Сверхкороткоимпульсное зондирование лесных сред Очиров Олег Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Сверхкороткоимпульсный сигнал как вид сверхширокополосных сигналов 13

1.1. Определения и характеристики сверхширокополосных сигналов, особенности сверхкороткоимпульсной локации 14

1.2. Области применения сверхширокополосных и сверхкороткоимпульсных сигналов в радиолокации 22

1.3. Модели ослабления электромагнитных волн лесными покровами в Х-диапазоне 26

1.4. Анализ моделей обратного отражения в Х-диапазоне (обзор) 32

Выводы 38

Глава 2. Исследование ослабляющих свойств лесных сред в Х-диапазоне 40

2.1. Измерительный комплекс на базе наносекундного и бистатических радаров 40

2.2. Результаты измерений ослабления импульсного излучения лиственным лесом 46

2.3. Экспериментальные результаты сверхкороткоимпульсного зондирования хвойных лесов 57

2.4. Оценка коэффициента погонного ослабления при бистатической локации 63

2.5. Анализ импульсного сигнала при распространении в лесной среде 65

Выводы 69

Глава 3. Результаты экспериментальных исследований отражающих свойств лесных сред 71

3.1. Экспериментальные результаты мачтовых измерений 71

3.2. Экспериментальные результаты коэффициента обратного отражения от лесных сред в Х-диапазоне с использованием сверхлегкой авиации 83

3.3. Угловые зависимости коэффициента обратного отражения 88

3.4. Сравнительный анализ экспериментальных данных с моделями обратного отражения 91

Выводы 96

Глава 4. Обратные задачи сверхкороткоимпульсного зондирования лесных сред 98

4.1. Радиотомография лесных сред 98

4.2. Определение горизонтальной структуры древостоя 107

4.3. Оценка возможностей обнаружения скрытых объектов в лесной среде методом наносекундной радиолокации 110

Выводы 113

Заключение 114

Список литературы 116

Приложение 1 124

• Области применения сверхширокополосных и сверхкороткоимпульсных сигналов в радиолокации
• Экспериментальные результаты сверхкороткоимпульсного зондирования хвойных лесов
• Экспериментальные результаты коэффициента обратного отражения от лесных сред в Х-диапазоне с использованием сверхлегкой авиации
• Радиотомография лесных сред

Введение к работе

Актуальность темы. Одной из важнейших задач современных проблем человечества, с решением которой связаны экологическая безопасность и устойчивость общественного развития, является рациональное использование лесов. Проблема оценки состояния лесов, их сбережения и рационального использования связана с применением аэрокосмических информационных технологий и методов дистанционного зондирования. Наиболее перспективны в этом плане спутниковые системы микроволнового диапазона в силу их высокого разрешения и высокой производительности. Однако до настоящего времени пока не установлено однозначное соответствие между аэрокосмическими методами измерений параметров лесов и наземными радиофизическими измерениями, несмотря на обширные исследования в этой области. Поэтому исследование механизмов взаимодействия электромагнитных волн с различными природными средами, в том числе и с лесной, представляется на сегодня весьма актуальной задачей.

Вместе с тем, в настоящее время повысился интерес к возможностям
сверхкороткоимпульсной радиолокации (СКИРЛ), вызванный тем, что в некоторых
условиях обычная радиолокация испытывает определенные трудности.

Сверхширокополосная (СШП) и сверхкороткоимпульсная (СКИ) радиолокация в
ряде случаев имеет несомненные преимущества перед традиционной локацией. По
мнению многих авторов, эта проблема достойна глубокого теоретического и
экспериментального изучения. РЛС со сверхкороткими импульсными

радиосигналами способны решать весьма сложные задачи в различных областях народного хозяйства и военной техники. Несмотря на то, что в этой области достигнуты значительные результаты, все большую актуальность приобретают проблемы, связанные с разработкой новых методов и алгоритмов оценок параметров и характеристик окружающей среды. Сверхкороткоимпульсная радиолокация лесных сред является новым направлением в общей проблеме распространения радиоволн. Здесь особую актуальность представляет изучение пространственно-временной эволюции сверхкоротких импульсов в диспергирующих средах, которое открывает новые возможности для различных систем связи и локации. Все вышесказанное обуславливает актуальность диссертационной работы, в которой приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований распространения сверхкороткоимпульсного сигнала в лесной среде.

Исследования, результаты которых включены в диссертационную работу, проводились в 2003-2016 гг. в рамках:

1. Интеграционный проект СО РАН «Комплексное исследование состояния и динамики развития экосистемы дельты р. Селенга как естественного биофильтра и индикатора современного состояния в условиях интенсификации антропогенного загрязнения озера «Байкал» (2001-2003 гг..).

2. Научно-техническая программа «Наука. Бурятия. Технологии и инновации». Проект «Создание баз данных для тематической обработки радиолокационных изображений природных объектов Байкальского региона» (2003-2006 гг.).

3. Международный научный проект с Японским аэрокосмическим агентством (JAXA) № 05KRSTK-022935 от 01.03.2006 «Контракт на измерение эталонных

данных для калибровки и валидации радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) L-диапазона с фазированной антенной решеткой (PALSAR) на борту космического аппарата ALOS». (2006-2010 гг.).

4. Проект РФФИ № 08-02-98009р_сибирь_а «Мониторинг состояния лесных сред бассейна оз. Байкал по данным спутниковых и наземных радаров. (2009-2011 гг.).

5. Научная программа СО РАН II.8.3. Фундаментальные проблемы оптики и дистанционного зондирования атмосферы. Научный проект 2.8.3.8. «Моделирование волновых процессов в природных и искусственных средах». (2010-2012 гг.).

6. Научная программа СО РАН II.10.3. Фундаментальные проблемы атмосферы, включая молекулярную спектроскопию, распространение оптических волн, атмосферную коррекцию, дистанционную диагностику окружающей среды. Научный проект «Локальная и дистанционная диагностика приземного слоя атмосферы и подстилающей поверхности в регионе оз. Байкал и аридной зоне «Центральной Азии». (2013-2016 гг.).

7. Федеральная целевая программа «Разработка программы мониторинга биоразнообразия и методических рекомендаций по ее реализации в государственных природных заповедниках и национальных парках бассейна оз. Байкал». НИР «Дистанционный мониторинг лесов Кабанского заказника с помощью дельталетов» Госконтракт от 25.12.2012 № РГ-12-23/85 (дополнительное соглашение № РГ-12-23-/85-1). (2012-2014 гг.).

8. Проект РФФИ № 16-05-00786 А «Комплексные исследования почвенно-лесных покровов и водных объектов Байкальской природной территории радарными и радиометрическими методами». (2016-2018гг.).

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование процесса распространения сверхкороткоимпульсного сигнала в лесной среде; обоснование, разработка и практическая реализация дистанционных методов диагностики и контроля лесных сред.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Экспериментальное исследование распространения СКИ сигналов в лесных средах и оценка поглощающих свойств различных типов лесов (хвойных, лиственных, смешанных) разной плотности методом СКИРЛ.

2. Разработка метода определения эффективных электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости, проводимости) лесной среды на основе экспериментальных данных.

3. Разработка метода восстановления томографического изображения на основе многопозиционных измерений однородных участков леса с учетом ослабления излучения в лесной среде.

4. Разработка метода определения отражающих и рассеивающих свойств лесной среды при сверхкороткоимпульсной локации с использованием высотных матч и средств малой авиации (дельталет).

Методы исследований

В диссертационной работе приведены результаты экспериментальных измерений радиофизических характеристик лесных сред, полученных методами моно- и

бистатической сверхкороткоимпульсной радиолокации, многопозиционного

сканирования лесов и определения их отражающих свойств с использованием высотных матч и дельталета.

Научная новизна:

5. Выявлен эффект распространения короткоимпульсного сигнала с несущей частотой 10ГГц и длительностью импульса 10нс вглубь лесной среды на расстояние большее, чем в случае сигнала РЛС непрерывного излучения 3-х см диапазона при одинаковой мощности излучения.

6. Получены значения коэффициентов погонного ослабления на частоте 10 ГГц при сверхкороткоимпульсной локации лесов, при этом абсолютные значения на порядок ниже известных литературных данных.

7. Выявлена новая закономерность внутрисезонной вариации коэффициента ослабления короткоимпульсного сигнала, обусловленная фенологическим состоянием березового леса без явно выраженных внешних морфологических изменений.

8. Предложен метод многопозиционного сканирования лесных участков, позволяющий получить его детальное радиотомографическое изображение. На основе радиотомограммы однородных хвойных лесов разработан метод определения горизонтальной структуры древостоя.

9. Получены угловые зависимости коэффициента обратного отражения от почвенно-лесных покровов различных типов на линейных и кросс поляризациях в 3-х см диапазоне при радиозондировании импульсными сигналами с длительностью 10 наносекунд.

Практическая значимость работы:

10. Полученные результаты работы на основе разработанной методики определения значения коэффициентов погонного ослабления расширяют спектр частотной зависимости ослабления радиоволн в лесной среде, определяют интервал их возможных значений в зависимости от сезона и могут быть использованы для оценки применимости электродинамических моделей в X-диапазоне.

11. Значения коэффициентов обратного отражения и погонного ослабления, их сезонные вариации и зависимости от типов и плотности лесов могут быть использованы для валидации данных дистанционного зондирования с учетом состояния леса в период проведения съемки.

12. Выявленный в работе эффект радиопрозрачности лесной среды при сверхкороткоимпульсной локации может быть использован для обнаружения скрытых объектов в лесу, укрытых растительностью или находящихся под пологом леса. Положение объекта может определяться либо непосредственно по радарному отклику, либо по сопутствующим эффектам (эффект «резонанса» и др.).

13. На основе статистического анализа радиотомографического изображения лесного участка возможно оперативное восстановление запасов древостоя и биомассы. Практическая ценность данного метода заключается в относительно небольших затратах на проведение съемки по сравнению с другими методами, например, аэрофотосъемкой. Особенно актуальна данная задача для лесопарковых зон, заказников и других природоохранных территорий.

На защиту выносятся следующие научные положения:

14. Установлено, что сверхкороткоимпульсный сигнал с длительностью импульса 10 нс и несущей частотой 10 ГГц имеет глубину прохождения сигнала вглубь лесной среды до 250 метров, а обратный отраженный сигнал от стволов деревьев регистрируется с дальности порядка 100 метров в зависимости от плотности леса. На распространение короткоимпульсного сигнала в лесных средах существенно влияет угловая частота модуляции.

15. Выявлен дополнительный пик коэффициента погонного ослабления электромагнитных волн в березовом лесу в период весеннего сокодвижения, не связанный с ослаблением сигнала от сезонов года и морфологическими изменениями состояния леса. Определена связь коэффициента погонного ослабления с фенологическим состоянием деревьев в этот период. Коэффициент погонного ослабления имеет пиковое значение 0,9 дБ/м, при этом на начало и конец этого периода коэффициент погонного ослабления составил 0,44 и 0,45 дБ/м соответственно.

16. Показано, что при длительности импульса 10 нс, соответствующей ей разрешающей способности и несущей частоте сверхкороткоимпульсного сигнала 10 ГГц используемый метод многопозиционного сканирования является приемлемым для решения задачи построения радиотомограммы леса. Эффект дифракционного проникновения радиоволны в область тени позволяет произвести раздельную регистрацию стволов деревьев.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается значительным объемом экспериментальных данных, полученных при проведении натурных измерений с использованием радаров, технические характеристики которых прошли калибровку и поверены в Институте сильноточной электроники (ИСЭ) СО РАН, применением корректных математических методов обработки информации, качественным совпадением с результатами, полученными в работах других авторов.

Личный вклад автора

Совместно с научным руководителем работы к.ф-м.н., доцентом Доржиевым Б.Ч. был разработан план диссертационной работы. Диссертационная работа выполнялась как часть комплексных исследований по вопросам распространения радиоволн в различных природных средах, которые проводятся в лаборатории радиозондирования природных сред Института физического материаловедения СО РАН.

Автор, являясь сотрудником данной лаборатории, принимал участие в экспериментах представленных в работах [4-22]. Автором выполнен основной объем исследований, проведен анализ полученных данных, сформулированы основные положения диссертации, составляющие её новизну и практическую значимость, разработана методика измерений [6, 9, 11, 12, 17, 21], программа обработки экспериментальных данных [22]. Практическую помощь по работе с радаром, настройке и обработке измерений оказал автор и разработчик радара к.ф-м.н., с.н.с. отдела физической электроники ИСЭ СО РАН Климов А.И. Автор диссертации выражает благодарность сотрудникам лаборатории, участвовавшим в проведении экспериментов.

Публикации

Полученные научные результаты по теме исследования изложены в 38 публикациях, из которых 22 – в научных журналах, рекомендованных перечнем Высшей аттестационной комиссии; 16– в сборниках научных трудов и материалах конференций.

Структура и объём диссертации

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 72 наименований; содержит 125 страниц, 65 рисунков и 13 таблиц.

Области применения сверхширокополосных и сверхкороткоимпульсных сигналов в радиолокации

В работе [13] указывается, что общей проблемой современной радиолокации является разработка новых эффективных методов обнаружения и распознавания объектов, особенно мало заметных на фоне шумов. Эта проблема фоновых шумов является первой областью применения СКИ радаров, где ожидалось их заметное преимущество по сравнению с обычными узкополосными РЛС. Однако, как указывается в ряде работ, полной ясности в решении данной проблемы нет. Поэтому эта область применения СКИ радаров остается актуальной. В этой же работе сформулированы основные научно-технические задачи для решения указанной проблемы, к числу которых относятся дальнейшее изучение эффективных средств обнаружения замаскированных в лесной местности наземных объектов. В диссертационной работе предложены подходы к решению этой задачи на основе экспериментально подтвержденных особенностей СКИРЛ – высокой разрешающей способностью по дальности и эффекта контрастности отражения от объектов, а также выявленной высокой проникающей способности короткоимпульсного излучения в лесную среду. На примере уголковых отражателей, расположенных и скрытых внутри лесного слоя, показана возможность определения дальности до объекта и его местоположения, как в случае горизонтальной локации, так и при локации сверху.

Второй областью применения СШП радаров является обнаружение и наблюдение близко расположенных объектов на коротких дистанциях, составляющих единицы и десятки метров. Эти радары, отличаются простотой конструкции и имеют небольшой объем аппаратуры. В Ливерморской национальной лаборатории в 1994 году разработали миниатюрный радиолокатор MIR (Microwave Impulse Radar – микромощный импульсный радар). За несколько лет после разработки опытного образца был пройден путь от лабораторной концепции до реализации в многочисленных системах, создаваемых по заказу правительственных агентств и для коммерческого применения. Аппаратные средства генерации и приема СШП сигналов низкой мощности строились на очень дешевых компонентах. Специально созданные антенны, новые схемные решения, сопряжение с компьютером, обработка сигналов позволили создать новое поколение очень компактных радиолокационных систем, которые с успехом используются для дистанционного зондирования, в военном деле, на транспорте, в медицине, а также для исследования окружающей среды.

В общем случае MIR - это сверхширокополосный радиолокатор с селекцией целей по дальности. Его разрешающая способность по дальности 1 см, а дальность в воздухе - около 50 метров. MIR-технология имеет ряд достоинств при изготовлении различных датчиков:

Низкие требования к электропитанию - средний потребляемый ток составляет несколько мкА;

Средняя СВЧ-мощность, составляющая несколько десятков микроватт, не представляет опасности для здоровья оператора;

Малая стоимость аппаратных средств;

Высокое проникновение зондирующего сигнала в большинство материалов низкой проводимости, что обеспечивает видение сквозь стены, бетон и другие препятствия, включая человеческую ткань;

Точная установка дальности действия, что снижает вероятность ложных тревог;

Скрытность работы MIR-датчика.

Дополнительные сведения о практическом применении СШП-радаров малой дальности можно почерпнуть из работы [14]. В этой работе даны краткие описания некоторых образцов СШП-радаров, созданных в Научно-исследовательском центре сверхширокополосных технологий Московского авиационного института (http://www.uwbgroup.ru). К ним относятся СШП-радары для медицинских исследований, для измерения физиологических параметров человека вплоть до 8 метров, а также многофункциональный медицинский СШП-радар для одновременного измерения пульса в кровеносных сосудах, расположенных в разных участках тела. Приведены примеры использования СШП-радара для наблюдения за движущимися и неподвижными людьми, находящимися за преградами в виде стен, выполненных из различных материалов.

Третья область применения СШП и СКИ радаров–это получение радиоизображений или томограмм за счет существенного увеличения количества и повышения качества информации. По данной тематике регулярно проводятся различные конференции, где вопросы распространения сверхширокополосных сигналов и сверхкоротких импульсов в природных средах рассматриваются на отдельных секциях. Обзор этих работ занял бы достаточно много места, поэтому ограничимся коротким выводом о том, что такие радары также получают широкое применение, но в более отдаленной перспективе. Сегодня СШП и СКИ сигналы используются для получения радиоизображения пока только в радарах с синтезированной апертурой, установленных на воздушных носителях. Эти радары предназначаются, как правило, для картографирования местности и для поиска на местности различных объектов, скрытых растительностью или замаскированных иным образом.

Четвертая область применения СШП и СКИ радаров – это контроль акваторий, аэропортов, лесных массивов, территорий различного назначения. Такие радары занимают промежуточное положение между радарами малой и большой дальности. Они обеспечивают не только высокое разрешение целей, но и большую устойчивость при работе в условиях пассивных и активных помех. Большинство работ по СШП и СКИ локации в этой области относится к территориально-распределительным системам контроля.

Не менее актуально использование СШП сигналов в радиосвязи. Ряд систем радиосвязи с СШПС имеет лучшие параметры, чем некоторые радиомодемы, но многие СШПС не обладают декларируемыми преимуществами. Отмечена важность выбора структуры сигнала, максимизирующий отношение средней энергии к пиковой и рекомендовано применение фазовой модуляции. Однако в СШПС преобладают другие виды модуляции [12,13]. В целом можно отметить, что большой интерес к СШП и СКИ технологиям и радарам подтверждается быстро растущим объемом публикаций по этой тематике. Практически на всех последних конференциях и симпозиумах по радиолокации (RADAR, PIERS, EUSAR) организуется отдельная секция или школа по СШП радарам. Весьма ограниченное число публикаций относится к контролю лесных массивов. Здесь можно отметить работы [15,16], в которых рассматриваются механизмы прохождения волн сквозь лесную среду. Как известно, первый механизм – это прямое прохождение волн сквозь толщу леса, характеризующееся экспоненциальным ослаблением с расстоянием. Второй механизм – это механизм боковой волны, при котором траектория волны искривляется и большая часть проходит над лесом. Ослабление при этом описывается степенным законом. В работе [16] обсуждается, какой из этих механизмов доминирует при радарном зондировании. Как отмечают авторы, на этот вопрос можно ответить, используя метод сверхширокополосного радарного зондирования лесного полога, при котором исключаются трудности в интерпретации результатов зондирования, присущие зондированию узкополосными сигналами. СШП и СКИ - радары в микроволновом диапазоне позволяют получать разрешение по дальности порядка единиц сантиметров и по азимуту порядка нескольких метров. Область формирования отклика лесного полога на зондирующий импульс сужается по площади до единиц квадратных метров с точностью пространственной привязки самой области формирования отклика в единицы сантиметров. Определение биометрических параметров на указанной области проводится наземными методами. Таким образом, появляется возможность получения необходимого набора параметров для разработки адекватной электрофизической модели лесного слоя и для решения обратной задачи дистанционного зондирования – восстановление параметров древостоя леса и его биомассы. Как показано в диссертационной работе, импульсные сигналы длительностью 10нс проходят на значительную глубину и более приемлемы для решения задачи восстановления горизонтальной структуры древостоя. Тем не менее, вопрос о оценке ослабления радиоволн лесными средами всегда вызывает повышенный интерес.

Экспериментальные результаты сверхкороткоимпульсного зондирования хвойных лесов

Для оценки ослабления волн в случае сверхкороткоимпульсного излучения в хвойных лесах проведена серия экспериментов на участках сосновых лесов, различающихся основными таксационными параметрами [46,47]. По сравнению с лиственными лесами, сосновые леса характеризуются двухъярусной структурой – нижний ярус состоит из стволов деревьев, верхний ярус представляет собой кроны деревьев. Участок соснового леса где была проведена первая серия экспериментов, расположен вблизи г. Улан-Удэ и представляет собой молодой сосновый лес (рисунок 16 а). Участок леса был разбит на квадраты со сторонами 10 м, внутри квадрата определено положение каждого дерева и проведены обмеры его высоты и диаметра (рисунок 16 б).

Таким образом получены следующие средние параметры - плотность iV = 0,043 дер/м2, высота Н = 15 м, диаметр D = 17 см. Методика измерений заключалась в следующем. Расстояние до кромки леса от места установки радара составляло 50 метров, высота антенны относительно поверхности земли составляла 1,5 м. Затем проведены измерения, заключающиеся в сканировании данного участка леса в пределах относительного азимута ±13 с шагом 3 при угле места 0. При каждом угле сканирования производилась запись сигнала. Осциллограмма отраженного сигнала по одной из трасс представлена на рисунке 17, где пунктирной линией показана аппроксимация линейной регрессией.

Второй тестовый участок расположен в пригороде г. Улан-Удэ (район «Верхняя Березовка») и представляет собой участок однородного соснового леса в возрасте до 90 лет (рисунок 18 а). Согласно принятой методике предварительно был составлен план данного участка (60х90 м2), на котором также отмечены положения деревьев (рисунок 18 б). Проведена таксация участка, при которой были выполнены обмеры высот и диаметров деревьев. По результатам обмеров рассчитан запас стволовой древесины (таблица10), средняя плотность всего тестового участка составляет 0,048 дер/м2.

Запас древостоя для данного участка леса составил 164 м3/га, что позволяет отнести его к более высокому классу бонитета относительно «среднего» леса. Параллельно кромке леса проложена автомобильная дорога, что позволило использовать альтернативную методику. При проведении эксперимента использована схема многопозиционного сканирования, при которой набор проекций формируется из регистрируемых осциллограмм при перемещении радара параллельно, вдоль границы леса. Съемка проводилась через каждые 1,5 метра, что соответствует разрешающей способности радара по дальности.

На рисунке 19 представлена экспериментальная осциллограмма усреднённая для всех трасс. Осциллограмма представляет график зависимости амплитуды отраженного сигнала от времени его прихода в систему регистрации. Значения уровня отраженного сигнала отложены по вертикали, по горизонтали -время прихода сигнала в пересчете на расстояние.

Огибающая отраженных импульсных сигналов принимается за аналитический сигнал. Как следует из представленного графика, амплитуда аналитического сигнала монотонно убывает с расстоянием, что обусловлено ослаблением в лесной среде. Пики осциллограммы соответствуют отражениям от отдельных деревьев или группы близко стоящих деревьев в пределах поперечного разрешения диаграммы направленности антенны. Оценка ослабления произведена на основе линейной аппроксимации аналитического сигнала. Отметим, что характер осциллограмм для различных проекций остается относительно постоянным, что объясняется однородностью данного участка леса. Для перевода величины отраженного сигнала в уровень мощности входного сигнала в дБ используется вольт - ваттная характеристика приемника радара из технической докумнетации. Усредненное значение коэффициента погонного ослабления по всем трассам составляет порядка 0,2дБ/м.

В качестве третьего тестового участка был выбран участок соснового леса Степнодворецкого лесничества, это один из 18 эталонных лесничеств России. Оно расположено на восточном побережье оз. Байкал и в геоморфологическом отношении представляет прибайкальскую равнину со средней высотой 477 метров над уровнем моря. Для проведения экспериментов был определен участок однородного соснового леса, на котором, в свою очередь, были измерены его таксационные характеристики. Участок леса был разбит на квадраты со сторонами 10х10м, составлен план данного участка с нанесением расположенных деревьев и произведен обмер их высот и диаметров. Получены следующие параметры: средний диаметр деревьев равен 21,84см, средняя высота составила 17м, и средняя плотность – 14,05дер./100м2. При этом среднее расстояние между деревьями составило 2,67м. Общий вид тестового участка леса со стороны автомобиля и измерительный комплекс показан на рисунке 20. Первая серия экспериментов была проведена с использованием измерительного комплекса, в состав которого входят наносекундный радар с рабочей частотой 10ГГц и длительностью импульса 10нс, цифровой осциллограф TDS 1012 и ноутбук. Использована горизонтальная схема локации леса, при этом расстояние от радара до кромки леса составило 30 метров. В качестве аналитического сигнала на рисунке 21 приведена одна из реализаций отраженного сигнала. При данной геометрии задачи основной вклад в результирующее поле вносит отраженные сигналы от стволов деревьев. За аналитический сигнал принимается огибающая отраженных импульсных сигналов, при этом локальные максимумы соответствуют отражения от отдельных деревьев. Этот эффект объясняется разрешающей способностью данного радара, составляющей 1,5 метра с учетом среднего расстояния между деревьями.

Экспериментальные результаты коэффициента обратного отражения от лесных сред в Х-диапазоне с использованием сверхлегкой авиации

Одна из проблем при выполнении экспериментов по определению КОР от леса и других природных объектов заключается в том, что углы падения близкие к надиру труднодостижимы при использовании высотных матч. Выходом является установка оборудования на летательные аппараты. В отличие от самолетов или вертолетов, сверхлегкая авиация обладает достоинствами - менее требовательна с точки зрения инфраструктуры, более экономна, более оперативна, не требует согласований полетных маршрутов, используется уведомительный порядок использования воздушного пространства и др. Этот этап работ был проведен летом 2014 года в рамках международной российско-швейцарской научно-исследовательской экспедиции «Трансъевразийский перелет: Леман-Байкал». Исследования проводились с использованием дельталетов, с помощью которых можно исследовать различные природные объекты на обширных территориях. В целях определения КОР для углов от 5 до 20 наносекундный радар был установлен на борт дельталета «Фрегат». Конструкция «Фрегата» позволяет установить радар, не нарушая в целом конструкции дельталета и его центровку (рисунок 40).

В элементах конструкции дельталета линия горизонта, по которому в дальнейшем ориентировалась антенна радара. Было предусмотрено независимое от бортового питание оборудования, возможность изменения углов облучения в полете, предусмотренным для этого рычагом с нанесенными рисками и фиксатором.

Измерения проведены в районе дельты реки Селенга, территория которой охватывает различные типы поверхности, включая лесные массивы разных типов, открытые поля с растительностью и без нее, водную поверхность (рисунок 41.)

Система крепления радара позволяет менять углы облучения в пределах от пяти градусов от нормального падения до 20 при облучении назад с фиксацией антенны в определенных положениях. В данном эксперименте измерения проводились при трех углах – 5, 15, 20. Запись сигнала при одном угле падения занимает несколько секунд, затем осуществляется операция изменения угла с фиксацией антенны. Все операции осуществляются во время движения дельталета. Для того, чтобы получить значение коэффициента обратного отражения от конкретного участка поверхности при различных углах, данная поверхность должна быть постоянной в пределах ячейки разрешения. Таким образом необходимо, чтобы исследуемые объекты были достаточно протяжёнными и однородными все время пролета над данным участком поверхности. В случае водной поверхности и открытого поля выполнение данного условия не представляло трудностей. При измерениях над лесом схема маршрута была выбрана так, чтобы трасса проходила над однородными участками соснового леса, далее над участками смешанного (береза, сосна) и березового леса (рисунок 41.). При этих измерениях дополнительным обоснованием постоянства является использование парабалической антенны с узкой диаграммой направленности (5) и малая длительность импульса (10нс). При высоте полета 230 метров диаметр облучаемого «пятна» поверхности составляет 14 метров. В этом случае большую роль играет опыт оператора, чтобы провести съемку конкретного участка леса.

Графики отраженного сигнала для поля с низкой травяной растительностью приведены на рисунке 42 при трех углах визирования. По оси ординат отложен уровень сигнала в вольтах, по оси абсцисс – дальность в метрах. Отметим, что форма отраженного сигнала и его уровень практически неизменны при всех углах падения. гр.

Графики отраженных сигналов для соснового леса представлены на рисунке43. Здесь стоит отметить два пика отраженного сигнала, первый из которых соответствует отражению от верхнего полога леса, второй – отражению от поверхности земли, причем форма второго пика совпадает с отраженными сигналами от чистого поля. Для спелых сосновых лесов характерно наличие двухярусного полога – нижнюю часть (до половины высоты леса) занимают чистые стволы, без веток и сучьев, а верхнюю, относительно малую часть до 10% от общей биомассы, крона деревьев.

Приведенные графики при 5 позволяют непосредственно оценить среднюю высоту леса по данным измерениям. Определенная таким образом высота леса составляет 18 метров. Ранее на этом же участке леса проводились наземные измерения, в ходе которых были определены таксационные параметры, включая обмеры деревьев по высоте и диметру стволов. Полученная оценка средней высоты деревьев совпадает с ранее измеренными высотами деревьев. Небольшие отличия первого пика отраженного сигнала обусловлены тем, что съемка проводилась во время движения, таким образом в поле обзора антенны попадали различные участки леса с различной плотностью древостоя.

Результаты измерений для смешанного и березового лесов представлены соответственно на рисунках 44, 45.

Здесь также выделяются сигналы, отраженные от лесов и земли. Однако величина отраженного сигнала от леса существенно превосходит отражение от земли, что опять же обусловлено структурой леса. В березовом лесу крона занимает практически все пространство. Кроме того, в таких лесах характерно наличие подлеска и густого кустарника. Наличие множества переотражений приводит к видоизменению как формы отраженного сигнала, так и его величины. Уменьшение величины отраженного сигнала от поверхности земли объясняется тем, что при двойном прохождении сквозь лесной полог сигнал испытывает существенное ослабление. Результаты измерений над водной поверхностью на рисунке 46.

Радиотомография лесных сред

Подходы к решению указанных задач предложены в работах [61, 62, 63], в которых показано, что задача томографии может быть решена не только в классическом случае поглощающей среды, чему соответствуют различные методы обращения преобразования Радона, но и в случае учета произвольного постоянного поглощения в среде.

Экспериментальные данные для построения томограммы были получены с помощью мобильного измерительного комплекса, в состав которого входят: твердотельный наносекундный радар, USB-осциллограф и ноутбук для регистрации и записи сигнала. При проведении измерений производится настройка осциллографа по уровню и времени прихода отраженного сигнала. В памяти АЦП осциллографа формируется сигнал со следующими параметрами: t – время прихода сигнала, U – уровень отраженного сигнала. Шаг дискретизации составляет 40нс. Специальная программа чтения АЦП формирует файл в формате csv. Полученные данные переформатируются следующим образом - время прихода отраженного сигнала пересчитывается в расстояние, а уровень отраженного сигнала, при последующей обработке, в децибелы.

Отметим ряд специфических особенностей СКИРЛ, к числу которых относится высокая разрешающая способность, высокая контрастность отражений от объектов, высокая точность измерения дальности до объекта, а также ряд других особенностей, отличающих ее от традиционной радиолокации. Например, разрешающая способность радара, то есть минимальное расстояние на котором выделяются два объекта, определяется длительностью зондирующего импульса как сг,./2, где с - скорость света, т{ - длительность импульса. При г. =10 нс разрешающая способность составляет 1,5 метра, что приблизительно соответствует половине среднего расстояния между деревьями для леса средней густоты. В случае традиционной радиолокации при тг = 1 мкс разрешение будет на два порядка хуже. Таким образом, в случае СКИРЛ реализуется достаточно высокое пространственно-временное разрешение.

В ходе экспериментальных исследований была выявлена еще одна особенность СКИРЛ, а именно - регистрация отраженного сигнала при его прохождении на большое расстояние вглубь лесной среды. Сочетание данных особенностей СКИРЛ является основанием для радиотомографии лесных сред. Традиционно изображение в томографии формируется по измеренной синограмме объекта (cогласно ГОСТ Р МЭК 61675-1-2006 синограмма - это двумерное изображение всех одномерных проекций объекта как функция проекционного угла). Проекционный угол изображения отображается по ординате, линейные координаты проекции отображаются по абсциссе. На рисунке 55 условно показана схема измерений, где стрелками указаны направления сканирования. Справа на этом же рисунке приведена одна из записей отраженного сигнала, показывающая распределение амплитуд сигнала от расстояния.

Натурные исследования проводились на территории Кабанского заказника, относящегося к одному из 18 эталонных лесничеств России. Для проведения измерений выбирались участки однородных сосновых лесов с выраженной двухъярусной структурой (стволы, крона).

Территория заказника разбита на кварталы, разделенными ровными просеками шириной 50м. Таким образом, реализованы практически идеальные условия для стандартизированных измерений. В других случаях возможен метод однопозиционной радиотомографии, когда набор проекций формируется за счет углового сканирования, например, [63]. На рисунке 56 представлен общий вид тестового участка с измерительным комплексом.

Вдоль кромки леса предварительно размечались трассы с отметками через 3 метра. Направление сканирования перпендикулярно кромке леса, что согласуется с методикой измерений. В определенной точке проводятся измерения, далее мобильный комплекс передвигается на следующую точку измерений вдоль трассы и следует повтор измерений.

Результаты измерений по нескольким трассам приведены на рисунке 57, где по оси абсцисс указана дальность в метрах, по оси ординат – уровень отраженного сигнала в мВ. Как показывают экспериментальные осциллограммы, глубина зондирования достигает 150 метров. На осциллограмме отдельные пики соответствуют отражениям от отдельных стволов.

Основной вклад в результирующее поле при данной геометрии задачи вносят отраженные сигналы от стволов деревьев. Качественным обоснованием для такого утверждения является распределение массы сосны по ее составляющим (таблица13) [64].

Таким образом, основная надземная масса для спелых деревьев сосредоточена в стволах деревьев. Для перехода с временной формы сигнала к частотной использован метод быстрого преобразования Фурье (БПФ). Спектральное представление отдельной реализации случайного процесса (в нашем случае осциллограмма отраженного сигнала) есть

Используем метод итерационной фильтрации различных гармоник спектра аналитического сигнала для исключения влияния низко- и высокочастотных компонент спектра при решении задачи оптимизации аналитического сигнала для приведения к соответствию сигнала к реальному расположению объектов лесной среды. Как известно, для фильтрации высокочастотных гармоник, при котором данный случайный процесс заменяется другим процессом, у которого спектральная плотность мощности постоянна и равна Fmax в пределах эффективной полосы частот Дяьф., определяется из условий равенства средних мощностей обоих процессов:

Определим эффективную ширину спектра из условия наименьших значений спектра мощности на границе этого частотного интервала на уровне 0,1Fmax. С использованием передаточной функции получим редуцированный спектр (рисунок 59 а). Полученный восстановленный сигнал методом обратного преобразования Фурье показан на рисунке 59 б.

Полученный график содержит более ярко выраженные максимумы, соответствующие отражениям от наиболее структурированных объектов, в нашем случае от стволов деревьев. Аналогичные операции также были проведены для других осциллограмм, полученных при сканировании леса с той же позиции.

Таким образом, здесь наглядно представлены указанные выше особенности СКИРЛ, а именно, контрастность отражений, высокое разрешение по дальности. Еще одним выявленным отличием СКИРЛ от традиционной радиолокации является возможность зондирования отдельных «затененных» деревьев, связанный с эффектом дифракционного проникновения радиоволны в область тени деревьев, стоящих друг за другом вдоль линии сканирования. Подтверждением данного эффекта служит сопутствующий эксперимент, проведенный во время ремонтных работ на научном стационаре. Направление облучения выбиралось так, что первый столб визуально закрывал за собой все остальные (рисунок 60а). Всего освечивалось 5 столбов (рисунок 60б), а результаты измерений представлены на рисунке 60в. Как видно из осциллограммы, отражения от столбов, имитировавших «затененные» стволы деревьев, четко отражены в виде отдельных пиков до расстояния порядка 40метров. Данные эффект играет весьма существенную роль при сверхкороткоимпульсном зондировании лесных сред, поскольку в отличие от лазерных и ультразвуковых методов позволяет проводить измерения, не ограничиваясь визуальной видимостью. Соответственно увеличивается площадь съемки по сравнению с другими методами.