Исследование отражающих свойств лиственного леса на частоте 10 ГГц Текст научной статьи по специальности «Физика»

Kovalenko Andrei Andreevich, candidate of technical sciences, Associate Professor, Chair of Technological Disciplines, Altay State Academy of Pegagogy, 656906, Barnaul, Chaikovskogo St., 39, Apt. 41

Gryaznov Alexandr Sergeevich, candidate of physical-mathematical sciences, Associate Professor, Chair of Technological Disciplines, Altay State Academy of Pegagogy, 656922, Barnaul, Vesenniya St., 4, Apt. 123

УДК 528.85 © Б.Ч. Доржиев, О.Н. Очиров

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖАЮЩИХ СВОЙСТВ ЛИСТВЕННОГО ЛЕСА

НА ЧАСТОТЕ 10 ГГц

Представлены результаты измерений, отражающих характеристики лесного полога, выполненных с использованием автономного измерительного комплекса на базе наносекундного радара. Расчет коэффициентов обратного рассеяния выполнен по оригинальной методике, учитывающей геометрию задачи и характеристики радара.

Ключевые слова: короткоимпульсная радиолокация, лесные среды, коэффициент обратного рассеяния, на-носекундный радар.

B.Ch. Dorzhiev, O.N. Ochirov

INVESTIGATION OF DECIDUOUS WOOD REFLECTING PROPERTIES AT

FREQUENCY OF 10 GHz

Results of measurements of the wood reflecting characteristics executed with the use of autonomous measuring complex on the basis of nanosecond radar are presented. Calculation of backscattering coefficients is executed by the original method considering geometry of area and the characteristics of radar.

Keywords: ultrashortpulse radiolocation, wood areas, backscattering coefficient, nanosecond radar.

В 2005-08 гг. в интересах Федерального агентства лесного хозяйства создана и введена в эксплуатацию система космического мониторинга лесов России с ежегодной съемкой высокого разрешения по всей территории интенсивного лесопользования. Для приема данных со спутников сформирована сеть наземных станций «УниСканТМ» работающих в Х-диапазоне (8-12,5 ГГц). В настоящее время ведется разработка и совершенствование программного обеспечения для приема, первичной обработки и архивации спутниковых данных, а также для дальнейшей углубленной тематической обработки изображений. Большую роль при решении последней задачи играют наземные подспутниковые измерения отражающих и рассеивающих характеристик исследуемой среды, обеспечивающие достоверность интерпретации полученных изображений. В работе представлены экспериментальные результаты отражающих свойств лесной среды на частоте 10 ГГц, полученные на основе оригинальной методики.

Определение коэффициента обратного рассеяния от лесного покрова

Эксперименты проведены на базе твердотельного наносекундного радара, представляющего собой радиолокационную систему в виде передвижного лабораторного макета для полевых исследований. Радар предназначен для генерации, излучения, приёма наносекундных СВЧ - импульсов трёхсантиметрового диапазона, а также их регистрации и анализа в целях исследований в области ближней приповерхностной радиолокации.

Одним из основных параметров уравнения дальности в радиолокации является коэффициент обратного рассеяния с0 цели. Существует достаточно много методов расчета с0 элементарных объектов для узкополосных гармонических зондирующих сигналов. В связи с развитием короткоимпульсной радиолокации актуальным становится вопрос об оценке с0 объекта такими сигналами. Новые возможности для определения с0 природных объектов (березовый лес, травяной покров) с помощью на-носекундного радара исследованы при проведении экспериментальных работ в условиях сильнопересеченной местности.

Измерения проведены в различные сезоны года летом (июнь), и осенью (ноябрь), когда состояния травяного и лиственного покрова резко отличаются. При проведении измерений радар был установлен на гребне горы на отметке по высоте 630 м над уровнем моря, исследуемые объекты (лес, открытая поляна с травяным покровом) расположены ниже в долине ручья на высоте 580 м над уровнем

моря (по данным Google Earth). Общий вид на исследуемую поверхность с точки установки радара приведен на рис. 1. С этой позиции проведено 4 сеанса измерений, при этом климатические условия менялись незначительно. Для каждого сеанса проводилась дополнительная калибровка относительно свободного пространства.

Рис. 1. Общий вид исследуемой поверхности

Данные всех измерений представлены на рис. 2 в виде графика зависимости уровня входного сигнала от времени в пересчете на дальность. Первые пики сигнала на расстояниях 60-90 м соответствуют отражениям от немногочисленной группы сосен на склоне горы, далее на расстоянии 200 м наблюдаются отраженные сигналы от отдельного участка березового леса. На рис. 1 этот участок находится в левой части фотоснимка. Исследуемые объекты - открытая поляна и участок березового леса - расположены соответственно в центре фотоснимка и выше.

Ааёйпшй, і

Рис. 2. Графики отраженных сигналов всех регистраций

Как следует из экспериментальных осциллограмм отраженные сигналы от травяного покрова, наблюдаются на расстояниях от 220 до 320 м, что соответствует реальной протяженности поляны в этом направлении. Сильные флуктуации отраженного сигнала объясняются местными неровностями с высокими травяным покровом (разнотравье со средней высотой покрова около 40 см). Далее идет рассеянный сигнал от леса, причем огибающая имеет достаточно сложный вид. Это объясняется следующим. С краю поляны вдоль ручья проходит полоса березового леса с высокой плотностью ~ 0,2 дер./м2, затем идет участок разреженного леса и далее березовый лес со средней плотностью ~ 0,1 дер./м2. Необходимо отметить наличие сильного подроста и кустарника, особенно с краю леса. Исходя из этих условий для определения усредненного значения а0 леса взят участок осциллограммы от 370 до 450 м. Здесь также наблюдается сильная изрезанность, обусловленная переотражением от отдельных деревьев. Из множества пространственных масштабов когерентности наиболее характерным является размер кроны деревьев. Отметим, что лес расположен на относительно ровной поверхности. Характерной особенностью данного сигнала является «подъем» уровня сигнала с одновременным уменьшением флуктуаций

Экспериментальные осциллограммы представляют значения рассеянного сигнала в каждый момент времени. Используя вольт-ваттную характеристику приемника радара, можно перевести эти значения в уровень мощности входного сигнала в дБ/Вт, которая соответствует энергии рассеянного сигнала.

Для определения величины а0 исследуемых участков используем следующее соотношение:

а°(0),5Б = 10№пр(0)/ам х Рпр(0)/Рм], (1)

где Япр (©) - площадь облучаемого участка поверхности, ам- ЭПР калибровочной мишени, Рпр - усредненная мощность принятого сигнала от участка поверхности, Рм - мощность принятого сигнала, отраженного от калибровочной мишени.

Площадь облучаемого участка с учетом угла ©определяется известным выражением [2]:

1 с т 1

Sп (0) = 0 гк

-J2 2 г cos 0 (2)

где ©г, рад - ширина диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости по уровню половинной мощности, R- расстояние до центра участка, ©, град - угол места, xu - длительность импульса.

Ширина диаграммы направленности приемо-передающей параболической антенны с диаметром зеркала 600 мм равна 50 по уровню 3 дБ. Это определяет пространственное разрешение в поперечном направлении: порядка 9 м на удалении 100 м и 17,5 м на удалении 200 м.

Для определения параметра РМ, входящего в выражение (1), проведены дополнительные калибровочные измерения. Калибровочная мишень представляет собой трехгранный уголковый отражатель с размером каждого ребра 90 см. Методика калибровочных измерений состояла в следующем. Радар устанавливался на высоте 4 м, а уголковый отражатель соответственно на высоте 0,5 м от относительно ровной поверхности земли. При этом уголковый отражатель ориентировался максимумом своей диаграммы обратного рассеяния на радар, а уровень отраженного сигнала определялся по его максимальному значению. Значения уровня отраженного сигнала от уголкового отражателя регистрировались на расстояниях 50, 100, 150, 200 и 300 м (рис. 3). Точками на графике обозначены результаты других независимых экспериментов. Здесь же приведены значения уровней отраженных сигналов от поверхности земли, в общем случае представляющих фоновый сигнал. Таким образом, уровень отраженного сигнала от уголкового отражателя определяется линейной зависимостью от расстояния (рис. 3 пунктир). ЭПР уголкового отражателя с0 рассчитывается по известной формуле и составляет 3052 м2 при длине волны 3 см. Для расчета ЭПР исследуемых участков используем средние значения уровней отраженного сигнала, которые составляют 387 мВ для травяного покрова и 682,8 мВ - для березового леса соответственно при средних дальностях 260 м и 410 м. Согласно выражению (1) по результатам измерений для травяного покрова с0 = -11,4 дБ и для лиственного леса -9,3 дБ.

Результаты измерений проведенных в этой же местности в осеннее время, но под другим ракурсом, представлены на рис. 4. При измерениях дополнительно использован уголковый отражатель (1=0,9 м) для калибровки сигнала. Аналогично определялся средний уровень сигнала от поверхности земли в отсутствие травяного покрова и от леса (деревья без листвы). Коэффициент обратного рассеяния определялся по методике описанной выше. Выявлено, что с0 для леса составил -7,7 дБ, а для поверхности земли -9,4 дБ соответственно. Таким образом, в обоих случаях наблюдается увеличение обратного отражения, по сравнению с данными летних измерений, т.е. наличие листвы и травяного покрова приводит к уменьшению величины отраженного сигнала.

Полученные результаты качественно согласуются с известными литературными данными. Так, в работе [3] приведены коэффициенты рассеяния леса, полученные с помощью калиброванной цифровой РЛС с синтезированной апертурой на длине волны 3 см. Для смешанного лиственного леса значение коэффициента рассеяния равно -7,5 дБ. В работе [4] моделировалось обратное рассеяние от березового леса в возрасте ~ 60 лет со средней высотой 10-12 м и средним диаметров ство-лов15-17 см. Эти параметры близки к исследуемому участку леса. Рассчитывались коэффициенты с0 отдельно для веток, листвы, сухой и влажной почвы и суммарный коэффициент в зависимости зеленой фитомассы. Общий вывод работы [4] заключается в том, что с уменьшением длины волны значение коэффициента обратного рассеяния возрастает. Наименьшая рассматриваемая длина волны составляла 20 см, а с0 = -8 дБ. Сделано заключение, что вклад веток в общее отражение не велик и при объединении с листьями общее обратное отражение становится меньше. Подчеркивается, что этот эффект существенен на более коротких волнах вследствие большего поглощения в листве.

Адабёёё

Ааёштой, i

Рис. 3. Данные калибровочных измерений

ВаппоТу{ёа, i

Рис. 4. Калибровка сигнала с использованием уголкового отражателя

Литература

1. Скосырев В.И., Осипов М.С. Особенности и свойства короткоимпульсной радиолокации // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. - 1999. - №4. - С. 21-30.

2. Теоретические основы радиолокации / под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Сов. Радио, 1970. - 560 с.

3. Kasichke E.S., Larson R.W. Calibrated X- and L-band scattering coefficient from a southern US forest // Proc. IGARSS’86, Zurich, 1986. - P. 895-901

4. Козырев В.В., Косолапов В.С. Определение биомассы лесной растительности по радиолокационным измерениям со спутников // Исследование Земли из космоса. - 2005. - №3. - С. 73-85.

Доржиев Баир Чимитович, кандидат физико-математических наук, Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, Улан-Удэ, Сахьяновой, 6, т. 8(301)434819, 1_2_z@mai1.ru

Очиров Олег Николаевич, ведущий инженер, Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, Улан-Удэ, Сахъяновой, 6, т. 8(301)434819, o1eg_och@pres.bscnet.ru.

Dorzhiev Bair Chimitovich, candidate of physical-mathematics sciences, Institute of Physical Material Sctudies SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy St., 8

Ochirov Oleg Nikolaevich, leading engineer, Institute of Physical Material Studies SB RAS. 670047, Ulan-Ude, Sakhyanovoy St., 8

УДК 532.135 ©Т.С. Дембелова, Б.Б. Бадмаев, Д.Н. Макарова, А.А. Цыремжитова

ВЯЗКОСТЬ ВОДЫ ПРИ МАЛЫХ ГРАДИЕНТАХ СКОРОСТИ ТЕЧЕНИЯ

Представлены результаты исследования вязкости воды при малых градиентах скорости течения. Показано, что с уменьшением градиента скорости течения вязкость воды увеличивается аналогично вязкости дисперсных систем, обладающих тиксотропными свойствами.

Ключевые слова: вязкость, градиент скорости, упругость, деформация, тиксотропия.