Н.Э. Баумана (https://rl6.bmstu.ru/). Все работы проекта, предусмотренные календарным планом по договору, выполнены полностью.