 |
"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 10, 2002 |
 |
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЛЕСНОГО ПОЛОГА
В.П. Якубов*,e-mail: yvlp@ic.tsu.ru;, Е.Д. Тельпуховский*, Г.М.Цепелев*,
В.Л. Миронов**, В.Б. Кашкин** .
*Томский государственный университет,
**Красноярский научный центр СО РАН
Получена 28 октября 2002 г.
Описываются результаты экспериментального исследования эффектов, возникающих при локации лесного покрова Земли с использованием импульсного сверхширокополосного радиоизлучения. Остронаправленные передающая и приемная антенны, ориентированные под скользящим углом на лесной полог, располагалась на высоте 21 м над землей на специальной вышке. Для юстировки и калибровки измерений использован уголковый отражатель. Эксперименты проводились на полигоне Института леса им. В.Н.Сукачева КНЦ СО РАН. Полученные данные важны для повышения надежности системы аэрокосмического зондирования Земли.
В настоящее время отмечается все возрастающая роль аэрокосмических информационных технологий, основанных на применении радиотехнических систем в микроволновом диапазоне радиоволн в задачах охраны окружающей среды и, в частности, в оценке биологического и экологического состояния бореальных лесов планеты. Для правильной интерпретации данных аэрокосмического зондирования лесных покровов необходима адекватная модель взаимодействия радиоизлучения с лесом. Настоящая работа является продолжением теоретических и экспериментальных работ, начатых авторами в этом направлении [1-5]. В работе приводятся последние экспериментальные результаты, полученные методом сверхширокополосного радарного зондирования «эталонной сцены» лиственничного полога. Экспериментальные данные являются ключевыми для построения электрофизической модели лесного полога.
Известно большое число моделей локационного рассеяния электромагнитных волн на лесном пологе, основа которых заложена в работах [6-8]. Характерной особенностью этих моделей являются подходы, которые рассматривают лесной полог как объект, состоящий из совокупности большого количества рассеивающих 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.
Лесная среда, в общем случае, представляет собой сложную неоднородную среду для распространения радиоволн, стандартные подходы к описанию которой не вполне приемлемы. Лесной полог является композиционной средой, включающей в себя как непрерывные, так и дискретные образования, описание взаимодействия электромагнитного излучения с которыми существенно различается. Представление лесного полога как слоистой случайно-неоднородной среды, характеризующейся эффективной диэлектрической проницаемостью [1-5,9-11], хотя и дает достаточно точное решение прямой задачи дистанционного зондирования и возможность определения средней высоты древостоя при решении обратной задачи, представляет определенные трудности для практического использования. Эти трудности связаны с методическими возможностями определения функциональной (статистической) связи диэлектрической проницаемости от биометрических (лесотаксационных) параметров лесного покрова для больших территорий, обусловленных слабым пространственно-временным разрешением узкополосных радаров.
Теоретически было предсказано [1-3] и экспериментально подтверждено [5] существование двух механизмов прохождения волн сквозь лесную среду. Первый механизм – это прямое прохождение волн сквозь всю толщу леса, характеризующееся экспоненциальным ослаблением с расстоянием. Второй механизм – это механизм боковой волны, при котором траектория волны искривляется и большая её часть проходит над лесом. Ослабление при этом описывается степенным законом. Какой их этих механизмов доминирует при радарном зондировании, можно ответить с использованием метода сверхширокополосного радарного зондирования лесного полога, при котором исключаются практически все трудности в интерпретации результатов зондирования, присущие зондированию узкополосными системами. Сверхширокополосные радары в микроволновом диапазоне радиоволн позволяют получать разрешение по дальности порядка единиц сантиметров и по азимуту порядка нескольких метров. Таким образом, 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 (лесотаксационных) параметров древостоя на указанных площадях не представляет трудностей.
Таким образом, возникает возможность получить необходимый набор параметров для разработки адекватной электрофизической модели лесного полога и, в конечном счете, для решения обратной задачи дистанционного зондирования - восстановления биометрических (лесотаксационных) параметров лесного полога.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
В Томском государственном университете был разработан и изготовлен действующий макет импульсного сверхширокополосного радара (Рис.1), спектр зондирующего сигнала которого занимал полосу от 0.5 до 3.5 ГГц. Испытания сверхширокополосного радиолокатора были проведены в августе 2002 года на полигоне Института леса им. В.Н.Сукачева Красноярского научного центра СО РАН .
Рис. 1. Сверхширокополосный импульсный радиолокатор для зондирования лесного покрова и уголковый отражатель
В ходе проведенных экспериментов были получены радиолокационные отклики лесного покрова на наносекундные импульсные сигналы. Для зондирования была задействована 40-метровая металлическая вышка (рис.1). Радиолокационный комплекс располагался на промежуточной площадке, имеющей высоту 21.3 м (Рис. 2). Передающая и приемная антенны параболического типа имели диаметр 1,6 м, а в качестве облучателей использовались сверхширокополосные излучатели собственного изготовления с полосой пропускания 1-12 ГГц при обеспечении КСВН не выше 1,2. В экспериментах была использована горизонтальная поляризация волн. Выбранное расположение приемопередающих антенн создавало полную имитацию аэрокосмической схемы зондирования. Для зондирования был выбран однородный лиственничный лес 35-летнего возраста со средней высотой 16 м. Подстилающий земной покров состоял из листвиничного опада толщиной 7 см и имел горизонтальный наклон порядка 3 о, как показано на рис. 2. Для проведения калибровочных измерений использовался уголковый отражатель, имеющий размер каждой грани 1 м (Рис.1).
Рис. 2. Схема радиолокации лесного полога
Рис. 3. Блок-схема радиолокатора
Блок-схема радиолокатора приведена на рис. 3. Основу радиолокатора
составляет специально разработанный полупроводниковый генератор импульсных
сверхширокополосных сигналов, с длительностью импульса 
нс и длительностью
фронтов 
нс.
Величина пикового напряжения в импульсе равнялась 240 В. Тактовый генератор
обеспечивал частоту повторения импульсов 5 кГц. В качестве измерительного
приемника был использован стандартный стробоскопический осциллограф типа С1-70.
Типичной являлась схема измерения с длительностью временной развертки порядка
75 нс. Для регистрации сигнала на ЭВМ был разработан и изготовлен АЦП,
позволяющий оцифровывать выходные сигналы. Для проведения сканирования
отраженных сигналов по дальности в схему был введен ступенчатый генератор
сдвига, позволяющий с фиксированным шагом в 25 нс менять моменты начала стробирования
сигналов. Число ступеней (48) позволяло перекрыть диапазон радиолокационных
дальностей от 0 до 180 м.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЛЕСНОГО ПОЛОГА
На рис. 4 представлены примеры полученных откликов лесного полога
вместе с уголковым отражателем (кривая 1) и без него (кривая 2).
Разностный сигнал (кривая 3) может быть соотнесен с вкладом в общую
картину уголкового отражателя. Здесь временное запаздывание 
пересчитано в
радиолокационную дальность 
. На каждой дальности проведено
усреднение по 30 реализациям. Видно, что сигнал от сосредоточенной эталонной цели
(уголкового отражателя) отчетливо выделяется в шумах измерений, имеет
характерную структуру знакопеременного уравновешенного сигнала. Этот сигнал
характеризует собой форму инвертированного зондирующего импульса. Длительность
этого сигнала оценивается как 2 нс, что соответствует протяженности
импульсного объема в 60 см. При таком разрешении окружающие уголковый
отражатель отклики лесного полога могут быть отнесены к вкладам вносимым
отдельными деревьями.
С целью анализа ослабления излучения по мере погружения импульса в лесной
полог были проведены измерения импульсного отклика по всей его толщи до
уголкового отражателя. Поскольку реальный рассеянный сигнал 
является
сверхширокополосным, для оценки его амплитуды использована теория
Рис. 4. Пример изменения сигнала с расстоянием, рассеянного лесным пологом при наличии (1) уголкового отражателя на расстоянии 54 м, и без отражателя (2), а также разностного сигнала (3)
аналитического
сигнала. При этом амплитуда аналитического сигнала 
определяется как модуль
соответствующего комплексного сигнала 
, а сопряженный сигнал 
рассчитывается
с помощью преобразования Гильберта по исходному сигналу. На рис. 5
представлено изменение рассчитанной так амплитуды при 5 нс скользящем окне
усреднения. Здесь и далее временное запаздывание было пересчитано в радиолокационную
дальность 
. Видно, что в среднем можно выделить
два участка. На первом участке (до 27 м) ослабление носит преимущественно
экспоненциальный характер. В полулогарифмическом масштабе этому соответствует
прямая 1. Погонное ослабление оценивается как 20 дБ на 100 м.
Физически этому соответствует ослабление излучения при прямом прохождении
лесной толщи как поглощающей и рассеивающей среды.
Рис.5. Ослабление амплитуды импульсного сигнала с расстоянием
1 – экспоненциальный закон
2 – степенной закон
Второй участок (после 37 м) описывается степенным законом ослабления с показателем степени -2 (кривая 2). Такому характеру изменения, как ранее показано теоретически и экспериментально подтверждено другими данными, соответствует распространение волн через вершины крон деревьев, когда излучение до очередного отражающего дерева доходит за счет боковой волны, траектория которой определяется линией наименьшего ослабления излучения.
Между первым и вторым участками (от 27 до 37 м) работают оба механизма распространения волн и сигналы интерферируют. Возникает сильная изрезанность наблюдаемой картины ослабления. В деталях картина ослабления имеет множество пространственных масштабов когерентности, наиболее характерным из которых является размер кроны деревьев (порядка 2-4 м в диаметре).
Данные, относящиеся к степенному участку изменения амплитуды сигнала, были нормированы на средний ход ослабления и сопоставлены с расположением деревьев вдоль трассы распространения (Рис. 6). Положение деревьев отмечено вертикальными отрезками с кружочками вверху. Здесь были использованы результаты независимых наблюдений, проведенных в Институте леса им. В.Н.Сукачева Красноярского научного центра СО РАН и любезно предоставленные авторам работы руководителем и исполнителем этих измерений Виктором Дмитриевичем Стакановым. Авторы выражают ему свою глубокую признательность. Видно, что положение центров точек отражения может быть хорошо сопоставлено с расположением стволов деревьев.
Рис. 6. Нормированная
амплитуда сигнала в зависимости от горизонтальной дальности до точки
радиолокационного отражения и места расположения
деревьев в лесу вдоль трассы (1)
4. ОТРАЖЕНИЕ ОТ УГОЛКОВОГО ОТРАЖАТЕЛЯ
Выделенный сигнал от расположенного под пологом леса уголкового отражателя позволяет уверенно говорить о траектории прохождения этого сигнала, при которой работает преимущественно боковая волна. На рис. 7 в реальном пространственном масштабе показаны эти траектории, рассчитанные для уголкового отражателя, установленного соответственно на расстояниях 54, 56, 60 и 63 м от вышки в горизонтальном направлении. Для наглядности красной линией показан эллипс равных задержек для уголкового отражателя, расположенного на расстоянии 63 м. Звездочками отмечено пересечение эллипсов равных задержек, соответствующих различным расстояниям, с верхней кромкой лесного полога. Основой для расчета были: измеренные задержки сигнала на каждой расстоянии и геометрические параметры трассы распространения.
Рис. 7. Траектории отражения импульсов от уголкового отражателя в лесу
На рис. 8 в увеличенном масштабе показан выделенный типичный сигнал от уголкового отражателя (1). Форма этого сигнала незначительно меняется с увеличением расстояния, уменьшается в основном его амплитуда. По сути дела, этот сигнал повторяет инвертированную форму зондирующего сигнала. Кривой 2 показан характер изменения амплитуды (модуля) реконструированного аналитического сигнала. Видно, что сигнал состоит из двух независимых частей (а и б), физически связанных с крутизной нарастания и спада возбуждающего передающую антенну импульса. Кроме того, регистрируемый импульс пропорционален крутизне импульса, возбуждающего приемную антенну. Двойная структура используемого импульса хорошо видна так же на фазовом портрете импульса, представленном на рис. 9.
Тщательный анализ погрешностей и шумов измерений позволил утверждать, что они являются стационарными и вызваны главным образом инструментальными погрешностями стробоскопической системы измерений. Основная их часть связана с небольшим «дребезгом» моментов отсчета сигналов, т.е. флуктуациями моментов фиксации времени прихода отраженного импульсного отклика. На это указывает обнаруженный и представленный на рис. 10 эффект усиления флуктуаций при отражении сигнала от уголкового отражателя.
Рис. 8. Сигнал, отраженный от уголкового отражателя (1), установленного на расстоянии 54 м, и его амплитуда (2).
Рис. 9. Фазовый
портрет сигнала, отраженного от уголкового отражателя,
установленного на расстоянии 54 м
Здесь изображен
характер изменения нормированного среднеквадратического отклонения сигнала 
,
рассчитанного по 30 реализациям для каждой радиолокационной дальности. Видно,
что при отражении от сосредоточенной металлической цели «дребезг» удваивается. Стрелкой
1 отмечено положение уголкового отражателя. Это может служить еще одним
индикатором возникновения в лесу сосредоточенной цели. Этот результат имеет
самостоятельное прикладное значение для обнаружения малоразмерных объектов, укрытых
под лесным пологом.
Рис. 10. Эффект усиления флуктуаций сигнала при обратном рассеянии в лесу при наличии уголкового отражателя, установленного на расстоянии 54 м
Приведенные экспериментальные результаты убедительно подтверждают существование боковой волны при радиолокации лесных покровов. Полученные результаты имеют принципиальное значение для обработки и интерпретации данных аэрокосмического зондирования Земли.
Работа выполнена при поддержке Межотраслевой программы Министерства образования и Министерства обороны РФ № 03.01.028, гранта РФФИ № 01-02-17233-а и грантов Министерства образования РФ № Т00-2.4-2119, № Е00-12.0-249.
1. 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;
2. Магазинникова А. Л., Якубов В.П. Дуальный механизм распространения радиоволн в условиях леса // Радиотехника и электроника. 1999. Т.44, № 1. С.5-9.
3. 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.
4. 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/win/dec00/1/text.html.
5. Якубов В.П., Тельпуховский Е.Д., Миронов В.Л., Кашкин В.Б. Векторное радиопросвечивание лесного полога // Журнал радиоэлектроники, 2002, № 1, http://jre.cplire.ru/win/jan02/1/text.html.
6. Principles and Applications of Imaging Radar, Editors F. M. Henderson and A. J. Lewis, New York: John Wiley and Sons, Inc., 1998;
7. 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.
8. 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.
9. Tamir T. On Radio-Wave Propagation in Forest Environments // IEEE Trans. AP-15, No. 6, November, 1967, pp. 806-811.
10. Tamir T. Radio Wave Propagation along Forest Environments // IEEE Trans. AP-25, No. 4, July, 1977, pp. 471-777.
11. Tamir T. On the Optimization of the Ground Wave above a Dissipative Half-Space // IEEE Trans. AP, September, 1968, pp. 607-609.
 |
 |