Экспериментальное исследование влияния лесной среды на распространение широкополосных сигналов

В настоящее время все большее внимание уделяется аэрокосмическим методам исследования поверхности Земли, в частности лесных покровов, так как лесами покрыта большая часть территории суши нашей планеты. При этом основным инструментом является искусственное или естественное электромагнитное излучение радиодиапазона. В отличие от оптического диапазона, для которого лесной покров является препятствием, с помощью радиоволн лес можно исследовать на всю глубину, что особенно важно, например, для экологического мониторинга лесов и других целей. Для правильной интерпретации данных аэрокосмического мониторинга лесных покровов необходима адекватная модель взаимодействия радиоизлучения с лесом, разработка которой продолжается [1-3]. Следует отметить, что характерной особенностью ныне существующих 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 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.

Недостатком большинства современных радиотехнических систем является то, что они работают в узкой полосе частот, что ограничивает количество информации, передаваемой системой в единицу времени. В то же время необходимость увеличения объема этой информации постоянно растет. Поэтому в течение последних лет как в радиолокации, так и в радио- связи активно исследуется возможность повышения информативности систем за счет расширения используемой полосы частот и использования так называемых сверхширокополосных (СШП) сигналов.

Сверхширокополосные сигналы могут применять для радиозондирования земной поверхности, почвы, атмосферы и т.д. Исследование растительных покровов является одной из задач в области широкополосного зондирования. Следует отметить, что достоверная интерпретация данных, получаемых с помощью методов широкополосного зондирования земной поверхности, включая растительные среды, со спутников, невозможна без проведения наземных измерений взаимодействия радиоизлучений с земными покровами. Кроме того, наземные исследования электродинамических свойств лесных сред имеют и самостоятельное прикладное значение, поскольку их результаты могут быть использованы как при разработке систем современной наземной радиосвязи, так и при построении теоретических моделей лесной среды.

Цель данной работы – экспериментальное исследование взаимодействия широкополосного сигнала с лесной растительностью при наземном размещении антенных систем.

В качестве объектов исследования были выбраны два типа растительности. Первый тип ‒ сосновый лес плотностью древостоя 0,07 м-2, кроны деревьев располагались на строго вертикальных стволах на высоте около 3 м, кустарники и высокая трава отсутствовали. Второй тип – смешанный лес, внутренняя структура которого отличалась большим количеством низкорасположенных ветвей и наличием подлеска, состоял из сосны, березы и большого количества кустарников (около 4 кустов на 10 м2), плотность древостоя 0,04 м-2.

В качестве широкополосного сигнала использовалась последовательность видеоимпульсов. Выбор параметров импульсов (период ‒ 39,96 нс, длительность ‒ 3,33 нс) был обусловлен тем, что длина волны спектральных составляющих сигнала была близка к характерным размерам растительных объектов и часть гармоник, соответствующих низкочастотной части УКВ-диапазона, попадало в резонансную область, т.е. среднее расстояние между деревьями было близко к длине волны.

Для радиопросвечивания использовалось следующее оборудование: передатчик ‒ генератор наносекундных импульсов Г5-72, приемная и передающая антенны ‒ полуволновые симметричные вибраторы, приемником являлся анализатор спектра ИТ-08. Для статистической обеспеченности результатов исследования измерения проводились вдоль трех различных трасс и усреднялись для каждого типа леса. Антенны устанавливались на дистанционных отметках 10, 20, 30 м друг от друга на высоте 2 м над землей. Их ориентация обеспечивала вертикальную поляризацию излучения.

Для выявления влияния растительности проводилось сопоставление спектрограмм, полученных на открытой местности (в поле) и в растительной среде. Чтобы влияние помех на спектр полезного сигнала было минимально, все полученные в ходе проведения экспериментов спектрограммы нормировались к уровню фоновых помеховых сигналов.

На рисунке 1 изображена калибровочная спектрограмма, снятая на открытой местности, имеющей близкие к лесной характеристики подстилающей поверхности. На рисунке 2 показан спектр сигнала, полученный в первом типе леса, при расстоянии между антеннами 10 м.

Представленные данные демонстрируют существенную трансформацию спектра исходного сигнала при прохождении через растительность, заключающуюся в данном случае в существенном ослаблении как низкочастотных, так и высокочастотных гармоник в лесу в среднем на 17 дБм·кВ, которое объясняется рассеянием и поглощением волн стволами деревьев. Однако на графиках можно выделить гармоники, соответствующие частотам 74, 98, 270 МГц, среднее затухание которых составляет около 6 дБм·кВ. Такую же тенденцию можно наблюдать на этих частотах и с увеличением дистанции между корреспондирующими пунктами (рис. 3, 4). Такое влияние растительности на спектральный состав широкополосного сигнала можно объяснить как локализацию излучения в отдельных распространяющихся модах в

Рис. 1. Спектр сигнала, полученный на открытой местности (поле, расстояние 10 м)

Рис. 2. Спектр сигнала, полученный в лесу первого типа (расстояние 10 м)

Рис. 3. Спектр сигнала, полученный на открытой местности (расстояние 30 м)

Рис. 4. Спектр сигнала, полученный в лесу первого типа (расстояние 30 м) дискретной среде, указывающую на резонансный характер взаимодействия волн с лесными средами.

На рисунках 5, 6 показаны аналогичные спектрограммы, полученные в лесу второго типа. В отличие от предыдущих результатов здесь средний уровень затухания практически во

Рис. 5. Спектр сигнала, полученный на открытой местности рядом со вторым типом леса (расстояние 10 м)

Рис. 6. Спектр сигнала, полученный во втором типе леса (расстояние 10 м)

всем диапазоне частот снизился до 14 дБм·кВ, что свидетельствует о снижении процессов рассеяния излучения преимущественно стволами деревьев, а наименее подверглись затуханию (в среднем на 2 дБм·кВ) гармоники, соответствующие частотам 48, 148, 294 МГц.

Таким образом, описанные результаты экспериментов демонстрируют существенные различия в изменении спектров импульсных сигналов при распространении в различных типах лесной растительности. Этот факт, на наш взгляд, может быть использован для разработки методов радиопросвечивания лесных покровов для выявления их внутренней структуры.

Работа поддержана грантом РФФИ №14-08-31447.