CC BY
32Экология
5. Рубинштейн Е.С., Полозова Л.Г. Современное изменение климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. 267 с.
6. Шиятов С.Г., Мазепа В.С. Климат // Природа Ямала. Екатеринбург, 1995. С. 32-68.
7. Шиятов С.Г. Климатогенная динамика подгольцовых редколесий на Полярном Урале в XX столетии // Реакция растений на глобальные и региональные изменения природной среды: тез. докл. всерос. совещ. (25-29 сентября 2000 г. г. Иркутск). Иркутск, 2000. С. 109.
8. Briffa K.R., Jones P.D. Global surface air temperature variations during the twentieth century. Part 2. Implications for large-scale high-frequency palaeoclimatic studies // The Holocene. 1993. No 3. P. 77-88.
9. Briffa K.R. at al Unusual twentieth-century summer warmth in a 1,000-year temperature record from Siberia / K.R. Briffa, P.D. Jones, F.H. Schweingruber [at al.] // Nature. 1995. Vol. 376. Р. 156-159.
10. Graybill D.A., Shiyatov S.G. Dendroclimatic evidence from the northern Soviet Union // Climate Since A.D. 1500. Routledge; London; New York, 1992. P. 393-414.
11. Shiyatov S.G. The upper timberline dynamics during the last 1100 years in the Polar Ural Mountains // Oscillations of the Alpine and Polar Tree Limits in the Holocene Gustav Fischer. Verlag: Stuttgart; Jena; New York, 1993. P. 195-203.
12. Shiyatov S. G. Reconstruction of climate and the upper timberline dynamics since AD 745 by tree-ring data in the Polar Ural Mountains // Intern. Conf. on Past, Present and Future Climate: Proc. of the SILMU conf. Helsinki: Publications of the Academy of Finland, 1995. No. 6. P. 144-147.
13. Vaganov E.A. at al. Influence of snowfall and melt timing on tree growth in subarctic Eurasia / E.A. Vaganov, M.K. Huges, A.V. Kirdyanov [at al.] // Nature. 1999.Vol. 400. Р. 149-151.
УДК 630*30
С.П. Санников, П.А. Серков, В.В. Шипилов (S.P. Sannikov, P.A. Serkov, V.V. Shipilov) Уральский государственный лесотехнический университет,
Екатеринбург
ВЛИЯНИЕ ЛЕСНОЙ СРЕДЫ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН RFID-МЕТОК (INFLUENCE OF THE TIMBER AMBIENCE ON SPREADING RADIO-WAVES RFID-MARKS)
Проведены исследования по влиянию лесной среды на распространения радиочастотного сигнала RFID -метки.
The Organized studies on influence of the timber ambience on spreading радиочастотного signal RFID-marks.
Использование RFID-меток для мониторинга состояния леса приводит к необходимости проведения исследовательских работ по функционированию таких устройств в условиях леса. Влияние лесной растительности на условия распространения радиоволн для обеспечения каналов связи и радиолокации исследовали многие ученые, например, в работах А.А. Чухлан-цева, А.М. Шутко, С.П. Головачева (2003), Р. Pampaloni (2004). Обзор этих работ показывает, что они направлены на снятие характеристик радиоканала в лесной среде,
когда одно устройство установлено вблизи земли на небольшом расстоянии, а другое расположено над деревьями. В обзоре работ для исследования использовались приемопередатчики значительной мощности для максимального покрытия расстояния. По этой причине их исследования не подходят для использования в К^ГО-устрой-ствах, так как предполагается, что такие устройства должны работать исключительно под пологом леса, как это показано в работах С.П. Санникова с соавторами (Серебренников, Санников, 2011; Сан-
ников, Серебренников, Серков, 2013). Предполагаемая мощность в КЕГО-устройствах составляет милливатты из-за отсутствия надежного источника электропитания достаточной мощности в лесу.
КЕГО-метка - это устройство, установленное на стволе дерева на уровне груди (1,3-1,5 м), с определенным набором функций (датчики дыма, температуры, прироста дерева и пр.). Связь с КЕГО-меткой предполагается по радиоканалу под пологом леса для сбора информации и дальнейшей ее передачи на сервер по стацио-
Экология
нарным каналам связи, включая и спутники связи.
Поэтому взаимодействие RFID меток со считывающим устройством происходит по трем возможным схемам: распространение сигнала на прямой видимости, отраженный сигнал от кроны деревьев и отраженный от поверхности земли (рис. 1). Рассмотрим вариант, когда устройства установлены на прямой видимости на расстоянии уверенного приема без каких-либо препятствий на пути прохождения радиоволн. Это наилучший (идеальный) вариант, но он практически неосуществим по причине имеющегося растворения луча в пространстве даже при наличии направленной антенны. Поэтому считывающее устройство принимает как сигнал прямой видимости, так и отраженный сигнал от земли и от деревь-
ев. Схема, поясняющая принцип распространения радиосигнала, показана на рис. 1.
Количество отраженных сигналов, приходящих на считывающее устройство, велико, создает определенные шумовые помехи для расшифровки полезной информации, передаваемой КРГО-меткой. Вид принимаемого считывающим устройством сигнала представлен на рис. 2. Сигнал был получен на участке прямой видимости радиосигнала и трех деревьев, стоящих на пути его прохождения.
На рис. 2 видны всплески амплитуды колебаний радиосигнала, вызванные огибающими составляющими стволов деревьев, стоящих на пути. Расстояния до деревьев, отстоящих от КРГО-метки, составляли 98, 103 и 108 м соответственно. Диаметр стволов деревьев березы на высоте 1,3 м составил 220,
Рис. 1. Схема распространения радиоволн ЮТО-меток в лесу: 1, 2 - расположение ЮТО-меток (считывающих устройств) на высоте к1, И2; 3 - крона деревьев (полог); 4 - земля; Ь - расстояние между ЮТО-меткой и считывающим устройством
180 и 203 мм. Травяной покров на участке измерения равномерный с небольшими естественными неровностями почвы.
Анализ сигнала на рис. 2 показывает, что амплитуда шумов на открытом пространстве значительно выше в сравнении с таковой в области отдельно стоящих деревьев. Период колебаний целиком зависит от рельефа местности и характера того участка, где производились измерения. При оценке было установлено, что длительность сигнала примерно равна 1,5 нс, это соответствует периоду принимаемого сигнала 16-18 см. Это хорошо коррелирует с периодом несущей частоты RFID-метки, используемой при исследовании (13,2 см). Как указывалось в работе С.П. Сан-никова, М.Ю. Серебренникова, П.А. Серкова (2013), лесная среда вносит ослабление мощности радиосигнала по мере удаления его от RFID-метки - источника радиосигнала. Это сопровождается рассеиванием и поглощением мощности радиосигнала средой. Поэтому расстояние L между RFID-меткой и считывателем зависит от величины ослабления радиосигнала лесной средой, которое можно подсчитать по формуле, приведенной в работе А.А. Чухланцева, А.М. Шутко, С.П. Головачева (2003), в соответствии с принимаемым уровнем сигнала E для моделирования процесса распространения радиосигнала в лесной среде: d
,
где d - расстояние между RFID-меткой и считывателем;
- глубина проникно-
Рис. 2. Сигнал, полученный на считывающем устройстве под лесным пологом с тремя отдельно стоящими деревьями
871
вения в среду;
о - проводимость лесной среды.
Экология
Модель, предложенная в работе А.А. Чухланцева, А.М. Шутко, С.П. Головачева (2003), приводит к физическому пониманию механизма распространения радиоволн в лесу. Они сформулировали понятие «глубина проникновения в среду», но не разъяснили, что влияет на глубину проникновения радиосигнала в среду.
Каждый элемент лесной среды (листья деревьев, травы, хвоя, сучки, веточки, стволы деревьев и пр.) может стать поверхностью, от которой радиосигнал отразится или которую будет огибать, и характеризуется показателем преломления радиосигнала. Показатель преломления радиосигнала в лесной среде можно определить в соответствии с диэлектрической проницаемостью среды по формуле И2 = £, - 60о,Х, где г, - усредненная диэлектрическая проницаемость участка среды в конкретный момент времени;
о, - средняя проводимость лесной среды;
X - длина волны радиосигнала.
Лесную среду можно рассматривать как полупроводящую среду с эквивалентными параметрами диэлектрической проницаемости в пределах 1,01 < г, < 1,5, а среднюю проводимость лесной среды -в пределах 10-3 > о > 10-5 см/м. Чем неоднороднее лесная среда с огромным числом элементов, тем выше показатель преломления радиосигнала. А усредненная диэлектрическая проницаемость участка среды зависит от множества параметров, сопутствующих ей, таких как влажность и плотность материала и воздуха, температура, ионизация воздуха и пр.
Рассматривая влияние леса на прохождение радиоволн различных диапазонов, пришли к выводу, что необходимо ввести понятие
об эффективной диэлектрической проницаемости лесной среды гэф.
Эффективная диэлектрическая проницаемость лесной среды гэф -это некий комплексный показатель, влияющий на распространение электромагнитной волны радиочастотного диапазона, назовем его комплексной диэлектрической проницаемостью (КДП) лесной среды еа (Санников, Серебренников Серков, 2013). Комплексный показатель является суммарной характеристикой каждого компонента (элемента) лесной среды, соотнесенного с объемной долей этих элементов в лесном массиве:
-V'/- -
где V - объемная доля /-го элемента в общем объеме лесной среды;
8™ - комплексная диэлектрическая проницаемость элемента лесной среды;
а - константа, учитывающая особенности лесного массива.
Поверхность ствола дерева является средой рассеяния (отражения), влияющей на величину дисперсии радиосигнала. Объем ствола дерева V определяется долевым составом и структурой поверхности ствола дерева, состоящей из коры, влаги и окружающего воздуха. Константа а показывает соотношение воздуха, жидкости и твердого материала древесины. При а = 1 значения КДП суммируются, а при а = 0,5 суммируются комплексные показатели преломления. Рассеянный сигнал является широкополосным за счет неоднородности лесной среды, для оценки его амплитуды использовали теорию аналитического сигнала. Поэтому эффективная диэлектрическая проницаемость лесной среды гэф не остается постоянной во времени и в пространстве - гэф = Дх, у, 2, 0.
Это означает, что эффективная диэлектрическая проницаемость лесной среды гэф и проводимость оэф зависят от частоты радиосигнала, распространяющегося в лесной среде.
Криволинейность поверхности ствола дерева увеличивает величину рассеивания отраженных радиоволн. Углы отраженных радиосигналов в горизонтальной плоскости могут достигать 180°, особенно данный факт актуален для деревьев с диаметром ствола, превышающим длину волны радиосигнала. Деревья с диаметром ствола меньше длины волны радиосигнала рассеивают намного меньше, так как основная энергия радиоволны огибает дерево с наименьшими потерями. На измеренное поле энергии радиоволны влияют диаметры стволов деревьев и диэлектрическая проницаемость раздела древесина - воздух. Рассчитаем среднее поле в лесном массиве по формуле
где I - расстояние до точки измерения поля;
d - диаметр ствола дерева; £ - диэлектрической проницаемостью;
V - плотность излучения. С учетом того, что все деревья в лесу расположены случайным образом на участке площадью 5", определим вероятность произрастания деревьев на этом участке dS:
Предположим, что источник модулированной радиоволны обладает стабильными параметрами и постоянной плотностью излучения V при условии, что на участке dS будет находиться хотя бы одно дерево. Тогда вероятность того,
что в лесном массиве N количество деревьев будет
Относительные показатели рассеивания энергии поля отдельными деревьями в зависимости от их
геометрических размеров представлены на рис. 3.
Таким образом, имеющиеся доказательства подтверждают тот факт, что лесной массив с его неоднородностью сильно влияет на прохождение радиосигнала от
Экология
КРГО-метки к считывателю, величину рассеивания (ослабления) которого необходимо учитывать при проектировании размещения ИЕГО-устройств в лесном массиве для мониторинга леса наземными электронными средствами.
Рис. 3. Относительные показатели рассеивания стволами деревьев: 1 - пихта; 2 - ель; 3 - береза; 4 - сосна; 5 - осина; 6 - лиственница; 7 - кедр
Библиографический список
1. Санников С.П., Серебренников М.Ю., Серков П.А. Влияние анизотропных характеристик леса на распространение радиочастотного сигнала RFID-метки // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 2. URL: www.science-education.ru/108-8623 (дата обращения: 19.03.2013).
2. Серебренников М.Ю., Санников С.П. Возможности и перспективы использования RFID-технологии в таксационных исследованиях управления лесами // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России: матер. VII всерос. науч.-техн. конф. Екатеринбург: УГЛТУ, 2011. Ч. 1. С. 58-60.
3. Чухланцев А.А., Шутко А.М., Головачев С.П. Ослабление электромагнитных волн растительными покровами // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. № 11. С. 1285-1311.
4. Pampaloni P. Microwave radiometry of forests // Waves in Random Media. 2004. № 14. P. 275-298.
