Soil Moisture and Soil Depth Retrieval Using the Coupled Phase-Amplitude Behavior of C-Band Radar Backscatter in the Presence of Sub-Surface Scattering

Abstract

In low-moisture regimes, strongly-reflecting bedrock underlying soil could provide a dominant return. This offers a novel opportunity to retrieve both the volumetric moisture fraction (m_v) and depth (d) of a soil layer using a differential phase. A radar wave traversing the overlying soil slows in response to moisture state; moisture dynamics are thus recorded as variations in travel time—captured back at a radar platform as changes in phase. The Phase Scaled Dielectric (PSD) model introduced here converts phase changes to those in soil dielectric as an intermediate step to estimating m_v. Simulations utilizing a real soil moisture timeseries from a site in Sudan were used to demonstrate the linked behaviors of the soil and radar variables, and detail the PSD principle. A laboratory validation used soil with a wet top layer variable in depth 1–2 cm and drying from m_v ∼ 0.2 m³m⁻³, overlying a gravel layer at a depth of 11 cm. The scheme retrieved $d$ = 1.49 ± 0.33 cm and a change Δm_v = 0.191–0.021 ± 0.009 m³m⁻³. The PSD scheme outlined here promises a new avenue for the diagnostic measurement of soil parameters which is not currently available to radar remote sensing.

RÉSUMÉ

Dans les conditions de faible humidité, un substratum rocheux fortement réfléchissant sous-jacent à un sol pourrait fournir un signal de retour dominant. Cela offre la nouvelle possibilité de récupérer à la fois la fraction d’humidité volumétrique (m_v) et la profondeur (d) d’une couche de sol en utilisant la phase différentielle. Une onde radar traversant le sol sus-jacent ralentit en réponse à l’état d’humidité; la dynamique de l’humidité est donc enregistrée sous forme de variations du temps de trajet - capturées sur une plate-forme radar sous forme de changements de phase. Le modèle PSD (Phase Scaled Dielectric) présenté ici convertit les changements de phase en changements de la diélectrique du sol comme une étape intermédiaire de l’estimation de m_v. Des simulations utilisant une série chronologique réelle d’humidité du sol provenant d’un site au Soudan ont été utilisées pour démontrer les comportements liés du sol et des variables radar, et détailler le principe de la DSP. Une validation en laboratoire a été réalisée utilisant un sol avec une couche supérieure humide variable de 1 à 2 cm de profondeur et un séchage de m_v ∼ 0,2 m³m⁻³, recouvrant une couche de gravier à une profondeur de 11 cm. Le schéma a récupéré d = 1,49 ± 0,33 cm et un changement Δm_v = 0,191–0,021 ± 0,009 m³m^−3. Le programme PSD décrit ici promet une nouvelle approche pour la mesure diagnostique des paramètres du sol qui n’est actuellement pas disponible pour la télédétection radar.

Acknowledgments

The experimental data used here were originally collected under the European Space Agency’s Climate Change Initiative: Soil Moisture, contract 4000112226/14/I-NB.

Data availability statement

The data that support the findings of this study are available from the corresponding author, KM, upon reasonable request.