Сверхширокополосное зондирование лесного полога

Размещено на http://www.allbest.ru/

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ЛЕСНОГО ПОЛОГА

В.П. Якубов, Е.Д. Тельпуховский, Г.М.Цепелев, Томский государственный университет

В.Л. Миронов, В.Б. Кашкин, Красноярский научный центр СО РАН

АННОТАЦИЯ

лесной сверхширокополосный радиоизлучение юстировка

Описываются результаты экспериментального исследования эффектов, возникающих при локации лесного покрова Земли с использованием импульсного сверхширокополосного радиоизлучения. Остронаправленные передающая и приемная антенны, ориентированные под скользящим углом на лесной полог, располагалась на высоте 21 м над землей на специальной вышке. Для юстировки и калибровки измерений использован уголковый отражатель. Эксперименты проводились на полигоне Института леса им. В.Н. Сукачева КНЦ СО РАН. Полученные данные важны для повышения надежности системы аэрокосмического зондирования Земли.

ПЛАН

Введение

Экспериментальная установка и методика проведения измерений

Результаты зондирования лесного полога

Отражение от уголкового отражателя

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время отмечается все возрастающая роль аэрокосмических информационных технологий, основанных на применении радиотехнических систем в микроволновом диапазоне радиоволн в задачах охраны окружающей среды и, в частности, в оценке биологического и экологического состояния бореальных лесов планеты. Для правильной интерпретации данных аэрокосмического зондирования лесных покровов необходима адекватная модель взаимодействия радиоизлучения с лесом. Настоящая работа является продолжением теоретических и экспериментальных работ, начатых авторами в этом направлении [1-5]. В работе приводятся последние экспериментальные результаты, полученные методом сверхширокополосного радарного зондирования «эталонной сцены» лиственничного полога. Экспериментальные данные являются ключевыми для построения электрофизической модели лесного полога.

Известно большое число моделей локационного рассеяния электромагнитных волн на лесном пологе, основа которых заложена в работах [6-8]. Характерной особенностью этих моделей являются подходы, которые рассматривают лесной полог как объект, состоящий из совокупности большого количества рассеивающих элементов (листья, сучья, ветви и побеги, стволы), каждый из которых требует для своего описания многочисленных параметров, геометрических (форма и размеры деревьев) и электрофизических (комплексная диэлектрическая проницаемость). В результате соотношения для решения обратных задач восстановления параметров леса становятся многопараметрическими, и возникают трудности для однозначной интерпретации полученных решений. Кроме этого, часто применяются подходы, основанные на уравнении переноса для интенсивности рассеянного поля, что исключает или ограничивает возможности учета и использования когерентной природы радиолокационных изображений.

Лесная среда, в общем случае, представляет собой сложную неоднородную среду для распространения радиоволн, стандартные подходы к описанию которой не вполне приемлемы. Лесной полог является композиционной средой, включающей в себя как непрерывные, так и дискретные образования, описание взаимодействия электромагнитного излучения с которыми существенно различается. Представление лесного полога как слоистой случайно-неоднородной среды, характеризующейся эффективной диэлектрической проницаемостью [1-5,9-11], хотя и дает достаточно точное решение прямой задачи дистанционного зондирования и возможность определения средней высоты древостоя при решении обратной задачи, представляет определенные трудности для практического использования. Эти трудности связаны с методическими возможностями определения функциональной (статистической) связи диэлектрической проницаемости от биометрических (лесотаксационных) параметров лесного покрова для больших территорий, обусловленных слабым пространственно-временным разрешением узкополосных радаров.

Теоретически было предсказано [1-3] и экспериментально подтверждено [5] существование двух механизмов прохождения волн сквозь лесную среду. Первый механизм - это прямое прохождение волн сквозь всю толщу леса, характеризующееся экспоненциальным ослаблением с расстоянием. Второй механизм - это механизм боковой волны, при котором траектория волны искривляется и большая её часть проходит над лесом. Ослабление при этом описывается степенным законом. Какой их этих механизмов доминирует при радарном зондировании, можно ответить с использованием метода сверхширокополосного радарного зондирования лесного полога, при котором исключаются практически все трудности в интерпретации результатов зондирования, присущие зондированию узкополосными системами. Сверхширокополосные радары в микроволновом диапазоне радиоволн позволяют получать разрешение по дальности порядка единиц сантиметров и по азимуту порядка нескольких метров. Таким образом, область формирования отклика лесного полога на зондирующий импульс сужается по площади до единиц квадратных метров с точностью пространственной привязки самой области формирования отклика в единицы сантиметров. Определение биометрических (лесотаксационных) параметров древостоя на указанных площадях не представляет трудностей.

Таким образом, возникает возможность получить необходимый набор параметров для разработки адекватной электрофизической модели лесного полога и, в конечном счете, для решения обратной задачи дистанционного зондирования - восстановления биометрических (лесотаксационных) параметров лесного полога.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

В Томском государственном университете был разработан и изготовлен действующий макет импульсного сверхширокополосного радара (Рис.1), спектр зондирующего сигнала которого занимал полосу от 0.5 до 3.5 ГГц. Испытания сверхширокополосного радиолокатора были проведены в августе 2002 года на полигоне Института леса им. В.Н.Сукачева Красноярского научного центра СО РАН.

Рис. 1. Сверхширокополосный импульсный радиолокатор для зондирования лесного покрова и уголковый отражатель

В ходе проведенных экспериментов были получены радиолокационные отклики лесного покрова на наносекундные импульсные сигналы. Для зондирования была задействована 40-метровая металлическая вышка (рис.1). Радиолокационный комплекс располагался на промежуточной площадке, имеющей высоту 21.3 м (Рис. 2). Передающая и приемная антенны параболического типа имели диаметр 1,6 м, а в качестве облучателей использовались сверхширокополосные излучатели собственного изготовления с полосой пропускания 1-12 ГГц при обеспечении КСВН не выше 1,2. В экспериментах была использована горизонтальная поляризация волн. Выбранное расположение приемопередающих антенн создавало полную имитацию аэрокосмической схемы зондирования. Для зондирования был выбран однородный лиственничный лес 35-летнего возраста со средней высотой 16 м. Подстилающий земной покров состоял из листвиничного опада толщиной 7 см и имел горизонтальный наклон порядка 3 о, как показано на рис. 2. Для проведения калибровочных измерений использовался уголковый отражатель, имеющий размер каждой грани 1 м (Рис.1).

Рис. 2. Схема радиолокации лесного полога

Рис. 3. Блок-схема радиолокатора

Блок-схема радиолокатора приведена на рис. 3. Основу радиолокатора составляет специально разработанный полупроводниковый генератор импульсных сверхширокополосных сигналов, с длительностью импульса нс и длительностью фронтов нс. Величина пикового напряжения в импульсе равнялась 240 В. Тактовый генератор обеспечивал частоту повторения импульсов 5 кГц. В качестве измерительного приемника был использован стандартный стробоскопический осциллограф типа С1-70. Типичной являлась схема измерения с длительностью временной развертки порядка 75 нс. Для регистрации сигнала на ЭВМ был разработан и изготовлен АЦП, позволяющий оцифровывать выходные сигналы. Для проведения сканирования отраженных сигналов по дальности в схему был введен ступенчатый генератор сдвига, позволяющий с фиксированным шагом в 25 нс менять моменты начала стробирования сигналов. Число ступеней (48) позволяло перекрыть диапазон радиолокационных дальностей от 0 до 180 м.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЛЕСНОГО ПОЛОГА