Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследования распространения радиоволн в лесном пологе. Состояние вопроса 17
1.1. Экспериментальные работы по исследованию распространения и рассеяния радиоволн лесными покровами 18
1.2. Моделирование процессов распространения укв в лесной среде 39
1.3. Данные об электрических и рассеивающих свойствах элементов лесной растительности 58
Глава 2. Электрофизические свойства хвои 68
2.1. Постановка задачи 68
2.2. Аппаратура и методика измерения электрофизических характеристик хвои 69
2.3. Уравнения пересчета поляризуемости в погонный импеданс и диэлектрическую проницаемость хвои 74
2.4. Экспериментальные результаты электрических параметров хвои 77
2.5. Резюме 81
Глава 3. Рассеивающие свойства стволов хвойного древостоя 83
3.1. Постановка задачи 83
3.2. Теоретический расчет эпр стволов древостоя 84
3.3. Аппаратура, метод и методика экспериментальных исследований эпр стволов реального древостоя 90
3.4. Результаты экспериментальных исследований эпр стволов древостоя 98
3.5. Резюме 108
Глава 4. Дисперсионные и поляризационные особенности ослабления радиоволн в лесу 110
4.1. Постановка задачи по
4.2. Лесотаксационная модель лесного полога 112
4.3. Рефракционная модель лесного полога 115
4.4. Аппаратура и методика измерения функции ослабления электромагнитного излучения лесным пологом 128
4.5. Результаты исследования функции ослабления излучения в лесу на "малых" расстояниях 131
4.6. Результаты исследования функции ослабления излучения в лесу
На "больших" расстояниях 136
4.7. Анализ и сравнение экспериментальных данных 140
4.8. Резюме 143
Глава 5. Статистические свойства вариаций амплитуды поля и тонкая структура неоднородностеи леса 145
5.1. Постановка задачи 145
5.2. Временные флуктуации амплитуды поля в лесу 147
5.3. Спектральный анализ пространственного распределения флуктуации амплитуды поля и тонкая структура неоднородностеи леса 149
5.3.1 корреляционный анализ пространственных вариации амплитуды поля 151
5.3.2 поперечное распределение флуктуации амплитуды поля 152
5.3.3 продольное распределение флуктуации амплитуды поля 157
5.3.4 высотная зависимость амплитуды поля метрового и дециметрового диапазонов в лесу 161
5.4. Частотные корреляционные свойства амплитуды электромагнитного поля в лесу 167
5.6. Резюме 170
Заключение 172
Список литературы
- Моделирование процессов распространения укв в лесной среде
- Уравнения пересчета поляризуемости в погонный импеданс и диэлектрическую проницаемость хвои
- Аппаратура, метод и методика экспериментальных исследований эпр стволов реального древостоя
- Аппаратура и методика измерения функции ослабления электромагнитного излучения лесным пологом
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время пристальное внимание мирового сообщества уделяется роли бореальных лесов планеты в обменных циклах углерода и кислорода и к их физико-биологическому состоянию. Основным методом получения данных о состоянии лесного полога в планетарном масштабе является метод аэрокосмического зондирования с применением геоинформационных технологий. Наблюдается тенденция роста оснащенности аэрокосмических платформ радиоволновыми всепогодными средствами дистанционного зондирования (ДЗ) - радиолокаторами бокового обзора с синтезированной апертурой, с пространственным разрешением практически равным оптическому диапазону, и работающими в сантиметровых, дециметровых и метровых диапазонах длин волн.
Поэтому возникла необходимость исследования взаимодействия электромагнитного излучения с лесным пологом, разработки алгоритмов оценки лесотаксационных и биометрических параметров лесного полога на основе данных аэрокосмического радиоволнового зондирования, т.е. решения обратной задачи ДЗ. Адекватность любого решения обратной задачи, в конечном счете, определяется сопоставимостью с экспериментальными данными. Для оценки лесотаксационных и биометрических параметров лесного полога необходимы экспериментальные данные по взаимодействию электромагнитного излучения как с лесным пологом в виде случайно неоднородной сплошной среды с дискретными неоднородностями, так и с деревообразующими элементами - стволами, ветками, хвоей.
Практика функционирования мобильных систем связи УКВ диапазона и систем пеленгации в условиях лесного полога обуславливает потребность как теоретических, так и экспериментальных исследований леса как среды
распространения радиоволн.
В последней обзорной работе по состоянию радиоволнового ДЗ лесных покровов отмечается практически отсутствие экспериментальных данных о взаимодействии электромагнитного излучения с лесными покровами в диапазоне 100-1000 МГц.
Получение экспериментальных данных числовых значений электрофизических параметров деревообразующих элементов реального древостоя дает возможность построения электрофизической модели лесного полога и, в конечном счете, определения связи радиационных характеристик принимаемого излучения с лесотаксационными и биофизическими параметрами.
Исследования спектральных и поляризационных характеристик ослабления электромагнитных волн растительными покровами в широком частотном диапазоне позволят проанализировать влияние растительности на качество радиосвязи и приема радиосигналов, что особенно важно в лесных регионах.
Изучение статистических свойств сигналов, распространяющихся в лесной среде, служит одной из существенных составляющих комплекса сведений, необходимых для решения обратной задачи ДЗ. Исследование свойств пространственных вариаций электромагнитного поля в лесу позволяют получать информацию о тонкой структуре леса (распределение по размеру и ориентации растительных элементов) и проанализировать влияние растительности на качество радиосвязи и приема радиосигналов.
Все вышесказанное обуславливает актуальность диссертационной работы, в которой приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований о взаимодействии электромагнитного излучения с лесным пологом в целом и с деревообразующими элементами древостоя, такие как:
1. Измерения электрических и радиолокационных характеристик деревообразующих элементов в широком частотном диапазоне, что позволит
изучить дисперсионные характеристики диэлектрической проницаемости
(ДП) самого растительного материала и установить их связь с
дисперсионными характеристиками его составляющих (свободная и
связанная влага, сухая основа).
» 2. Исследование функции ослабления электромагнитных волн
растительными покровами в широком частотном диапазоне в натурных условиях, при известных лесотаксационных характеристиках лесного массива.
Проверка применимости известных механизмов ослабления радиоволн для широкого диапазона частот.
Применение рефракционной модели к лесному пологу, как к двухслойной среде, состоящей из кроны и стволов, и оценка возможности восстановления лесотаксационных характеристик леса посредством данной модели.
Исследование пространственно-временных и частотных корреляционных и спектральных свойств флуктуации амплитуды электромагнитного излучения в лесном пологе.
Исследования, результаты которых включены в диссертационную работу, проводились в 2002 - 2007 гг. в рамках:
Проекта МНТЦ №2059 «Экранирующее влияние растительности в задачах активного и пассивного ДЗ Земных покровов и радиосвязи в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн»;
Лота ФАНИ РФ по проекту ФЦНТП - госконтракт № 02.438.11.7008 от «19» августа 2005 г. шифр РИ-16/0013, «Научно-организационное, методическое и техническое обеспечение организации и поддержки научно-образовательных центров в области технологий безопасности и осуществление на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей совместных исследований и разработок»;
Экспедиционного проекта СО РАН 2004-2006 гг. «Изучение процессов
излучения и рассеяния электромагнитных волн СВЧ-диапазона лесными
покровами территории Сибири»;
Комплексного интеграционного проекта СО РАН «Аэрокосмическая
t радиолокация и радиометрия земных покровов»;
Проекта «Разработка методов космической радиолокации и
радиометрии территории Сибири» Федеральной целевой программы
«Интеграция» (направление 1.1. «Осуществление совместных
фундаментальных и поисковых, прикладных исследований на основе комплексного использования материально-технических и кадровых возможностей научных организаций и вузов Российской Федерации»). Гос. контракт от 11.09.2002 г. № И0106/1202. 2002-2004 гг.
Цель работы
В связи с вышесказанным, целью диссертационной работы является
f экспериментальное и теоретическое исследование электрофизических
свойств деревообразующих элементов бореальных лесов. Исследование функции ослабления амплитуды электромагнитного поля в лесном пологе, и корреляционно-спектральный анализ флуктуационных свойств ослабления УКВ излучения в лесу.
Основные задачи
Экспериментальное определение электрофизических характеристик хвои, таких как комплексная ДП, поляризуемость, погонное сопротивление и их взаимосвязь.
Теоретический расчёт и экспериментальное определение эффективной площади рассеяния (ЭПР) стволов древостоя.
Применение рефракционной модели к лесу в виде случайно неоднородной сплошной среды с дискретными неоднородностями.
Экспериментальное исследование основных механизмов ослабления радиоволн в лесных массивах в широком диапазоне длин волн.
Оценка возможности восстановления лесотаксационных характеристик леса, используя построенную рефракционную модель лесного полога и полученные экспериментальные данные ослабления амплитуды электромагнитного поля в лесу.
Исследование пространственно-временных и частотных статистических характеристик вариаций амплитуды поля в лесном пологе.
Методы исследования
При решении поставленных в работе задач использовались: аппарат теории электродинамики СВЧ, решение задачи дифракции электромагнитных волн на цилиндрических объектах; рефлектометрический метод моностатической и бистатической радиолокации; резонаторный и волноводный метод измерения электрических характеристик вещества; рефракционная модель описания композиционных сред; аппарат теории случайных процессов и статистической радиофизики.
Защищаемые положения
Хвоя лесного полога в СВЧ диапазоне представляет собой проводник с доминирующей реактивностью емкостного типа в 2+7 раз превышающей значение резистивной составляющей. Значение резистивной составляющей погонного сопротивления зависит от породы и уровня связанной и свободной воды в хвое, достигая значений от десятков до сотен кОм/м при изменении весовой влажности от 0 до 60 %.
Резонансный характер эффективной площади рассеяния деревообразующих элементов в дециметровом и сантиметровом диапазонах определяется диаметром, поверхностным импедансом стволов и соотношением толщины коры к длине волны. На фиксированной частоте в сантиметровом диапазоне длин волн ЭПР стволов с гладкой корой линейно возрастает с увеличением диаметра, а наличие на коре шероховатостей приводит к появлению экстремума в зависимости ЭПР от диаметра ствола.
Существует два механизма формирования электромагнитного поля
УКВ диапазона в лесном пологе: в виде прямой и боковой волн. Затухание
прямой волны в лиственничном лесу носит экспоненциальный характер с
линейным возрастанием коэффициента погонного ослабления в среднем от
0.05 дБ-м"1 на частоте 200 МГц до 0.19 дБ-м-1 на частоте 1000 МГц. Для
вертикальной поляризации погонное ослабление в среднем на
0.046±0.002 дБ-м-1 больше, чем для горизонтальной поляризации. Механизм боковой волны для частот выше 400 МГц является доминирующим на расстояниях больших 60 м, ее затухание носит степенной характер и не зависит от поляризации и частоты в диапазоне 400-1000 МГц.
4. Спектр распределения неоднородностей лесного полога по размерам имеет степенной характер с различными спектральными индексами для мелкомасштабных и крупномасштабных неоднородностей. Для мелкомасштабных неоднородностей с размерами до 1 м спектральный индекс (2/3) в два раза больше, чем для крупномасштабных. Радиус корреляции сигнала продольных пространственных вариаций амплитуды поля на порядок превышает радиус корреляции поперечных вариаций.
Научная новизна защищаемых положений и других результатов
Получены количественные результаты электрофизических и радиолокационных характеристик хвои и стволов основных хвойных пород деревьев бореальных лесов.
Решена задача дифракции плоской электромагнитной волны на импедансном цилиндре, покрытом слоем диэлектрика, позволяющая рассчитать значения ЭПР стволов древостоя.
Получены выражения, связывающие ДП, погонный импеданс и поляризуемость хвои при представлении её в виде проводника с большими потерями, что установлено из проведенных экспериментов.
Приведены количественные оценки зависимости коэффициента ослабления излучения "эталонным" лиственничным лесом от частоты и
расстояния между корреспондирующими пунктами в УКВ диапазоне с учетом поляризации излучения.
Показана практическая применимость рефракционной модели к описанию электрофизических характеристик леса.
Экспериментально установлена анизотропия в корреляционных свойствах продольных и поперечных вариаций уровня поля УКВ в лесу.
Получены экспериментальные профили высотного распределения амплитуды поля боковой волны в лесном пологе в зависимости от частоты и поляризации.
Показана применимость монохроматического излучения для выделения различия и измерения спектральных индексов мелкомасштабных и крупномасштабных неоднородностей в распределении по размерам в лесном пологе.
Достоверность защищаемых положений и других результатов
Достоверность всех защищаемых положений (ЗП) обеспечивается физической непротиворечивостью теоретических результатов и фундаментальных положений теорий распространения радиоволн в неоднородных средах, а также согласием с известными экспериментальными данными других авторов по ослаблению поля УКВ в условиях леса и лесопарковых зон (Tamir Т., 1977; Tewari Т., 1990; Куликов А.Н. и др, 1991). В частности, ЗП 3, 4 подтверждаются независимыми измерениями с использованием метода сверхширокополосного импульсного радарного зондирования и теоретическими расчетами, проведенными предшественниками.
Содержание 1 и 2 ЗП находятся в хорошем качественном согласии с немногочисленными известными литературными данными (Maetzler Ch., 1995; Franchois А., 1998; Мильшин А.А., 2000), существенно уточняя их.
Применимость рефракционной модели к лесу подтверждается возможностью восстановления лесотаксационных параметров лесного полога из данных ослабления поля с точностью не хуже 15 %.
Научная ценность защищаемых положений и других результатов
Интерпретация материала хвои как проводника с большими потерями (ЗП 1) позволяет получить простые выражения, связывающие ДП, погонный импеданс и поляризуемость с погрешностью не более 1 %.
Второе ЗП опровергает традиционную точку зрения о линейной зависимости ЭПР стволов древостоя от диаметра в сантиметровом диапазоне длин волн.
Экспериментально доказано (ЗП 3), что механизм боковой волны доминирует на расстоянии более 60 м между корреспондирующими пунктами в диапазоне частот 400-1000 МГц.
Содержание ЗП 4 позволяет использовать монохроматическое излучение для получения информации о тонкой структуре леса.
ЗП и другие результаты диссертационной работы раскрывают механизмы взаимодействия электромагнитного излучения с лесной средой, а количественные значения электрических параметров хвои, ЭПР стволов древостоя и частотные и поляризационные характеристики ослабления излучения являются основой для дальнейшего уточнения электрофизической модели лесного полога, а также усовершенствования алгоритмов определения лесотаксационных и биометрических параметров бореальных лесов на основе данных ДЗ.
Практическая значимость
Учет результатов 1 и 2 ЗП, а также полученные количественные данные электрических и радиолокационных параметров деревообразующих элементов бореальных лесов дополняют базу данных аналогичных характеристик других типов лесов, что необходимо для создания более адекватной электрофизической модели бореальных лесов.
Учет резонансного характера ЭПР деревообразующих элементов в сантиметровом диапазоне длин волн, упоминаемого в ЗП2, повышает вероятность обнаружения скрытых в лесном пологе объектов.
Знание поляризационных и спектральных зависимостей погонного ослабления в лесном пологе (ЗП 3) позволит повысить точность оценки лесотаксационных и биометрических параметров бореальных лесов посредством уточнения алгоритмов их определения, а также позволит повысить качество радиосвязи в условиях леса.
Возможность использования монохроматического излучения УКВ диапазона для получения информации о тонкой структуре леса дает новый подход к решению задачи идентификации и классификации лесных массивов.
Использование рефракционной модели для описания многокомпонентной структуры леса дает простой инженерный метод оценки его лесотаксационных параметров по ослаблению поля.
Внедрение результатов диссертации и рекомендации по дальнейшему использованию
Некоторые результаты диссертации использованы при реализации проектов, указанных в разделе "Актуальность" и включены в отчеты по НИР.
Кроме того, результаты работы использованы в учебном процессе при постановке и выполнении курсовых работ по исследованию взаимодействия радиоволн с лесным пологом на РФФ ТГУ и в Институте физики КНЦ СО РАН.
Молено указать три основных области практического применения полученных результатов: осуществление радиосвязи, радиолокация, вопросы экологии. Результаты работы могут быть использованы для создания адекватной электрофизической модели лесных массивов, объяснения механизмов взаимодействия электромагнитного излучения с лесным пологом, в разработке алгоритмов решения обратной задачи ДЗ в задачах классификации и идентификации лесного полога. В частности целесообразно использовать результаты диссертации в ТГУ, Институте физики и Институте леса КНЦ СО РАН.
Апробация результатов
Результаты диссертационной работы опубликованы в виде 5 статей и
докладывались на следующих конференциях: IX, X и XI Всероссийской
научной конференции студентов физиков и молодых ученых (Красноярск,
2003 г.; Москва, 2004 г.; Екатеринбург, 2005 г.), IEEE IGARSS (Seoul, Korea,
2005; Denver, Colorado, 2006), Третьей всероссийской открытой конференции
«Современные проблемы ДЗ Земли из космоса» (Москва, ИКИ РАН, 2005 г.),
1-ой, 2-ой конференциях студенческого научно-исследовательского
инкубатора (Томск, 2005, 2006 гг.), Всероссийской научной конференции
студентов, аспирантов и молодых ученных «Наука. Технологии. Инновации»
(Новосибирск, 2005 г.), VII и VIII Международных школах-семинарах
молодых ученых «Актуальные проблемы физики, технологий и
инновационного развития», (Томск, 2005, 2006 гг.), Федеральной школе -
конференции по инновационному малому предпринимательству в
приоритетных направлениях науки и высоких технологий (Москва, 2006 г.);
Второй Всероссийской научной конференции-семинаре
«Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2006 г.); XIII and XIV International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics» (Tomsk, 2006; Buryatiya, 2007).
Личный вклад автора
Совместно с научным руководителем работы д.т.н. профессором, Е.Д. Тельпуховским был определён план диссертационной работы, обсуждались и анализировались результаты исследований. Диссертационная работа планировалась как часть комплексных исследований по вопросам распространения радиоволн в лесных массивах, которые проводились кафедрой радиофизики ТГУ совместно с Институтом физики и Институтом леса Красноярского научного центра СО РАН. Являясь одним из исполнителей, автор диссертации принимал непосредственное участие во всех представленных в работе экспериментах, в обработке
экспериментальных данных. Все основные выводы и результаты по вопросам, рассмотренным в главах 2—4 диссертационной работы получены автором. Автор диссертации выражает свою искреннюю благодарность всем упомянутым выше лицам и организациям, а так же д.ф.-м.н., профессору В.П. Якубову; д.ф.-м.н., профессору, -ял. корр. РАН В.Л. Миронову и к.ф.-м.н., доценту А.С. Завьялову за поддержку и помощь в выполнении работы.
Публикации
По материалам диссертации опубликована 21 работа в том числе, 5 статей в журналах, рекомендованных ВАКом, тезисах 16 докладов на международных (5), всероссийских (8) и региональных (3) научных конференциях.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. В работе содержится 193 листа машинописного текста, 71 рисунок, 9 таблиц. Список литературы включает 236 наименований.
Краткое содержание диссертации
Во введении рассмотрена актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и задачи исследования; приведены ЗП; показана научная новизна, практическая значимость и достоверность полученных результатов, кратко изложено содержание работы.
В первой главе проведён аналитический обзор работ по распространению и рассеянию УКВ лесными массивами. Рассмотрены основные экспериментальные результаты, обсуждаются электрические и рассеивающие свойства лесной растительности. Обсуждаются известные в настоящее время результаты исследований влияния лесных массивов на характеристики распространения радиоволн. На основе проведённого обзора ставится вопрос о необходимости экспериментальных данных ослабления радиоволн в лесной среде в зависимости от поляризации и частоты, определению электрофизических и радиолокационных характеристик
деревообразующих элементов, пространственно-временных и частотных статистических свойств флуктуации амплитуды поля в лесу.
Во второй главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований электрофизических свойств хвои пяти хвойных пород древостоя, наиболее распространенных на территории Сибири, таких как кедр, пихта, сосна, ель и лиственница. Получены экспериментальные данные поляризуемости, комплексной ДП, погонного импеданса хвои от породы и влажности. Проведены аналитические расчеты, позволившие установить взаимосвязь между указанными электрическими параметрами для хвои с достаточно большими потерями.
В третьей главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований радиолокационных свойств стволов пяти хвойных пород древостоя, наиболее распространенных на территории Сибири, таких как кедр, пихта, сосна, ель и лиственница. На основе физического строения реальных стволов древостоя и их электрических свойств проводится классификация модельного описания стволов различных пород древостоя. В связи с этим получено решение задачи дифракции плоской электромагнитной волны методом криволинейных координат на импедансном цилиндре, покрытом слоем диэлектрика. Приведена модификация рефлектометрического метода экспериментального определения ЭПР стволов древостоя посредством решения задачи дифракции сферической волны на цилиндре. Получены результаты экспериментального исследования зависимости погонных значений ЭПР от породы, диаметра и температуры стволов древостоя. Представлены данные распределения влажности по поперечному сечению ствола.
В четвертой главе приводится лесотаксационная модель исследуемого участка леса. Построена рефракционная модель лесного полога в виде случайно неоднородной сплошной среды с дискретными неоднородностями. Рассматривается аппаратура и методика измерения функции ослабления электромагнитного излучения лесным пологом. Приведены результаты
исследования ослабления радиоволн лесом в диапазоне частот 0.2 - 1 ГГц при наклонном распространении излучения. Представлены результаты исследования функции ослабления излучения в лесу на "малых" расстояниях (горизонтальное расстояние между излучателем и приемником менее 60 м), когда функция ослабления носит экспоненциальный характер. Найдена зависимость коэффициента ослабления от частоты и поляризации волн. Проведено сопоставление полученных результатов с известными экспериментальными исследованиями. Представлены результаты исследования функции ослабления излучения в лесу на "больших" расстояниях (горизонтальное расстояние между излучателем и приемником более 60 м), когда функция ослабления носит степенной характер. Проводится анализ и сравнения экспериментальных данных функции ослабления излучения в лесу с данными, полученными с помощью рефракционной модели, и показана возможность восстановления лесотаксационных параметров леса с помощью полученных результатов.
В пятой главе рассматриваются пространственно-временные и частотные статистические свойства флуктуации амплитуды электромагнитного поля в лесном пологе в диапазоне частот от 110 до 1000 МГц на двух согласованных поляризациях излучения при различных расстояниях между приемной и излучающей антеннами. В частности изучаются спектральные свойства пространственных вариаций амплитуды поля при распространении радиоволн через лес. Представлены результаты исследования высотной зависимости амплитуды поля в лесу, когда передающая антенна расположена стационарно над уровнем лесного полога, а приемная антенна перемещается вертикально от земли в слое леса. Рассматриваются частотные корреляционные свойства амплитуды электромагнитного поля в лесу. Оцениваются временные флуктуации уровня поля в лесном пологе.
В заключении сформулированы основные научные результаты диссертационной работы.
Моделирование процессов распространения укв в лесной среде
При прохождении радиоволн через растительный слой отмечается явление деполяризации. Этот эффект более ярко выражен на низких частотах при вертикальной поляризации. Детально вопрос о деполяризации метровых и дециметровых радиоволн рассмотрен в работе Сварупа и Тевари [40]. Радиоволны испытывают частичное рассеяние и деполяризацию при распространении вдоль неровной поверхности или через неоднородную среду. При этом часть энергии теряется в одной (первоначальной) плоскости поляризации и появляется в другой. При распространении через лес электромагнитные волны индуцируют в элементах лесной растительности произвольно ориентированные токи. Вызванное этими токами рассеяние волн и обуславливает деполяризацию падающей волны. Можно отметить, что эффект деполяризации предсказывается также и в модели боковой волны [85]. Но данная модель обоснована до частоты 100 МГц, хотя отдельные эксперименты были проведены до частоты 400 МГц. В рассматриваемой же работе [40] исследовались эффекты деполяризации в диапазоне частот 50 -800 МГц. Измерения проводились следующим образом: измерялась напряженность поля в плоскости передающей антенны, затем приемную антенну, не смещая ее, поворачивали на 90 так, чтобы она была ориентирована перпендикулярно плоскости излучения, и вновь измерялась напряженность поля. Измерения были проведены сначала для вертикально поляризованной передающей антенны, затем повторены для горизонтальной поляризации. Величина деполяризации определялась как отношение амплитуды ортогонально поляризованной составляющей к амплитуде волны, лежащей в плоскости поляризации. Вертикально поляризованные волны испытывают большую деполяризацию, чем горизонтально поляризованные. Для вертикально поляризованного излучения принимаемая горизонтальная составляющая равна, а в некоторых случаях больше вертикальной составляющей. Для горизонтально поляризованного излучения было обнаружено, что деполяризация вертикальной составляющей на 5 - 15 дБ меньше, чем принимаемая горизонтальная составляющая. Это, видимо, объясняется естественной анизотропией леса, благодаря которой эффект деполяризации есть функция от поляризации падающего излучения.
В случае вертикальной поляризации кросс-поляризационная разность уменьшается с ростом частоты, в то же время как для горизонтальной поляризации наблюдается обратная тенденция. Как полагают авторы, стволы деревьев воздействуют на вертикальную поляризацию больше на низких частотах, чем на высоких. При горизонтальной поляризации ветви деревьев сильнее влияют на деполяризацию на более высоких частотах. В работе также приводятся результаты зависимости кросс-поляризационной разности от расстояния между приемной и передающей антеннами. Кросс-поляризационная разность увеличивается с расстоянием для обеих поляризаций. Авторы отмечают, что на деполяризацию волны влияет также изменение электрических параметров почвы, древесины, коры и листьев деревьев. На нее влияет также изменение погодных условий, наличие неоднородностей растительности вдоль трассы и качания деревьев под порывами ветра.
В последние годы предметом интенсивного исследования является радиолокационное зондирование лесных покровов поляриметрическими методами. Поэтому небезынтересным будет рассмотрение поляризационных эффектов, возникающих при этом, на сантиметровых волнах.
В этом диапазоне растительный покров представляет собой анизотропно-неоднородную среду, которая деполяризует радиолокационный сигнал. При этом для растительного покрова рассеянный сигнал складывается из трех компонент: рассеяние растительностью (1) и земной поверхностью (2) в направлении приемной антенны, рассеяние растительностью (3) в сторону земной поверхности с последующим зеркальным отражением в направлении приема. Различное соотношение мощностей и поляризаций этих компонент для различных видов растительности позволяет их идентифицировать по данным поляризационных измерений.
Использование кросс поляризационной компоненты позволяет более надежно различать поверхности типа: лес, городская застройка, сельскохозяйственные угодья. При этом появляется возможность определения по данным поляризационных характеристик земных покровов высоты деревьев, площади леса, полной биомассы деревьев. Более того, использование когерентных методов и исследование поляризационных характеристик эффективной площади рассеяния (ЭПР) деревьев позволяет решить задачу распознавания таких деталей, как стебли и листья [86, 87]. В частности, в работе [86] представлены результаты измерений зависимости ЭПР от поляризации первичной волны и структуры кроны деревьев различного вида. Как показано в данной работе в трехсантиметровом диапазоне отраженные сигналы содержат информацию о поверхности объектов, а исследование в диапазоне 20 см выявляет особенности внутренней структуры.
Уравнения пересчета поляризуемости в погонный импеданс и диэлектрическую проницаемость хвои
Выражения для определения действительной и мнимой частей ДП справедливы для цилиндрического образца. Для того чтобы распространить формулу на стержень произвольного сечения следует подставить вместо а/2 величину к а/ко, где AS - площадь поперечного сечения стержня произвольной формы. Размеры стержня должны позволять внесение его в отверстие в резонаторе, реактивная и активная составляющая внешней нагрузки должны быть не велики - такими, чтобы оставалось возможным измерение смещения резонансной кривой по частоте и расширение полосы пропускания резонатора.
Были проведены экспериментальные исследования зависимости электрических параметров хвои пяти пород деревьев (кедр, ель, пихта, сосна и лиственница) от процентной весовой влажности: где tnt - текущее значение массы хвоинки во время эксперимента, т0 - масса сухой хвоинки, ттх - максимальная масса хвоинки.
Методика эксперимента заключалась в следующем. Свежесорванная хвоя основаниями хвоинок помещалась в воду на глубину 0.5см. Процесс сорбции влаги хвоей длился не менее 8 часов. Измерения электрических параметров хвои проводились не менее чем на 5 хвоинках различных пород. Перед помещением хвои в резонатор для измерения её параметров, измерялся вес каждой хвоинки. Первоначальное взвешивание на электронных весах WA-31 давало значение максимальной массы /ипих
отдельной хвоинки с точностью 10 4 грамм. Затем хвоинка помещалась в резонатор и проводились необходимые измерения. После измерений хвоя помещалась в герметизированную ёмкость, частично заполненную цеолитом. Цеолит использовался для регулирования процесса десорбции влаги из хвои. Операция измерения проводилась циклически до тех пор, пока измеряемые параметры (резонансные частоты и уход частоты) практически не изменялись. После этого хвоя помещалась в сушильный шкаф при постоянной температуре 105С на время не менее 8 часов, что дало возможность определить массу сухих хвоинок т0. Эксперимент был направлен на выявление зависимости электрических параметров хвои от частоты, влажности, породы древостоя. Для пород древостоя, длина хвои которых превышала высоту резонатора (кедр, сосна) измерялись поляризуемость, ДП и погонный импеданс. Для короткой хвои (ель, пихта, лиственница) было возможно измерять только поляризуемость. Поэтому были проведены расчеты по получению уравнений пересчета поляризуемости в погонный импеданс и ДП [229].
Рассмотрим связь поляризуемости с погонным сопротивлением и ДП. Поляризуемость хвои можно рассчитать исходя из теории вибратора в переменном электрическом поле, описанную в [201] [229]:
Прямые измерения погонного сопротивления хвои кедра и сосны показали, что оно является комплексным с реактивной составляющей емкостного типа в 2+7 раз превышающей значение резистивной составляющей. Значения резистивной составляющей меняется в пределах 50+400 кОм/м в диапазоне частот 1.5+10 ГГц [229]. Указанные свойства хвои позволили рассматривать ее как проводник с большими значениями вещественной и мнимой составляющими импеданса, что дало возможность значительно упростить выражение для поляризуемости (2.3.1), записав его в виде
Аппаратура, метод и методика экспериментальных исследований эпр стволов реального древостоя
Погонное значение ЭПР диэлектрического цилиндра имеет достаточно сложную периодическую зависимость от радиуса цилиндра, которую можно объяснить переотражением падающей волны от "задней" стенки цилиндра, т.е. падающая волна частично отражается от границы раздела воздух -диэлектрик, а частично проходит вовнутрь цилиндра, где опять же отражается от второй границы раздела диэлектрик - воздух. В зависимости от радиуса цилиндра, отражённые в обратном направлении волны интерферируют то в фазе, то в противофазе, что даёт периодический вид зависимости.
Электрофизические свойства коры различных пород живого древостоя и коры одной породы разного возраста сильно отличаются по влажности, толщине и геометрической структуре поверхности коры. Наличие влаги в древесине приводит к заметному увеличению вещественной и мнимой составляющих ДП [204]. При наличии потерь в диэлектрике, т.е. при больших значениях эффективной ДП, преломленная волна уходит вглубь древесины практически под прямым углом к поверхности, а глубина проникновения поля из-за заметных потерь сравнительно невелика. В подобных случаях решение задачи достигается с использованием импедансных граничных условий [205]. Импедансные граничные условия могут быть использованы на поверхности стволов деревьев, имеющих тонкий слой сильно увлажненной коры. Это стволы пихты, ели и верхние части стволов сосны, кедра и лиственницы. Нижние части стволов сосны, кедра и лиственницы имеющие достаточно толстый слой сухой коры и влажную древесину можно рассматривать как импедансные цилиндры, покрытые слоем диэлектрика. Для определения погонного значения ЭПР второй и третьей группы стволов была решена задача дифракции плоской электромагнитной волны на указанных цилиндрах методом криволинейных координат.
Рассмотрим случай дифракции на цилиндре плоской электромагнитной волны с вертикальной поляризацией, когда E\\z0, z0 - единичный вектор, соответствующий направлению оси цилиндра (рисунок 3.2.1). Компоненты падающего поля в цилиндрической системе координат можем записать в виде [206]:
Рассеянное от цилиндра поле в направлении на источник можно представить в виде разложения по функциям Ханкеля первого рода: где Nn(ker) - функция Неймана п-ого порядка. Ап,Вп,С„ - неизвестные коэффициенты, определяемые из граничных условий задач. Неизвестный коэффициент Ап поля, рассеянного от импедаисного цилиндра, находятся из граничного условия: в - диэлектрическая проницаемость слоя диэлектрика.
Зависимость ЭПР от диаметра импедансного цилиндра качественно близка к металлическому, но для импедансного цилиндра значения ЭПР в целом несколько ниже, чем для металлического. Это обусловлено наличием дополнительных потерь за счет достаточно большой мнимой части ДП у импедансного цилиндра.
Наличие слоя диэлектрика на импедансном цилиндре приводит к появлению резонансных явлений, которые хорошо прослеживаются на частотной зависимости ЭПР импедансного цилиндра со слоем диэлектрика, при этом полагается, что импеданс не меняется от частоты в широком диапазоне длин волн (рисунок 3.2.2). Аналогичные явления (наличие резонансов) наблюдаются и при изменении толщины диэлектрического слоя (рисунок 3.2.3 а, б). Значение ЭПР возрастает практически в 1.5 раза с увеличением мнимой части поверхностного импеданса в два раза и меняется как качественно, так и количественно с изменением действительной части (с увеличением действительной части поверхностного импеданса смещаются резонансные максимумы и минимумы в сторону увеличения толщины диэлектрического слоя на импедансом цилиндре).
Как мы видим, существует сложная зависимость значения ЭПР от толщины коры на стволе и электрофизических характеристик коры и древесины, которые отличаются в зависимости от породы и возраста дерева. Поэтому необходимо провести экспериментальные исследования зависимости ЭПР от диаметра и породы ствола.
Генератор формирует электромагнитные колебания на частоте 9 ГГц. Эти колебания через аттенюатор попадают в направленный ответвитель, позволяющий измерять мощность как излученной, так и отраженной волн. На выходе направленного ответвителя расположен трансформатор полных сопротивлений с тремя реактивными штырями, служащий для согласования антенны с направленным ответвителем. Так как экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях, когда достаточно трудно удовлетворить условию дальней зоны, в качестве приемно-передающей антенны использовалась рупорная антенна со специально изготовленной диэлектрической корректирующей линзой для синфазного распределения поля в раскрыве рупора (рисунок 3.3.2).
Аппаратура и методика измерения функции ослабления электромагнитного излучения лесным пологом
Зависимости от влажности комплексной ДП хвои на частоте 2.8 ГГц и объемные доли свободной и связанной воды в хвое исследованы в главе 2. Для свежесорванной хвои объемное содержание свободной воды составляет 1сво5 = 35 + 50 %, связанной воды - Wceit3 = \0 + 15 %. ДП сухой биомассы хвои в зависимости от породы меняется в пределах г осн = 2 + 1, Е"ССН = 0.1 + 0.5. Значения КДП хвои, найденные экспериментально в данной работе (см. главу 2) хорошо согласуются с рассчитанными по двойной дисперсионной модели (различие не более 6 %). Например, для хвои лиственницы, экспериментально получены значения КДП на частоте 2.8 ГГц при влажности хвои 50% - гхд =30 + 5.2/, рассчитанное значение КДП гхв =31.2 + 5.5/. Следовательно, используя экспериментальные данные КДП сухой хвои и объемные доли свободной и связанной воды в хвое, возможно восстановить частотную зависимость КДП хвои с помощью двойной дисперсионной модели.
По рассчитанным значениям КДП хвои возможно определение эффективной ДП кроны леса по формуле (4.3.28), используя приведенные выше параметры физической лесотаксационной модели эталонного лиственничного леса, в которой значения относительного объема, занимаемого кроной, равно в среднем W = 0.08 %.
Значение погонного ослабления электромагнитного излучения в кроне леса находится с помощью выражения: где є рассчитывается по формуле (4.3.28) с учетом рефракционной зависимости (4.3.29) и двойной дисперсионной модели (4.3.31), (4.3.32).
В таблице 4.3.2 приведены КДП хвоинок лиственницы в диапазоне частот 200- 1000 МГц, показатель поглощения р и погонное ослабление укр в кроне древостоя. Видно, что с увеличением частоты величина погонного ослабления монотонно растет, а показатель поглощения слегка уменьшается, что связано с уменьшением КДП свободной и связанной воды в хвое в исследуемом диапазоне частот (рисунок 4.3.1). "
Для подтверждения работоспособности выбранной модели необходимо сопоставление полученных результатов показателя поглощения и погонного ослабления с аналогичными характеристиками, полученными при исследовании распространения радиоволн в лесу в натурных условиях. Поэтому ниже описываются экспериментальные измерения ослабления радиоволн лесным пологом.
Экспериментальные исследования функции ослабления электромагнитного излучения в лесном пологе в диапазоне частот от 0.2 ГГц до 1 ГГц проводились на "эталонной сцене" лиственничного древостоя на полигоне института леса им. В.Н. Сукачева Красноярского научного центра СО РАН. Время проведения эксперимента - август 2004 г.
При исследованиях функции ослабления электромагнитного излучения лесным пологом использовались два генератора высокой частоты Г4-109 и Г4-76А, перекрывающие диапазон частот от 12.5 до 1200 МГц, ПЭВМ и автоматизированный цифровой измерительный комплекс на основе селективного микровольтметра SMV 8.5, работающего в частотном диапазоне от 26 до 1000 МГц. Пределы измерения напряжения от 0 до 125 дБ относительно 1 мкВ с уровнем собственных шумов не более 0.7 мкВ. В качестве передающей антенны использовалась логопериодическая антенна LPA 1, работающая в диапазоне частот от 87 до 1000 МГц, приемные антенны ДР1 и ДР2 - диполи, перекрывающие диапазон частот от 26 до 300 МГц и от 300 до 1000 МГц, соответственно. Указанная аппаратура позволила провести все измерения при отношении сигнал / шум не хуже 20 дБ.
Экспериментальные исследования ослабления электромагнитного излучения лесным пологом проведены на пяти фиксированных частотах в диапазоне 0.2 ГГц - 1 ГГц с шагом 200 МГц на двух согласованных (ГГ, ВВ) и кроссовой (ГВ) поляризациях приема электромагнитного излучения.
Передающий пункт располагался на высоте 22 м, а высота приемной антенны приемного измерительного комплекса, расположенного в лесном пологе, составляла 1.5 м от уровня земли. Общая протяженность трассы исследования составляла 112 м по поверхности земли. За нулевую точку отсчета уровня сигнала в лесном пологе было принято расстояние в 26 м от точки проекции антенны передающего пункта на поверхность земли (рисунок 4.4.1). Оставшаяся трасса протяженностью 86 м была разбита с шагом в 1 м, т.е. измерения уровня сигнала проводились в 86 точках.
Измерительный комплекс работал в режиме измерения среднего значения регистрируемой величины, с пределом линейной индикации 20 дБ, при фиксированных показаниях аттенюаторов ВЧ и ПЧ приемного тракта. Возможный диапазон регистрации измеряемой величины не менее 120 дБ относительно 1 мкВ. Внешний вид передающего и приемного пунктов и исследуемая сцена лесного полога приведены на рисунке 4.4.2.
