Угловая зависимость коэффициента обратного рассеяния лесных сред в Х-диапазоне

При решении задач в области дистанционного зондирования существенное значение имеют электродинамические модели описания различных природных сред. Данные среды формируют случайные поля, их энергетические и статические характеристики. Принимая во внимание, что до настоящего времени пока не разработаны абсолютно корректные модели рассеяния от лесных сред, и исходя из общих тенденций дистанционного зондирования, мы пришли к выводу, что особый интерес для практического применения представляют экспериментальные исследования отражающих и рассеивающих свойств таких сред. Необходимо развитие эмпирических моделей, основанных на экспериментальных результатах рассеяния от лесных покровов различных типов [1]. Данные модели строятся путем статистической обработки целенаправленных экспериментов, в результате которых устанавливаются корреляционные связи усредненных измеренных величин и искомых параметров в виде коэффициентов регрессии.

Целью настоящей работы является определение угловой зависимости удельной эффективной поверхности рассеяния (УЭПР) в случае сверхкороткоимпульсной радиолокации почвенно-лесного покрова.

Постановка эксперимента

Измерения определения угловой зависимости ЭПР от лесной среды были проведены с использованием наносекундного радара, установленного на высотном подъемнике на базе автомобиля. При проведении измерений антенны были подняты на максимальную высоту 30 м. Механический поворот угла наклона корзины с антеннами позволил обеспечить диапазон углов визирования от 60 до 88°, т.е. практически до области скользящих углов.

В состав измерительного комплекса входят передатчик, приемник, опорно-поворотное устройство, передающая и приемная антенны, USB-осциллограф, ноутбук и аккумуляторный источник питания.

Основные технические характеристики передатчика: несущая частота 9,95 ГГц, длительность импульса – 9 нс, частота повторения импульсов – 5 кГц, номинальная пиковая мощность импульсов – 30 Вт. Питание передатчика в полевых условиях осуществляется от батареи напряжением +24 В. Приемник выполнен по схеме гетеродинного усиления с устройством защиты от высокого уровня мощности. Основные технические характеристики приемника: центральная частота полосы усиления – 9,95 ГГц, уровень собственных шумов – 10 дБ/Вт, полоса пропускания – не менее 100 МГц. Имеется ступенчатая регулировка усиления СВЧ-тракта через 10 дБ: 0, 10, 20 и 30 дБ. Динамический диапазон с регулировкой усиления – 70 дБ. Антенная система приемного узла включает передающую и приемную антенны и опорно-поворотное устройство, что дает возможность вращения антенны по азимуту и углу места. Каждая антенна включает параболическое зеркало диаметром 640 мм и облучатель. Коэффициент усиления антенны составляет 33 дБ. Передающая и приемная антенны устанавливаются на отдельных кронштейнах с горизонтальной и вертикальной поляризацией излучаемой и принимаемой волн соответственно. Это позволяет проводить измерения с различной поляризацией, в том числе и при взаимноортогональной поляризации этих волн.

Измерения проводились над участком смешанного леса с преобладанием березы и ели. На рисунке 1 показан общий вид на исследуемый объект. Верхний полог леса представляет сильно шероховатую поверхность, обусловленную строением леса. Параметр шероховатости для березового леса может оцениваться как ±0,5 м относительно средней высоты леса [2], в то время как для ели этот параметр достигает больших величин.

Рис. 1. Общий вид первого тестового участка

Экспериментальные результаты

Реализации отраженных сигналов представлены в виде осциллограмм, отображающих зависимость уровня сигнала от времени его прихода в систему регистрации. Частота дискретизации составляет 1 ГГц и позволяет регистрировать быстрые флуктуации отраженного сигнала.

Для углов визирования порядка 65° наблюдаются достаточно высокий уровень отраженного сигнала от участка верхней кромки леса, ограниченного узкой диаграммой направленности. С увеличением угла визирования развертка отраженного сигнала становится более растянутой, что обусловлено большей освещенной площадью. При этом максимальный уровень сигнала сохраняется до углов визирования порядка 80°, при скользящих углах визирования резко уменьшатся.

На рисунке 2 представлены отдельные фрагменты реализации сигнала при фиксированных углах визирования. Отдельная осциллограмма представляет график зависимости отраженного сигнала от времени его прихода. Значения уровня сигнала в вольтах отложены по вертикальной оси, по горизонтальной оси – время отклика сигнала в пересчете на расстояние. Для дополнительного анализа использовался метод спектрального анализа, заключающийся в переходе от временной формы представления процесса к частотной на основе быстрого преобразования Фурье.

Фрагменты пространственного спектра мощности, оцененные по экспериментальным осциллограммам, представлены на рисунке 3. Спектр оценивался как преобразование Фурье на отрезке сигнала, соответствующего области рассеяния, что эквивалентно «оконной обработке» сигнала. Поскольку УЭПР прямо пропорционально мощности принятого сигнала, спектр мощности отображает УЭПР исследуемой области, что дает возможность оценить ширину спектра мощности непосредственно из экспериментальных данных. В целом при увеличении угла визирования наблюдается увеличение ширины спектра, при этом амплитуда гармоник уменьшается. То есть можно сказать, что мощность отраженного сигнала не меняется при изменении углов визирования.

Рис. 2. Экспериментальные осциллограммы

Рис. 3. Спектры мощности

Особенностью зондирования лесов в случае сверхкороткоимпульсной радиолокации является то, что поляризационные свойства лесов выражены весьма слабо. На рисунках 4, 5 показаны угловые зависимости УЭПР, полученные от смешанного леса и подлеска при различных поляризациях, а также от почвенного покрова (рис. 6), состоящего в основном из смеси песка и суглинка.

Рис. 4. Угловая зависимость у0 для смешанного леса

Рис. 5. Угловая зависимость у0 для соснового подлеска

Рис. 6. Угловая зависимость у0 для почвенного покрова

Для земных поверхностей, покрытых растительностью, меньшую удельную ЭПР имеют слабые растительные покровы, для которых отражение главным образом обусловлено поверхностью почвы. При этом, как указано в [3], при углах скольжения более 50-60° удельная ЭПР таких поверхностей сравнима с у0 полей без растительности. Однако полученные данные показывают, что при углах скольжения менее 20° вклад даже такого растительного покрова, как редкий подлесок, более существенен и удельное ЭПР увеличивается примерно на 4 дБ по сравнению с той же поверхностью без растительности.

Вывод

Из проведенных измерений следует, что при частоте 9,95 ГГц в угловой зависимости обратного отражения почвенно-лесного слоя поляризационные характеристики не проявляются.