WIDEBAND RADIO SOUNDING OF VEGETATION COVERS OF THE EARTH SURFACE

Abstract

The article describes the results of experiments on radio sounding of forest vegetation with wideband pulse signals. The authors give notice to significant differences in changes of spectra of signals at interaction with different types of forests.

Full Text

В настоящее время методы радиопросвечивания ления химического состава среды распространения широко используются при изучении физических свойств зондирующих сигналов, а также ее внутренней струкразличных природных сред. Это относится к исследо- туры, особенно при наличии резких границ, характерваниям атмосферы Земли и других планет, а также ных для слоистых и многокомпонентных гетерогеноколосолнечной плазмы [1], к различным методам ных сред. георазведки [2] и к определению электродинамиче- В данной работе рассматриваются результаты эксских характеристик земных покровов, например, ле- периментов по наземному радиопросвечиванию лесдовых [3] или растительных [4]. Радиопросвечивание ной растительности широкополосным излучением. является весьма эффективным инструментом опреде- Основной задачей, решаемой при проведении экспе- Работа поддержана грантом РФФИ №12-02-98010. 126 Вестник СибГАУ. № 5 (51). 2013 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 поме-ховых 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 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 f, МГц Рис. 2. Спектр сигнала, полученный на открытой местности (в поле) 40 Θ0 80 100 120 140 160 180 200 220 240 f, МГц Рис. 3. Спектр сигнала, полученный в плотном хвойном лесу 127 Раздел 2. Радиофизические методы диагностики окружающей среды. Алгоритмы, инструменты и результаты 4D 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 1 МГц 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.