Широкополосное радиопросвечивание растительных покровов земной поверхности

В настоящее время методы радиопросвечивания широко используются при изучении физических свойств различных природных сред. Это относится к исследованиям атмосферы Земли и других планет, а также околосолнечной плазмы [1], к различным методам георазведки [2] и к определению электродинамических характеристик земных покровов, например, ледовых [3] или растительных [4]. Радиопросвечивание является весьма эффективным инструментом опреде- ления химического состава среды распространения зондирующих сигналов, а также ее внутренней структуры, особенно при наличии резких границ, характерных для слоистых и многокомпонентных гетерогенных сред.

В данной работе рассматриваются результаты экспериментов по наземному радиопросвечиванию лесной растительности широкополосным излучением. Основной задачей, решаемой при проведении экспе- риментов, являлось изучение влияния видового состава и структуры леса на изменение спектральных характеристик зондирующих сигналов с целью выявления закономерности таких спектральных деформаций и разработки методики восстановления основных структурных характеристик растительности при ее радиопросвечивании.

В измерениях в качестве зондирующих сигналов использовались последовательности видеоимпульсов длительностью 3,3 нс и периодом 40 нс. Выбор параметров определялся тем, что основная часть спектра сигнала в этом случае приходилась на резонансный диапазон частот, в котором длина волны гармонических составляющих оказывалась близка к среднему расстоянию между деревьями в большинстве типов лесов (обычно, 2–4 м). Антенны, представляющие собой полуволновые вибраторы, погружались в лесную среду и располагались на высоте 2 м над землей и на расстоянии 20 м друг от друга. Их ориентация обеспечивала вертикальную поляризацию излучения. Полученные в ходе проведения экспериментов спектрограммы нормировались к уровню фоновых помеховых сигналов. Одна из таких приведенных спектрограмм, описывающая результат радиопросвечивания хвойного (соснового) леса с низкой (0,08 м–2) плотностью древостоя, представлена на рис. 1. Калибровочная спектрограмма, снятая на открытой местности, имеющей близкие к лесной характеристики подстилающей поверхности, изображена на рис. 2.

Представленные данные демонстрируют существенную трансформацию спектра исходного сигнала при прохождении через растительность, заключающуюся, в данном случае, в существенном ослаблении низкочастотных гармонических составляющих. Это связано с тем, что в редком лесу на малых дистанциях ослабление сигнала происходит, в основном, за счет рассеяния излучения стволами деревьев, усиливающегося с увеличением длины волны колебаний. Аналогичная спектрограмма, полученная в хвойном лесном массиве значительно большей плотности – 0,15 м–2 приведена на рис. 3, внутренняя структура которого отличалась большим количеством низкорасположенных ветвей и наличием подлеска. Здесь очевидным является ослабление гармоник во всем анализировавшемся диапазоне, свидетельствующее о значительном усилении процессов рассеяния с увеличением плотности растительности, в том числе и на мелкомасштабных неоднородностях. Интересным представляется не убывание, а даже некоторое увеличение амплитуды отдельных спектральных составляющих (170 и 193 МГц), которую можно рассматривать как локализацию излучения в отдельных распространяющихся модах в дискретной случайной среде, указывающую на резонансный характер взаимодействия волн с лесными средами.

Рис. 1. Спектр сигнала, полученный в сосновом лесу

Рис. 2. Спектр сигнала, полученный на открытой местности (в поле)

Рис. 3. Спектр сигнала, полученный в плотном хвойном лесу

Рис. 4. Спектр сигнала, полученный в лиственном лесу

Результаты радиопросвечивания лиственного леса плотностью 0,11 м, отличительной особенностью которого являлось отсутствие кустарника и молодых деревьев, как в первом из рассмотренных хвойных лесов представлены на рис. 4. При этом, однако, деревья имели значительно большую толщину стволов. По-видимому, эта структурная особенность и определила характер изменения спектрограммы, выражающийся в существенном ослаблении низко- и среднечастотных составляющих сигнала. Понижение амплитуды последних, особенно очевидно из сравнения рис . 1 и 4, может быть объяснено большей плотностью растительности, а практически полное прохождение через лес высокочастотных гармоник – отсутствием мелких элементов растительности на линии связи антенн.

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.