Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время приобрели особую актуальность исследования процессов распространения радиоволн в околоземном пространстве, в том числе в лесных и лесопарковых зонах. С одной стороны, это вызвано постоянным расширением областей применения систем связи УКВ диапазона. С другой стороны — возросшим интересом к задачам исследования природных объектов радиофизическими методами.
Разрабатываются долгосрочные программы исследований взаимодействия радиоволн с лесными массивами, основной задачей которых является создание адекватных физических и математических моделей лесной среды. Отмечается заинтересованность в работах такого рода военных ведомств и авиакомпаний США, Европы и Австралии.
Состояние вопроса, известные в настоящее время экспериментальные данные о распространении УКВ в лесной среде довольно немногочисленны и весьма противоречивы. Наиболее подробно они представлены в работах групп авторов из Бурятии (Доржиев Б.Ч., Плетнёв В.И., Хомяк Е.М.) и Индии (Swarup S.S., Tewari R.K., Roy M.N.). Теоретические модели распространения радиоволн в лесной среде, представляющей собой сложную, дискретно-неоднородную структуру, далеки от завершения. Механизм прохождения электромагнитного излучения через лес включает в себя эффекты многократного рассеяния, дифракции и поглощения волн лесной растительностью, для описания которых не представляется возможным построение точной теории. Существующие приближённые подходы используют различные предположения о доминирующем механизме распространения воли. Экспериментально полученные зависимости среднего уровня поля от дальности говорят о том, что сушествуют по крайней мере два механизма ослабления УКВ в лесных массивах — по экспоненциальному и по степенному закону. Поэтому при построении теории распространения УКВ в лесной среде необходимо проанализировать энергетические характеристики сигнала и выяснить условия, при которых можно выделить преоблада-
ющиЙ механизм распространения волн, вклад которого в интенсивность принимаемого сигнала наиболее значим.
Цель работы: построение электродинамической модели лесной среды; электродинамическое описание основных механизмов распространения УКВ в условиях леса в зависимости от расстояния между корреспондирующими пунктами, с учётом реальных параметров лесных массивов: размеров, плотности, диэлектрической проницаемости деревьев, а также влияния поверхности земли.
Методы проведения исследования. При решении поставленных в работе задач использовались: статистическая теория распространения волн в случайно-неоднородных средах; принцип Гюйгенса-Френеля, широко применяемый в классической теории распространения радиоволн; асимптотические методы математической физики; аппарат теории случайных процессов; методы вычисления интегралов и рядов на ЭВМ. На защиту выносятся следующие положения.
-
Теория многократного рассеяния волн в лесном массиве, как случайно-неоднородной среде, состоящей из множества дискретных рассеивателей — деревьев описывает экспоненциальный механизм ослабления среднего поля УКВ, являющийся основным на расстояниях до 100 м и определяет эффективную комплексную диэлектрическую проницаемость лесной среды.
-
Погонное ослабление при распространении УКВ внутри лесного массива прямо пропорционально плотности леса, заданной средним количеством деревьев на единицу площади, а также эффективному коэффициенту рассеяния дерева, который определяется с учётом распределения диаметров и значений комплексной диэлектрической проницаемости деревьев. Частотная зависимость погонного ослабления совпадает с частотной зависимостью эффективного коэффициента рассеяния дерева.
-
Степенной характер ослабления среднего поля УКВ в лесной среде на расстояниях свыше 150 м связан с преобладающим влиянием волны, формирующейся в малых окрестностях вблизи корреспондирующих пунктов и распространяющейся над вершинами деревьев. При формировании этой вол-
ны доминирующим является влияние подстилающей земной поверхности. Влияние леса, учитываемое в эффективной проницаемости земли, ослабляется с уменьшением средней высоты деревьев, эффективной комплексной диэлектрической проницаемости лесного массива и с увеличением дальности радиотрассы.
4. Ослабление среднего поля на больших расстояниях описывает формула Шулейкина—Ван-дер-Поля, модифицированная с учётом влияния лесной среды. В диапазоне частот 10 — 500 МГц для дальностей свыше 150 м напряжённость среднего поля убывает обратно пропорционально частоте излучения. В случае, когда хотя бы один из корреспондирующих пунктов поднят над лесным массивом, ослабление поля с расстоянием приближается к ослаблению, характерному для свободного пространства.
Достоверность результатов работы обеспечивается: физической непротиворечивостью результатов, согласием с фундаментальными положениями теорий распространения УКВ над земной поверхностью и в условиях города; сравнением результатов работы с независимыми экспериментальными данными, их соответствием и согласованностью.
Научная новизна. При выполнении работы получило дальнейшее развитие новое научное направление в современной радиофизике — теория распространения УКВ в городских и лесопарковых зонах.
Впервые получено соотношение для эффективной комплексной диэлектрической проницаемости лесного массива, учитывающей эффекты многократного рассеяния излучения множеством дискретных рассеивателей —- деревьев.
Получено соотношение, связывающее погонное ослабление сигнала с основными параметрами лесных массивов: размерами, плотностью, диэлектрической проницаемостью деревьев.
Описание ослаблепия среднего поля на больших расстояниях в условиях леса удалось свести к задаче распространения УКВ вдоль границы двух полупространств: воздуха и земли. Показано, что в этом случае ослабление УКВ описывает формула Шулейкина—Ван-дер-Поля. Взаимодействие волны
с лесной средой учтено в эффективной диэлектрической проницаемостью земли.
Предложено соотношение для эффективной диэлектрической проницаемости подстилающей поверхности с учётом влияния лесного массива.
Показано, что на больших расстояниях или в случае большого подъёма одного из корреспондирующих пунктов влияние леса на ослабление УКВ можно не учитывать.
Научно-практическая значимость. Результаты диссертационной работы позволяют понять физические механизмы распространения УКВ в лесной среде. Можно указать три основных области практического применения полученных результатов; осуществление радиосвязи, радиолокация, вопросы экологии. Соотношения для энергетических характеристик сигнала позволяют прогнозировать условия работы радиосредств в лесистой местности с учётом параметров лесных массивов. Результаты работы могут быть применены при решении обратных задач, необходимых для исследования лесов радиофизическими методами.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертационную работу докладывались на XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Харьков, 1990 г.), XVII и XVIII Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Ульяновск, 1993 г., Санкт-Пнтербург, 1996 г.), Международном симпозиуме "Распространение радиоволн в городе" (Томск, 1997 г.), IV Российском семинаре "Распространение радиоволн в городах и лесных районах" (Москва, 1992 г.), XI Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн (Москва, 1998 г.), региональной научно-технической конференции (Томск, 1994 г.), областной научно-практической конференции по радиотехнике, электронике и связи (Томск, 1989 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 статей и тезисов докладов, сделано 2 отчёта по НИР.
Личный вклад автора. Данная диссертационная работа планировалась как часть комплексных исследований по вопросам распространения УКВ в городской и пригородной зоне. Они проводились лабораторией распространения радио-
олн СФТИ и кафедрой радиофизики ТГУ в 1989—1993 г.г. од руководством инициаторов этих исследований профессо-а, д.ф.-м.н. Пономарёва Г.А. и д.т.н. Тельпуховского Е.Д. Все сновные выводы и результаты диссертационной работы поучены лично автором. Совместно с научным руководителем аботы д.ф.-м.н. профессором В.П. Якубовым, а также, на ачалыгом этапе работы, к.ф.-м.и. ст.н.с. СФТИ Куликовым t.H. был определён план работы и обсуждались результаты сследований.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из вве-ения, четырёх глав и заключения. В работе содержится 130 истов машинописного текста, 17 рисунков. Список литерату-ы — 116 наименований.
