Диэлектрическая проницаемость хвойных пород древесины в диапазоне частот 3-12 ГГц

Мониторинг состояния лесов средствами дистанционного зондирования (ДЗ) в настоящее время остается актуальной задачей, как для российских исследователей, так и для мирового научного сообщества. Обзор международных программ, посвященных этой проблеме, проведен в работе [1]. Авторы отмечают, что вместе с достигнутыми успехами в вопросах выявления вырубок и координат пожарищ остаются нерешенными задачи лесоинвентаризационных работ, оценки с заданной точностью геометрических размеров вырубки, а также состояния сохранившегося древостоя. Перспективными в этом отношении являются новые системы гиперспектрального зондирования, которые открывают возможность диагностировать стрессовые состояния растительности из-за недостатка влаги или негативного техногенного влияния. В работе [2] по результатам самолетного эксперимента показано, что отражательная способность соснового леса в L и P диапазонах согласуется с сезонным изменением водного режима хвои и тонких веток деревьев.

Основной характеристикой среды, исследуемой в микроволновом диапазоне, является диэлектрическая проницаемость. Даже самый быстрый обзор литературы показывает, что экспериментальное изучение диэлектрических свойств древесины не прекращается и по сей день, не смотря на многие десятиле- тия истории таких измерений. Привлекаются разнообразные модели для описания диэлектрической проницаемости древесины в зависимости от влажности, температуры, частоты электромагнитного излучения: формулы теории композиционных смесей [3], рефракционная модель [4], аппроксимации экспериментальных данных [2; 5].

Методы измерения диэлектрической проницаемости влажных органических объектов, применяемые на практике, также разнообразны: по коэффициенту отражения зонда в виде открытого конца коаксиала [3], в коаксиальной линии [4], по КСВ дипольной антенны, расположенной в стволе дерева [5], методом нерегулярного микрополоскового резонатора [6–8], методом диэлектрической фурье-спектроскопии [9], в емкостной ячейке с плоскими электродами [10]. Авторы работы [11] предложили способ определения эффективной диэлектрической проницаемости лесного полога по прямым наземным измерениям ослабления поля.

Выяснены многие особенности в измерении диэлектрических свойств дерева. В работе [3] отмечается тензорный характер диэлектрической проницаемости древесины, обусловленный наличием четко выраженной анизотропии. В последние годы заметна тенденция исследовать именно «живое» дерево, так как выявлено количественное отличие влажностных зависимостей свежесрезанного образца древесины и под- вергнутого предварительной сушке [4]. В работе [10] подробно исследована погрешность измерения диэлектрической проницаемости дисперсных сред на примере песка и древесины сосны на низких частотах в процессе замерзания.

Целью данной работы была попытка применить резонансную методику измерений для получения спектров диэлектрической проницаемости древесины и получить влажностные зависимости для различных хвойных пород.

Объект и метод исследования. Для изготовления образцов были взяты средние части стволов дерева. Древесина не подвергалась термообработке, но была выдержана в естественных условиях в течение нескольких лет. Образцы представляли собой тонкие стержни сечением 2 × 2 мм, древесные волокна располагались вдоль длины стержней.

Для каждой породы дерева (береза, ель, кедр, пихта, сосна) было исследовано по 5 образцов. Для увлажнения использовалась дистиллированная вода. Увлажненные образцы выдерживались в герметичных контейнерах 1–2 сут для равномерного распределения влаги. Перед началом измерения определялись размеры сечения образцов с помощью штангенциркуля (погрешность ± 0,01 мм) и масса на весах Shimadzu AUX – 320 (погрешность ± 0,000 5 г). После измерения образцы увлажнялись в большей степени. При достижении увлажнения порядка 60 %, образцы высушивались в сушильном шкафу при температуре 75 °С до постоянства массы. Влажность в этом состоянии была принята за нулевую, а остальные значения влажности были рассчитаны относительно нее в весовых долях как W = ( m вл. обр – m сух. обр ) / m сух. обр , где m вл. обр и m сух. обр – массы влажного и сухого образцов, соответственно.

Измерения диэлектрической проницаемости проводились стандартным резонаторным методом. В качестве измерительной ячейки использовались прямоугольные многомодовые резонаторы трех размеров 58 × 25 × 480 мм3, 35 × 15 × 450 мм3 и 23 × 10 × 250 мм3, охватывающие диапазон 3–12 ГГц. Резонатор через емкостную диафрагму подключался к сверхвысокочастотному тракту векторного анализатора цепей Agilent Technologies E8363B. Другой конец резонатора был закорочен. Образец древесины размещался в отверстие в середине длины и широкой стенки резонатора, волокна древесины были параллельны линиям электрического поля.

Измерения проводились при комнатной температуре 21 ± 2 °С.

Результаты измерений. Частотные зависимости действительной части диэлектрической проницаемости древесины пяти пород для двух значений весовой влажности представлены на рис. 1. Видно, что значения для хвойных пород сравнительно близки друг к другу, в отличие от значений для березы. Это может быть связано с различием химического состава и структуры древесины лиственных и хвойных деревьев. Такой результат согласуется с экспериментальными данными, приведенными в работе [7].

Зависимость действительной части диэлектрической проницаемости от весовой влажности для двух экземпляров березы, отличающихся местом произрастания приведена на рис. 2, а . «Береза верховая» – так названо дерево, выросшее на пригорке, на легких суглинистых почвах, ее древесина светлая. «Береза низовая» выросла в низкой болотистой местности, внешне ее древесина имеет темный коричневый оттенок. Это объясняется тем, что в почве низко расположенных мест присутствует множество минеральных солей и органических соединений, которые проникают в древесину, придавая ей характерно темный цвет. Эти различия в происхождении деревьев одного вида оказываются заметны и по значению диэлектрической проницаемости. Результат исследования показывает, что минеральный состав поглощаемой деревом влаги играет большую роль, нежели структура древесины.

Влажностная зависимость действительной части диэлектрической проницаемости для пяти пород древесины показана на рис 2, б . Хотя в рамках этой работы строгая аппроксимация с целью выделить пороги перехода воды в древесине в разные состояния не проводилась, можно видеть, что скорость нарастания значений диэлектрической проницаемости неодинакова и возрастает по мере увеличения влажности. Причем для лиственной породы – березы – эта зависимость также отличается от группы хвойных пород. Четко отделить хвойные породы между собой на данном этапе не удается.

а

3,0 -

2,5 -

°2,0 -|

е

1,5 ।--------

,9

■Эе о

£

Частота, ГГц

б

Берёза Ель Кедр Пихта Сосна

Рис. 1. Весовая влажность 0,01 ( а ); весовая влажность 0,03 ( б ). Температура 21 °С

■ Берёза низовая о Берёза верховая

^2,7

о 2,6

2,4 о

0,000

У/—1--------1--------1---

0,015        0,020

• □ Берёза

• ■ Ель О Кедр ▼ Пихта ф Сосна

Весовая влажность

0,00      0,05

У/........

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Весовая влажность

а

б

Рис. 2. Частота 3,807 ГГц ( а ); частота 5,2 ГГц ( б ). Температура 22 °С

Резонаторный метод измерения диэлектрической проницаемости древесины позволяет получить достоверные результаты, согласующиеся с данными других авторов. Показано существенное различие в диэлектрической проницаемости в зависимости от места произрастания дерева. На частотных и влажностных зависимостях четко видно отличие лиственных и хвойных пород деревьев. Минеральный состав поглощаемой деревом влаги играет большую роль, нежели структура древесины.