Исследование взаимодействия электромагнитного излучения с лесным пологом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Новик, Сергей Николаевич

• Новик, Сергей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Новик, Сергей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В ЛЕСНОМ ПОЛОГЕ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Экспериментальные работы по исследованию распространения и рассеяния радиоволн лесными покровами.

1.2. Моделирование процессов распространения УКВ в лесной среде.

1.3. Данные об электрических и рассеивающих свойствах элементов лесной растительности.

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХВОИ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Аппаратура и методика измерения электрофизических характеристик хвои.

2.3. Уравнения пересчета поляризуемости в погонный импеданс и диэлектрическую проницаемость хвои.

2.4. Экспериментальные результаты электрических параметров хвои

2.5. Резюме.

ГЛАВА 3. РАССЕИВАЮЩИЕ СВОЙСТВА СТВОЛОВ ХВОЙНОГО ДРЕВОСТОЯ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Теоретический расчет ЭПР стволов древостоя.

3.3. Аппаратура, метод и методика экспериментальных исследований ЭПР стволов реального древостоя.

3.4. Результаты экспериментальных исследований ЭПР стволов древостоя.

3.5. Резюме.

ГЛАВА 4. ДИСПЕРСИОННЫЕ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОСЛАБЛЕНИЯ РАДИОВОЛН В ЛЕСУ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Лесотаксационная модель лесного полога.

4.3. Рефракционная модель лесного полога.

4.4. Аппаратура и методика измерения функции ослабления электромагнитного излучения лесным пологом.

4.5. Результаты исследования функции ослабления излучения в лесу на "малых" расстояниях.

4.6. Результаты исследования функции ослабления излучения в лесу на "больших" расстояниях.

4.7. Анализ и сравнение экспериментальных данных.

4.8. Резюме.

ГЛАВА 5. СТАТИСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВАРИАЦИЙ АМПЛИТУДЫ ПОЛЯ И ТОНКАЯ СТРУКТУРА НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ЛЕСА.

5.1. Постановка задачи.

5.2. Временные флуктуации амплитуды поля в лесу.

5.3. Спектральный анализ пространственного распределения флуктуаций амплитуды поля и тонкая структура неоднородностей • леса.

5.3.1 Корреляционный анализ пространственных вариации. амплитуды поля.

5.3.2 Поперечное распределение флуктуаций амплитуды поля.

5.3.3 Продольное распределение флуктуаций амплитуды поля.

5.3.4 Высотная зависимость амтитуды поля метрового и дециметрового диапазонов в лесу.

5.4. Частотные корреляционные свойства амплитуды электромагнитного поля в лесу.

5.6. Резюме.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование взаимодействия электромагнитного излучения с лесным пологом»

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.

3. Проверка применимости известных механизмов ослабления радиоволн для широкого диапазона частот.

4. 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.

5. Исследование пространственно-временных и частотных корреляционных и спектральных свойств флуктуаций 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 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 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

1. Экспериментальное определение электрофизических характеристик хвои, таких как комплексная ДП, поляризуемость, погонное сопротивление и их взаимосвязь.

2. Теоретический расчёт и экспериментальное определение эффективной площади рассеяния (ЭПР) стволов древостоя.

3. Применение рефракционной модели к лесу в виде случайно неоднородной сплошной среды с дискретными неоднородностями.

4. Экспериментальное исследование основных механизмов ослабления радиоволн в лесных массивах в широком диапазоне длин волн.

5. Оценка возможности восстановления лесотаксационных характеристик леса, используя построенную рефракционную модель лесного полога и полученные экспериментальные данные ослабления амплитуды электромагнитного поля в лесу.

6. 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

1. 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 %.

2. 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.

3. 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

1. Получены количественные результаты электрофизических и радиолокационных характеристик хвои и стволов основных хвойных пород деревьев бореальных лесов.

2. Решена задача дифракции плоской электромагнитной волны на импедансном цилиндре, покрытом слоем диэлектрика, позволяющая рассчитать значения ЭПР стволов древостоя.

3. Получены выражения, связывающие ДП, погонный импеданс и поляризуемость хвои при представлении её в виде проводника с большими потерями, что установлено из проведенных экспериментов.

4. Приведены количественные оценки зависимости коэффициента ослабления излучения "эталонным" лиственничным лесом от частоты и расстояния между корреспондирующими пунктами в УКВ диапазоне с учетом поляризации излучения.

5. Показана практическая применимость рефракционной модели к описанию электрофизических характеристик леса.

6. Экспериментально установлена анизотропия в корреляционных свойствах продольных и поперечных вариаций уровня поля УКВ в лесу.

7. Получены экспериментальные профили высотного распределения амплитуды поля боковой волны в лесном пологе в зависимости от частоты и поляризации.

8. 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 элеетромагнитного 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. и

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.

Можно 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

Сверхширокополосньге 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 B.JI. 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.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Новик, Сергей Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты экспериментальных исследований хвои показали, что материал хвои всех пород можно рассматривать как проводник с большими и потерями, что дало возможность получить простые выражения, связывающие

ДП, погонный импеданс и поляризуемость с погрешностью не более 1%. Погонное сопротивление хвои является комплексным с реактивной составляющей емкостного типа в 2-5-7 раз превышающей значение резистивной составляющей. Значение резистивной составляющей погонного сопротивления зависит от породы и влажности хвои, достигая значений от десятков до сотен кОм/м. При известной площади поперечного сечения хвои от погонного импеданса можно перейти к комплексной ДП. Зависимость ДП от влажности возможно аппроксимировать двумя ломанными кривыми, с точкой излома при весовой влажности порядка 10 - 15 %, определяющей переход от связанной к свободной влаге в хвое.

Частотная зависимость погонного сопротивления для хвои кедра имеет слабо выраженный резонансный характер в области частот 5.1-5.2 ГГц.

Предложена классификация и модели реальных стволов древостоя на основе электрофизических свойств строения ствола: диэлектрический и импедансный цилиндры, импедансный цилиндр, покрытый слоем диэлектрика. Получено строгое решение задачи дифракции плоской электромагнитной волны для последней модели ствола, позволяющее рассчитать значения ЭПР. Качественная зависимость ЭПР от диаметра импедансного цилиндра близка к металлическому, но для импедансного цилиндра значения ЭПР в целом несколько ниже, чем для металлического, что обусловлено наличием дополнительных потерь. Зависимость ЭПР от толщины диэлектрического слоя на импедансом цилиндре со слоем диэлектрика имеет резонансный характер. 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).

Приведено решение задачи дифракции сферической волны на цилиндре и показано, что погрешность измерений рефлектометрическим методом моностатической радиолокации при учете сферичности волны не превышала

8%.

Получены экспериментальные значения величины погонной ЭПР для пяти пород древостоя различного диаметра. ЭПР всех пород сильно зависят от ракурса облучения, разброс значений достигает 70%. Наблюдается линейная зависимость ЭПР от диаметра для стволов с гладкой корой (сосна, пихта). У стволов одной породы с переходом от гладкой коры к шероховатой линейная зависимость нарушается и носит экстремальный характер (ель d = 10cM <5{1)=4.5см и d = \AcM а0)~А.\см, лиственница d=\\.&cm ст(/) = 2.9см и d = \5cm ст(/)=2.2сд<, и кедр d = \%.5cm сг(г) = 3см и с/= 15.3cw о("=4.1а().

Представлены экспериментальные данные температурной зависимости ЭПР при переходе температуры ствола от отрицательной к положительной, благодаря чему было выявлено, что основной вклад в мощность отражённой волны вносит поверхностный слой образца примерно в 2-3 см. При отрицательных температурах значение ЭПР стволов уменьшается практически в 3 раза за счет присутствия в стволе льда, вместо воды, что говорит о сильной зависимости ЭПР от времени года, когда проводятся исследования. При присутствии влаги на поверхности ствола (во время или после дождя) значение ЭПР возрастает практически в два раза по сравнению со значением ЭПР сухого ствола.

Экспериментально определено распределение влажности вдоль поперечного сечения ствола. Для всех исследуемых пород деревьев наблюдается небольшой разброс относительной влажности, которая увеличивается к краю ствола и имеет небольшой максимум в центре.

Оценены значения эффективной ДП леса и погонного ослабления излучения в лесу как двухслойной среды, состоящей из кроны и стволов, посредством построенной рефракционной модели лесного полога.

Для сопоставления данных ослабления излучения в лесу, полученных с помощью рефракционной модели с истинным ослаблением радиоволн, а также для нахождения поляризационных особенностей спектральной зависимости ослабления радиоволн были проведены экспериментальные исследования функции ослабления в лесу в зависимости от частоты и поляризации электромагнитного излучения на различных расстояниях между излучателем и приемником.

Проведенное исследование показало реальное существование двух механизмов распространения волны, проходящей через лесной полог.

Первый связан с экспоненциальным ослаблением прямой волны, распространяющейся в лесной среде. Это ослабление минимально для низких частот и горизонтальной поляризации излучения. Найдены численные значения коэффициента погонного ослабления радиоволн в лесу в диапазоне 0.2 - 1 ГГц. Частотная зависимость погонного ослабления имеет линейный характер и изменяется, в среднем, от 0.05до 0.19 дБ-м-^ при изменении частоты в пределах 0.2 - 1 ГГц, соответственно. При этом погонное ослабление для вертикальной поляризации больше чем для горизонтальной в среднем на 0.046±0.002 дБ-м-1.

Второй механизм связан с некогерентным рассеянием излучения кронами деревьев вблизи точки приема, погруженной в лес. Этот тип ослабления отчетливо проявляется на расстояниях больших 60 м и частотах выше 400 МГц. Ему свойственна слабая зависимость от поляризации и частоты, что объясняется в основном почти вертикальным направлением распространения волны через толщу леса. Найден аппроксимационный параметр степенной функции ослабления, который в данном случае слабо зависит от частоты и поляризации, что связано с "малым" размером области взаимодействия электромагнитного излучения со средой, т.е. с малой высотой крон древостоя (в среднем 5 м).

Наблюдается хорошее согласие (различие не более 6 %) данных погонного ослабления в лесном пологе, рассчитанных с помощью рефракционной модели и экспериментально полученных при исследовании функции ослабления электромагнитного излучения в лесном пологе, проводившиеся на "эталонной сцене" лиственничного древостоя.

Показана возможность определения лесотаксационных параметров исследуемого древостоя, таких как плотность посадки деревьев и объемное содержание кроны леса, по данным ослабления радиоволн в лесу с точностью не хуже 7 %.

Проведенное исследование пространственно-временных и частотных свойств амплитуды электромагнитного поля при распространении радиоволн через лесной массив показало наличие как быстрых, так и медленных флуктуации уровня поля в лесу, резко зависящих от расположения приемного пункта, частоты и поляризации электромагнитного излучения.

Радиус корреляции продольных пространственных вариаций поля намного превышает радиус корреляции поперечных вариаций. Причем в поперечном распределении поля радиус корреляции составляет единицы -десятки сантиметров, а в продольном - единицы метров в зависимости от частоты и поляризации.

Подтвержден двойной степенной спектр в распределении неоднородностей лесного полога. Причина его существования заключается во фрактальной структуре деревообразующих элементов. Для мелкомасштабных неоднородностей спектральный индекс в два раза больше, чем для крупномасштабных. Изучение баланса в распределении мелкомасштабных и крупномасштабных неоднородностей для различных пород деревьев даст ключ для надежной дифференциации их с использованием аэрокосмических методов.

Закон изменения высотного распределения амплитуды поля подтверждает наличие боковой волны в дальней области. Наблюдается экспоненциальное убывание поля от вершин деревьев до нижней границы кроны, после которой амплитуда поля изменяется незначительно.

В диапазоне частот 150-И ООО МГц с увеличением частоты "полоса пропускания" канала связи в лесном пологе уменьшается экспоненциально в среднем от 10 МГц до 0.3 МГц, соответственно.

При увеличении уровня ветра корреляционная функция временных флуктуаций поля в лесу сужается. При штиле, когда колебания деревьев отсутствуют, сигнал не коррелирован.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Новик, Сергей Николаевич, 2007 год

1. Li L.-W., Koh J.-H., Yeo T.-S., Leong M.-S., and Kooi P.-S. Analysis of radiowave propagation in a four-layered anisotropic forest environment // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, Vol. 37, P. 1967-1979, July 1999.

2. Nashashibi A.Y., Ulaby F.T., Frantzis P. and De Roo R.D. Measurements ofthe propagation parameters of tree canopies at MMW frequencies // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, Vol. 40, P. 298-304, Feb. 2002.

3. DeRoo R., Kuga Y., Dobson M.C. and Ulaby F.T. Bistatic radar scattering from organic debris of a forest floor // Proc. of IGARSS'91 Symposium, Helsinki, June 3-6 1991, Vol. 1,P. 15-18.

4. Mougin E., Lopes A. and Le Toan T. Microwave propagation at X-band in cylindrical-shaped forest components: attenuation observations // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, Vol. 28, P. 60-69, Jan. 1990.

5. Hoeknum D.H. Measurements of the backscatter and attenuation properties of forest stands at X-, C-, and L-band // Remote Sensing Environ. 1987. V. 23. P. 397-416.

6. Shinohara H., Homma Т., Nohmi H., Hirosava H., and Tagawa T. Relation between L-band microwave penetration/backscattering characteristics and state of trees // Proc. IEEE IGARSS'92. V. 1. P.539-541.

7. Hallikainen M.T., Tares Т., Hyyppa J., Somersalo E., Ahola P., Toikka M., and Pullianen Helicopter-borne measurements of radar backscatter from forests//Int. J. Remote Sensing. 1990. V. 11. P. 1179-1191.

8. Durden S.L.,Klein J.D., Zebker H.A. Polarimetric radar measurements of a forested area near Mt. Shasta //IEEE Trans. 1991. V. GRS-29. P. 441-450.

9. Koskinen J.T., Pulliainen J.T., Maekynen M.P., Hallikainen M.T. Seasonal comparison of HUTSCAT ranging scatterometer and ERS-1 SAR microwave signatures of boreal forest zone // IEEE Trans. 1999. V. GRS-37. P. 2068-2079.

10. Pulliainen J.T., Kurvonen L., Hallikainen M.T. Multitemporal behavior of L- and C-band SAR observations of boreal forests // IEEE Trans. 1999. V. GRS-37. P. 927-937.,

11. Wagner W., Lemoine G., Borgeaud M., Rott H. A study of vegetation cover effects on ERS scatterometer data // IEEE Trans. 1999. V. GRS-37. P. 938948.,

12. Moghaddam M., Saatchi S.S. Monitoring tree moisture using an estimation algorithm applied to SAR data from BOREAS // IEEE Trans. 1999. V. GRS-37. P. 901-916.

13. Magagi R., Bernier M., Ung C.-H. Quantitative analysis of RADARSAT SAR data over a sparse forest canopy // IEEE Trans. 2002. V. GRS-40. P. 1301-1313.

14. Kirdiashev K.P., Chukhlantsev A.A., and Shutko A.M. Microwave radiation of the Earth's surface in the presence of vegetation cover // Radio Eng. Electron. Phys. Engl. Transl., 1979 Vol. 24, P. 256-264.

15. Chukhlantsev A.A. and Golovachev S.P. Microwave attenuation in a vegetation canopy // Radiotekhnika i Elektronika (Eng. Transl. as Radio Eng. Electron. Phys.), 1989 Vol. 34, P. 2269-2278. (In Russian).

16. Milshin A.A. and Grankov A.G. Some experimental results of microwave emission of forests in L-band // Issledovanie Zemli iz Kosmosa (Research of the Earth from Space), 2000 No. 3, P. 50-57, (in Russian).

17. Vichev B.I., Krasteva E.N., and Kostov K.G. Study of seasonal evolution of tree emission using zenith-looking microwave radiometers // Proc. IEEE IGARSS'95, P. 981-983.

18. Macelloni G., Paloscia S., Pampaloni P., and Ruisi R. Airborne multifriquency L- to Ka- band radiometric measurements over forests // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, Vol. 39, pp. 2407-2513, Nov. 2001.

19. Hirosava H., Matsuzaka Y., and Kobayashi O. Measurement of microwave backscatter from a cypress with and without leaves. // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, Vol. 27, pp. 698-701, 1989.

20. Krevsky S. HF and VHF radio wave attenuation through jungle and woods // IEEE Trans. Antennas and Propagat. 1963. №4. - P. 506 - 507.

21. Herbstreit J.W., Crichlow W.Q. Measurement of the attenuation of radio signal by jungles // J. Res. Nat. Bur. Standarts. 1964. - D68, №8. - P. 903 -906.

22. Whale H.A. Radio propagation through New Guinea rain forest // Radio Sci. 1968. V.3, №10.-P. 1038 - 1042.

23. Burrows Ch.R. Ultra short propagation in the jungle // IEEE Trans. Antennas and Propagat. ~ 1966. V.14, №3. - P. 386 - 388.

24. Sachs D.L., Wyatt P.J. A conducting-slab model for electromagnetic propagation within jungle medium // Radio Sci 1968. - V.3, №2. - P. 125 -134.

25. Lagrone A.H., Martin P.E., Chapmen C.W. Height gain measurement at VHF and UHF behind a grove of trees // IEEE Trans. Ant. Propag. 1961. -№9.-P. 487-491.

26. Lagrone A.H. Propagation of VHF and UHF electromagnetic waves over a grove of trees in full leaf.//IEEE Trans. Antennas and Propag. 1977. -V.25, -№6. - P. 866-869.

27. Тельпуховский Е.Д., Чужков Ю.П., Пономарёв О.Г. Энергетические характеристики УКВ сигналов в лесу .// XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн: тез. докл. Харьков. - 1990. - Т.2 - С. 120-121.

28. Ручкин В.В., Сковронский А.Ю., Фортес В.Б. Угловой энергетический спектр и ослабление СВЧ в лесу // XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн: тез. докл. Харьков. - 1990. - Т.2 - С. 122 -123.

29. Куликов А.Н., Лаврентьев Ю.В., Пономарёв Г.А. и др. Ослабление и рассеяние ультракоротких радиоволн в городах и пригородных зонах // Итоги науки и техники, сер. Радиотехника. М.: ВИНИТИ, - 1991. -Т.42. - С. 196.

30. Доржиев Б.Ч., Плетнев В.И., Хомяк Е.М. Поглощающие свойства лесной среды в УКВ диапазоне. // УКВ и электромагнитная совместимость: тезисы докладов. Улан-Уде. - 1983. - С. 169 - 171.

31. Доржиев Б.Ч., Плетнев В.И., Хомяк Е.М. Сезонные вариации погонного ослабления УКВ при распространении в лесной среде. XV Всесоюзная конференция по распространению радиоволн: тез. докл. -Алма-Ата. - 1987. - С. 341 - 342.

32. Доржиев Б.Ч., Плетнев В.И., Хомяк Е.М. Погонное ослабление метровых волн, распространяющихся в лесной среде. // В кн.: Распространение электромагнитных волн. Улан-Уде. - 1987.-С. 87 -103.

33. Доржиев Б.Ч., Хомяк Е.М. Исследование частотной зависимости погонного ослабления в лесу в диапазоне 100 — 1000 МГц. XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн: тез. докл. -Харьков.-1990.-Т.2-С. 119.

34. Доржиев Б.Ч., Хомяк Е.М. Уточнение рекомендаций МККР применительно к распространению радиоволн в лесах умеренной зоны. Российская научно-техническая конференция по дифракции и распространению радиоволн: тез. докл. - Улан-Уд. - 1996. - С. 57 - 61.

35. Доржиев Б.Ч., Хомяк Е.М. Экспериментальные методы определения эффективных электрических параметров лесной среды в УКВ диапазоне. XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн: тез. докл. - Москва. - 1996. - С. 439 - 440.

36. Swamp S., Tewari Т. Radiowave propagation through sub-tropical pine forest.//Indian J. Radio and Space Phys. 1974. - V.3. - 2. - P. 181 - 185.

37. Swamp S., Tewari T. Depolarization of radiowaves in jungle environment. // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1979. - V.27. - №1. - P . 113 - 116.

38. Tewari R.K., Swarup S., Roy M.N. An empirical result for the height gain in forest medium. // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1984.-V.32. -№11. -P. 1265-1268.

39. Tewari R.K., Swarup S.S. Estimation of electrical constants of forest slab by invers method. // Proc. Int. Symp. Antennas and Propag., Kyoto. 1985. -V.3.-P. 895 -898.

40. Tewari R.K., Swamp S., Roy M.N. Radiowave propagation trough rain forest of India. / /Antennas and propag.: AP.-S. Int. Symp. Dig., Philadelphia, Pa, 1986.-V.1. - New York, - 1986. - P. 213 - 216.

41. Tewari R.K., Swarup S., Roy M.N. Radiowave propagation trough rain forest of India. // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1990. - V.38. - №4. -P. 433-439.

42. Неделяев A.M., Грудинская Г.П., Богомолова E.B. Измерение поглощения УКВ деревьями // Тр. Моск. энерг. ин-та. 1972. - вып. 119.-С. 167-170.

43. Murray О.М. Attenuation due to trees in the VNF/UNF bands // Marconi Rev. 1974. - V.37, №192. - P. 41 - 50.

44. Bachynski M.P. Microwave propagation over a rough surfaces // RCA Rev.- 1959. V.20, №2. - P. 308 - 335.

45. Lackey K., Fair В., Schneider A. UHF forest propagation measurements // Antennas and Propagation: AP-S Int. Symp., San Jose, Calif. New York. -1989.-V.2.-P. 806-810.

46. Goldhirsh J., Vogel W.J. Roadside tree attenuation measurements at UHF for land mobil satellite systems // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1987.- V.35. №5. - P. 589 - 596.

47. Murata M., Aiba H., Nakada K., Tonoike K., Komai J., Hirosava H. Experimental results of L-band microwave penetration properties of trees // IGARSS'87: Int. Geosci. and Remote Sens. Symp., Ann Arbor, Mich. -1987. V.2-P. 815 - 820.

48. Low K. UHF measurements of seasonal field-strength variations in forests // IEEE Trans. Vehicular technology. 1988. - V.37. -№3. - P. 121 - 124.

49. Loo Chun, Matt E.E., Butterworth J.S., Dufour M. Measurements and modelling of land-mobile satellite signal statistics // 36th IEEE Veh. Technol. Conf., Dallas, Tex. 1986. ~ New York. - 1986. - P. 262 - 267.

50. Schwering F.K., Violette E.J., Espeland R.H. Millimeter-wave propagation in vegetation: experiments and theory // IEEE Trans. Geosci. and Remote Sens. 1988. - V.26. - №3. - P. 355 - 367.

51. Stutzman W.L., Crawford H.S. Estimation of the weight of vegetation using microwave transmission measurements // IGARSS'85: Int. Geosci. and Remote Sens. Symp. New York. - 1985. - P. 164 - 167.

52. Stutzman W.L., Colliver F.W., Crawford H.S. Microwave transmission measurements for estimation of the weight of standing pine trees. // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1979. - V.27. - №1. - P. 22 - 26.

53. Кирдяшев К.П., Чухланцев А.А., Шутко A.M. СВЧ-излучение земной поверхности при наличии растительного покрова // Радиотехника и электроника. 1979. - Т.24. - №2. - С. 256 - 264.

54. Исследование лесов аэрокосмическими методами М.: Наука. - 1987.

55. Vickers R.S., Lowry R.T., Schidt A.D. A VHF radar to make terrain elevation models through tropical jungles // Proc. IEEE Nat. Radar Conf., Ann Arbor, Mich. 1988. - New York. - 1988. - P. 44 - 49.

56. Lowry R.T., VanEck P., Dams R.V. SAR imaginary for forest management // IGARSS'86: Int. Geosci. and Remote Sens. Symp. Paris. - 1986. - P. 901 -906.

57. Ahmed Z., Richard J.A. Multiple incidence angle SIR-B forest observation // IEEE Trans. Geosci. and Remote Sens. 1989. - V.27. №5. - P. 586 - 590.

58. Wu Shin-Tseng, Sadar-Steven A. Multipolarization SAR data for surface feature delineation and forest vegetation characterization // IEEE Trans. Geosci. and Remote Sens. 1987. - V.25, №1. - P. 67 - 76.

59. Ulaby F.T., Whitte M.W., Dobson M.C. Radar polarimetric observations of a tree canopy // IGARSS'88: Int. Geosci. and Remote Sens. Symp.: Remote Sens.: Moving towards 21st Century. Paris. - 1988. - P. 1005 - 1008.

60. Vogel W.J., Goldhirsh J. Tree attenuation at 896 MHz derived from remotely piloted aircraft measurement // IEEE Trans. Antennas and Propag.- 1986. V.34. №12. - P. 1460 - 1464.

61. Bulzitude Robert J.C. Measured characteristics of 800/900 MHz fading radio channels with high angle propagation through moderately dense foliage // IEEE J. Select Areas Commun. 1987. - V.5. №2. - P. 116 - 127.

62. Durden S., Klein J.D., Zebker H. Radar measurement of L-band signal fluctuations caused by propagation through trees // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1991. - V.39. -№10. - P. 1537 - 1539.

63. Kwok R., Way J.В., Rignot E.F., Freeman A., Holt J. Polarization signatures of frozen and thawed forests of varying biomass. // IGARSS'90: 10th Annu. Int. Geosci. and Remote Sens. Symp. College Park. - 1990. - V.l. - P. 337 -340.

64. Currie N.C., Dyer F.B., Martin E.E. Millimeter foliage penetration measurements //AP-S Int. Symp,, Armherst. New York. - 1976 - P . 575 -578.

65. Ahern F.J., Skelly W.C., McDonald К., Реагсе C.M. Studies of microwave sensitivity to black spruce forest biomass with the MIMICS model // Proc. 14th Can. Symp. Remote Sens. Ottawa. 1991. - P. 234 - 239.

66. Ulaby F.T., Whitt M.W., Dobson M.C. Measuring the propagation properties of a forest canopy using a polarimetric scatterometer // IEEE Trans. Antennas and Propag. 1990. - V.38. - №2. - P. 251 - 258.

67. Pitts D.E., Badhwar G.D., Reyna E., Zoughi R., L.K., Moore R.K. Estimation of X-band scattering properties of tree components // IGARSS'87: Int. Geosci. and Remote Sens. Symp,, Ann Arbor, Mich., 1987.- V.2. New York. - P. 1493 - 1498.

68. Pitts D.E., Badhwar G.D., Reyna E. Estimation of biophysical properties of forest canopies using C-band microwave date // Adv. Space Res. 1987. -№11.-P. 89-95.73