 |
"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 1, 2002 |
 |
ВЕКТОРНОЕ РАДИОПРОСВЕЧИВАНИЕ ЛЕСНОГО ПОЛОГА
В.П. Якубов* e-mail: yvlp@ic.tsu.ru, Е.Д. Тельпуховский*,
В.Л. Миронов**, В.Б. Кашкин**.
* Томский государственный университет,
** Красноярский научный центр СО РАН.
Получена 03 января 2002 г.
Описываются результаты экспериментального исследования эффектов, возникающих при радиопросвечивании лесных покровов Земли. Передающая антенна располагалась на мачте, высоко поднятой над лесом. Прием излучения осуществлялся под пологом леса с использованием специально сконструированных векторных антенн, позволяющих в одной точке регистрировать все компоненты измеряемого поля с учетом амплитуды и фазы. Проводилось сканирование наблюдаемой картины поля в горизонтальном направлении при использовании вертикальной и горизонтальной поляризации излучения на частотах 200 и 1275 МГц. Экспериментально доказан существенно интерференционный характер этого поля, при котором отчетливо проявляются выявленные ранее два доминирующих механизма распространения волн в условиях леса – сквозь толщу полога леса и через вершины крон деревьев. Эксперименты проводились на полигоне Института леса КНЦ СО РАН.
1. Введение
2. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента
3. Результаты зондирования и электрофизическая модель лесного покрова
4. Заключение
5. Литература
В последнее время усилился интерес к аэрокосмическим методам исследования поверхности Земли, в частности лесных покровов. Основным инструментом при этом является искусственное и естественное электромагнитное излучение радиодиапазона. Для этого диапазона лес полупрозрачен. Это значит, что в отличие от оптического диапазона с помощью радиоволн лес можно исследовать на всю глубину, что особенно важно, например, для экологического мониторинга лесов как «легких планеты». Для правильной интерпретации данных аэрокосмического мониторинга лесных покровов необходима адекватная модель взаимодействия радиоизлучения с лесом, разработка которой продолжается [1].
В настоящее время известно большое число моделей локационного рассеяния электромагнитных волн на лесном пологе, основа которых заложена в работах [2, 3]. Характерной особенностью этих моделей являются подходы, которые рассматривают лесной полог как объект, состоящий из совокупности большого количества рассеивающих волны элементов (листья, сучья, ветви и побеги, стволы), каждый из которых требует для своего описания многочисленных параметров, геометрических (форма и размеры деревьев) и электрофизических (комплексная диэлектрическая проницаемость). В результате соотношения для решения обратных задач восстановления параметров леса становятся многопараметрическими, и возникают трудности для однозначной интерпретации полученных решений. Кроме этого, часто применяются подходы, основанные на уравнении переноса для интенсивности рассеянного поля, что исключает или ограничивает возможности учета и использования когерентной природы радиолокационных изображений.
В работах авторов получены экспериментальные и теоретические результаты, позволяющие описывать физическую природу когерентно рассеянного поля внутри лесного полога, рассматривая последний как слоистую случайно-неоднородную среду [4, 5]. В конечном итоге, в результате применения теории многократного рассеяния, данный подход позволил ввести усредненные электрофизические параметры лесного полога в виде эффективной комплексной диэлектрической проницаемости. Эту величину было предложено определять, из экспериментов по радиопросвечиванию лесного полога в микроволновом диапазоне [5, 6]. Как следствие этих результатов, окрылись возможности получить простые исходные уравнения для решения задачи восстановления эффективных электрофизических параметров леса [6-8]. Использование этих параметров, в свою очередь, даст возможность, в алгоритмах обработки радарных изображений, универсальным образом учесть частоту, поляризацию, угол падения электромагнитных волн, а также описать явления когерентного взаимодействия волн, распространяющихся внутри лесного полога, с почвенным покровом. При таком подходе к решению проблемы радарные изображения лесных покровов могут быть использованы для определения эффективных электрофизических параметров, характерных для конкретного типа лесной растительности при фиксированных сезонных и погодных условиях радарной съемки земной поверхности. В дальнейшем будут использоваться базы данных, связывающие эффективные электрофизические параметры с геофизическими, биометрическими, таксационными и другими характеристиками лесного полога. Этот подход является более универсальным по сравнению с прямым регрессионным анализом, так как он позволяет использовать данные радарного зондирования, полученные при произвольных углах падения, частоте и поляризации поля зондирующей волны. Последнее обстоятельство особенно важно, поскольку наибольшие надежды при зондировании лесов связываются с использованием контрастов в отражении волн ортогональных поляризаций. Интенсивные исследования в этой области, как это следует из обзора литературы, разворачиваются в США в последние 2-3 года.
В настоящей работе описывается оригинальный экспериментальный комплекс, созданный для поляризационного исследования лесных покровов с использованием ненаправленных векторных антенн. Приводится описание проведенных натурных экспериментов по наклонному радиопросвечиванию тестового участка леса. Дается физическая интерпретация полученных результатов. Эти эксперименты направлены на уточнение доминирующих механизмов в формировании полей при локации лесных покровов. Результаты являются ключевыми к выбору адекватной модели лесного покрова и построения метода его зондирования.
2. Экспериментальная установка и методика
Наиболее близкой к аэрокосмической схеме зондирования лесных покровов и, в то же время, доступной для практической реализации в земных условиях представляется схема наклонного радиопросвечивания (рис. 1). Эксперименты показывают, что в этих условиях
Рис. 1. Схема просвечивание лесного полога
принимаемое излучение есть результат интерференции нескольких волн, две из которых - это прямая волна, прошедшая сквозь полог леса, и волна, отраженная от постилающей земной поверхности, а остальные – рассеянные стволами и листвой волны.
Обычно при выполнении поляризационных измерений важным является знание направления распространения приходящей волны. В условиях интерференции выделить одно такое направление нельзя и необходимо применить ненаправленный полный поляризационный прием с использованием векторных антенн [1, 2]. На рис. 2 представлены две конструкции таких антенн. Первая из них достаточно традиционна и разработана на частоту зондирования 1275 МГц. Вторая антенна, разработанная на частоту 200 МГц, является двойной векторной антенной и состоит их соответствующим образом соединенных рамочных антенн. Эта конструкция обеспечивает регистрацию в одной точке всех шести компонент электромагнитного поля. Основу выделения электрических и магнитных
Рис. 2. Две конструкции векторных антенн
компонент поля составляет представленная на рис. 3 трансформаторная схема разделения наведенных синфазных и противофазных составляющих токов [9]. Сигнал на выходе усилителя синфазной составляющей (УСС) пропорционален составляющей напряженности электрического поля, а сигнал на выходе усилителя противофазной составляющей (УПС) – составляющей напряженности магнитного поля, ортогональной к плоскости рамки.
Рис. 3. Схема выделения электрической и магнитной компонент поля
Для осуществления автоматизированного приема и регистрации составляющих поля при зондировании леса были разработаны два комплекса, работающих на частотах 1275 МГц и 200 МГц и позволяющих использовать один стандартный измерительный приемник и одну ЭВМ (Рис. 4). Запись результатов измерений проводилась непосредственно на магнитный диск ЭВМ типа Notebook. Основу схем составляет интерферометрический метод измерения амплитуды и фазы сигнала путем только амплитудных измерений после высокочастотного
Рис. 4. Блок-схемы поляриметрических установок на частоты 1275 и 200 МГц
с простой и двойной векторными антеннами.
сложения и вычитания его с опорным сигналом. В первом варианте опорным является сигнал с вертикально ориентированного вибратора (В). Во втором случае – это сигнал с отдельной антенны (О), обладающей кардиоидной диаграммой направленности. Гибридное кольцо используется для выделения сумма-разностных сигналов. Коммутаторы 2:1, 3:1, 6:1, а также АЦП управляются по заданной программе микропроцессором и служат для использования одних и тех же элементов в разных режимах измерений.
Для проведения измерений на полигоне Института леса КНЦ СО РАН был выбран однородный участок леса, состоящего из искусственных посадок лиственницы приблизительно 30 летнего возраста со средней высотой деревьев порядка 16 м и толщиной слоя лиственного полога около 5 м. Плотность посадки имела порядок 0.5 м-2 при среднем диаметре деревьев 13 см.
Для проведения экспериментов была задействована металлическая вышка с высотой
40 м. Передающая антенна располагалась на промежуточной технологической
площадке, на высоте 21 м от поверхности земли. Использовалась
логопериодическая конструкция антенны. Смена поляризации обеспечивалась
простым поворотом плоскости поляризации антенны на
вокруг
оси излучения. Приемная векторная антенна устанавливалась под пологом леса на
переносной треноге так, что фазовый центр находился на высоте 1.6
0.1
м от поверхности земли.
3. Результаты зондирования и электрофизическая
модель лесного покрова
На рис. 5,а и рис. 5,б представлены результаты измерения ослабления поля интерференции с расстоянием D на частоте 1275 МГц для вертикальной и горизонтальной поляризаций зондирующего излучения соответственно. Выделяются два, отмеченных как 1 и 2, характерных участка изменения поля.
Первый участок (1 на рис. 5,а,б) приходится на
относительно малые расстояния (до 42 м). Здесь отчетливо виден
интерференционный характер изменения, причем амплитуда интерференционных
лепестков для горизонтальной поляризации выше, чем для
вертикальной. Штриховой линией показан средний ход ослабления поля с
расстоянием. Описывается он экспоненциальной зависимостью. Погонное ослабление
амплитуды ей соответствующей волны оценивается как
м-1.
В полулогарифмическом масштабе эта величина находится по тангенсу угла наклона
штриховой прямой линии. Использована нормировка на
значение поля при нулевом расстоянии. Можно считать, что наблюдаемая картина
есть результат интерференции в приемной антенне нескольких волн, одна из
которых это прямая волна, прошедшая полог леса, а вторая - такая же прошедшая
волна, но дополнительно еще отраженная от земли. Третья и следующие волны
обусловлены рассеянием излучения на ближайших к приемной антенне деревьях.
Вклад их относительно мал, но достаточен чтобы несколько
размыть общую интерференционную картину. На рис. 5,в
для сравнения представлены результаты
соответствующего теоретического расчета для вертикальной и горизонтальной
поляризаций поля интерференции только первых двух
волн, каждая из которых описывается известными формулами в
геометрооптическом приближении [5, 10]. Для
расчетов принято, что для леса эффективная диэлектрическая проницаемость и
удельная проводимость имеют значения
и
.
Эти значения хорошо согласуются с соответствующими оценками, найденными в
[4-6] для усредненной электродинамической модели леса. Земля под пологом леса
рассматривалась как влажная, для которой
и
.
Для горизонтальной поляризации коэффициент отражения от земли больше, чем для
вертикальной поляризации, поэтому для нее величина амплитуды интерференционных
лепестков больше.
Второй участок (2 на рис. 5,а,б) приходится на относительно большие расстояния (после 65 м). Здесь также видна интерференционная картина, но характер изменения среднего хода другой, чем для первого участка (1 на рис. 5,а,б). Характерным является и малое отличие поведения поля для вертикальной (рис. 5,а) и горизонтальной (рис. 5,б) поляризаций. Это свидетельствует о том, что угол преломления волны близок к нормальному, при котором распространение волн вертикальной и горизонтальной поляризации подобно. Объясняется это тем, что на больших расстояниях волна проникает под лесной полог через вершины крон деревьев, а не сквозь толщу полога леса [4-6]. Волна как бы выбирает траекторию наименьшего ослабления. Большую часть пути волна проходит над лесом, не испытывая экспоненциального ослабления. Экспоненциальное ослабление начинается на пути от вершин деревьев до приемной антенны. Интерферируют между собой эта волна и волна, дополнительно отразившаяся от земли. Стволы деревьев при этом мало влияют на значение поля и погонное ослабление существенно ниже, чем это имеет место для первого выделенного участка, соответствующего малым расстояниям.
На рис. 6 приведены измеренные значения коэффициента деполяризации для первого (1) и второго (2) участков интерференционной картины. Кружочками отмечены измеренные значения для горизонтальной поляризации, квадратиками – для вертикальной поляризации. Видно, что деполяризация более существенна для второго участка (2), причем максимальная деполяризация возникает в минимумах интерференционной картины. Это говорит о том, что в создании эффекта деполяризации главным образом участвуют ветки
Рис. 5. Ослабление вертикально (а) и горизонтально (б)
поляризованного излучения при просвечивании
лесного полога на частоте 1275 МГц в зависимости
от дальности,а также результат теоретического расчета (в).
деревьев. При этом равномерность распределения их ориентации в горизонтальной плоскости усиливает эффект деполяризации при распространении волны в направлении близком к вертикальному, как это имеет место для участка (2).
Рис. 6. Деполяризации излучения в зависимости от дальности.
С уменьшением частоты зондирующего излучения интерференционная картина растягивается и уменьшается погонное ослабление. На рис. 7 показаны результаты измерений на частоте 200 МГц. Зависимости, отмеченные цифрами 1 и 2 на рис 7,а и 7,б, относятся к соответствующим значениям напряженности электрического и магнитного полей. Горизонтально поляризованное излучение слабее взаимодействует со стволами деревьев, чем вертикально поляризованное излучение. Поэтому при проникновении в лес горизонтально поляризованной волны волновой фронт разрушается слабее. Как следствие электрическая и магнитная компоненты поля изменяются практически синфазно. Результаты теоретического расчета (рис. 7,в) подтверждают, что для горизонтально поляризованного излучения глубина интерференционных замираний больше, чем для вертикальной поляризации. Расчет сделан для напряженности электрической компоненты полного поля.
Рис. 7. Ослабление вертикально (а) и горизонтально (б) поляризованного излучения
при просвечивании лесного полога на частоте 200 МГц в зависимости
от дальности, а также результат теоретического расчета (в).
Приведенные на рис. 7 результаты соответствуют прямому прохождению волны сквозь лесной полог. На выбранных расстояниях второй механизм распространения волны (через вершины крон деревьев) не проявляется, поскольку на частоте 200 МГц соответствующее численное расстояние увеличивается более, чем в 6 раз по сравнению с частотой 1275 МГц. Ожидаемый эффект может наблюдаться на расстояниях больших 300 м. Такие измерения нами не были проведены.
Проведенные эксперименты по наклонному радио просвечиванию позволили выявить доминирующие механизмы взаимодействия излучения с лесным пологом. Основными являются: на малых расстояниях - прямое прохождение излучения сквозь толщу леса и на больших расстояниях - прохождение излучения через вершины деревьев, при котором погонное ослабление излучения заметно уменьшается. В обоих случаях влияние характеристик подстилающей земной поверхности является существенным, и именно оно определяет основной уровень отраженного поля. Уровень деполяризации при наклонном просвечивании зависит от распределения ориентации веток деревьев и, по-видимому, может быть использован для идентификации типов лесных пород.
Полученные результаты могут быть применены для улучшения алгоритмов тематической обработки аэрокосмических снимков лесных покровов в радиодиапазоне с использованием метода синтезированной апертуры.
Работа поддержана:
· Программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направления науки и техники» (проект № 02.01.014),
· Программой сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства обороны Российской Федерации по направлению «Научно-инновационное сотрудничество» (проект № 03.01.028),
· Грантами МО РФ № Е00-12.0-249, МО РФ № Т00-2.4-2119 и РФФИ № 01-02-17233-а.
1. Principles and Applications of Imaging Radar, Editors F. M. Henderson and A. J. Lewis, New York: John Wiley and Sons, Inc., 1998;
2. Ulaby F. T., Sarabandi K., McDonald K., Whitt M., and Dobson M. C. Michigan microwave Canopy Scattering Model // Int. J. Remote Sensing, 1990, 11(7), p.p.1223-1253.
3. Wang Y., Day J., and Sun G. Santa Barbara Microwave Backscatter Model for Woodlands // Int. J. Remote Sensing, 1993, 14(8), p.p. 1477-1493.
4. Magazinnikova A.L., Yakubov V.P. Attenuation of coherent radiation in forest regions // Microwave and Optical Technology Letters. 1998, V.19, No. 2. P. 164-168;
5. Магазинникова А. Л., Якубов В.П. Дуальный механизм распространения радиоволн в условиях леса // Радиотехника и электроника. 1999. Т.44, № 1. С.5-9.
6. Magazinnikova A.L., Yakubov V.P. A dual model of the forest as a radio wave propagation medium // Proceedings of 2000 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2000), Furuoka, Japan, 2000, 3F2-7.
7. Якубов В.П., Булахов М.Г., Буянов Ю.И. Поляризация поля интерференции при отражении электромагнитной волны от границы раздела сред // Изв. вузов, Физика, 1996, № 10, с. 65-70.
8. Якубов В.П., Тельпуховский Е.Д., Чуйков В.Д., Булахов М.Г., Малышев Д.В. Векторная структура излучения, отраженного лесным покровом Земли // Журнал радиоэлектроники, 2000, № 12 http://jre.cplire.ru/jre/aug99/1/text.html.
9. Бульбин Ю.В., Буянов Ю.И., Винокуров А.А., Чуйков В.Д., Якубов В.П. Активная петлевая антенна // Заявка на патент 16 окт. 2001, 20011127333.
10. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.
 |
 |