Экспериментально определены особенности сверхкороткоимпульсной локации (СКИРЛ) лесных сред, проведена оценка коэффициента ослабления леса на частоте 10 ГГц с использованием короткоимпульсной системы контроля лесной среды. Предложен метод построения радиотомограмм тестового участка леса при однопозиционном сканировании наносекундным радаром.

Сверхкороткие импульсы находят широкое применение в таких областях радиоэлектроники как сверхширокополосная радиосвязь, радиолокация, системы точного позиционирования и т.д. 1 . Вместе с тем несомненный интерес представляет их использование в системах дистанционного зондирования, в частности, при исследовании лесных сред методами сверхкороткоимпульсной радиолокации. Наиболее характерными специфическими особенностями СКИРЛ 2 являются высокая разрешающая способность по дальности, определяемая шириной используемого частотного спектра и эффект контрастности отражений от объектов. Указанные особенности приводят к другому, чем в традиционной локации, характеру отраженных сигналов от местности, создавая рельефную картину из отдельных импульсов отраженных от местных предметов и характерных участков местности, в том числе и на предельно малых дальностях.

Целью настоящей работы является экспериментальное выявление особенностей СКИРЛ лесных сред, связанных, в основном, с их высокой разрешающей способностью, оценка их ослабляющих свойств и радиотомография леса.

Экспериментальная оценка коэффициента ослабления леса. Как указывается во многих работах, например [3], лес считается наиболее сложным объектом для построения моделей рассеяния волн. Основой для построения таких моделей являются результаты экспериментальных исследований, полученных методами традиционной радиолокации. Новые результаты, полученные при короткоимпульсной локации лесных сред, послужат для дальнейшего развития моделей и их практического приложения. При проведении наземных измерений наиболее доступной является горизонтальная локация лесных покровов. Измерительная установка на базе наносекундного радара позволяет проводить такие измерения при любом рельефе местности. В состав измерительного комплекса входят наносекундный радар, параболическая антенна с опорно-поворотным устройством, цифровой осциллограф TDS1012 с блоком расширения TDS2CMA, ноутбук, коаксиальные кабели с нагрузкой 50 Ом для регистрации сигналов и кабель питания, а также электрогенератор на 220 В.

Для экспериментального определения данного коэффициента были проведены соответствующие измерения для лиственного (береза) и хвойного (сосна) лесов. При этом, для лиственного леса измерения проведены в разные сезоны года - весной (апрель), когда деревья стоят без листвы и летом (август), деревья в полной листве. При измерениях использовалась следующая методика измерений. Выбирался участок леса с относительно ровной границей лес - открытое пространство. Радар устанавливался в 50 метрах от границы леса, и далее проводилось его сканирование в пределах относительного азимута 13 с шагом 3 при угле места 0.

На рис.1 представлены экспериментальные осциллограммы, полученные для лиственного леса при весенних измерениях. Осциллограмма представляет график зависимости амплитуды отраженного сигнала от времени его прихода в систему регистрации. Значения уровня отраженного сигнала отложены по вертикали, по горизонтали - время прихода сигнала в пересчете на расстояние. На графике выделена усредненная осциллограмма по четырем наиболее близко совпадающим осциллограммам. Такой подход позволяет считать данный участок леса однородным, с плотностью выше средней.

Рис.1 - Экспериментальные осциллограммы (весенние измерения).

За аналитический сигнал принимается огибающая отраженных импульсных сигналов. Как следует из рис.1, амплитуда аналитического сигнала монотонно убывает с расстоянием, что обусловлено ослаблением в лесной среде. Таким образом, оценку ослабления можно сделать на основе линейной аппроксимации, построенной по методу наименьших квадратов. Для этого выделим участок осциллограммы в пределах от 58 до 136 метров, на который приходится интересующая нас область леса. Наклонной прямой показана линейная регрессия, соответствующая экспериментальным отсчетам уровня отраженного сигнала. Расчетный коэффициент корреляции равен 0,93, что указывает на хорошее совпадение экспериментальных данных с линейной зависимостью. Далее используем вольт-ваттную характеристику радара и оценим коэффициент погонного ослабления как отношение разности сигналов в дБ для соответствующих расстояний. Оцененное таким образом значение коэффициента погонного ослабления составляет 0,9 дБ/м. Отметим, что данное значение получено для наиболее закрытых трасс, то есть, оценено максимальное ослабление для данного конкретного участка леса.

Экспериментальные осциллограммы, полученные при аналогичных измерениях этого же участка леса в летнее время, показывают более сильное ослабление сигнала, что объясняется влиянием листвы. При этом усредненный график становится более сглаженным, исчезают отдельные пики на осциллограмме, соответствующие отражениям от отдельных деревьев. Кроме того, сказывается влияние подроста и кустарников, также покрытых листвой. Тем не менее, отраженные сигналы наблюдаются до расстояний порядка 80 метров. Определенное по аналогичной методике значение коэффициента погонного ослабления составило 1,25 дБ/м.

При исследовании лесных сред был проведен эксперимент на одном из типовых участков хвойного леса. При этом предварительно был снят план данного участка леса. Средняя плотность составляет 0,04 дер/м², что позволяет отнести данный участок леса к редкому типу лесов. Характер осциллограмм при различных ракурсах меняется незначительно. Усредненное значение коэффициента погонного ослабления составила 0,2 дБ/м.

В целом, для более точной оценки коэффициента погонного ослабления необходимы дополнительные систематические измерения с учетом типов лесов, их средних параметров, сезона измерения и т.п. Отметим, что ранее такие работы по определению поглощающих свойств лесных сред были проведены в диапазоне частот 100 - 1 000 МГц 4 . Полученный результат позволил расширить ранее полученную частотную зависимость погонного ослабления, которая может быть аппроксимирована следующим выражением 3 :

, (1)

где = 0,8, а = 810^-4 - регрессионный коэффициент, f - частота, МГц.

Эффективную проводимость леса можно определить как 5 :

, (2)

где - эффективный показатель преломления лесного слоя.

В этом случае с учетом (1)

(3)

Данная функциональная зависимость эффективной проводимости учитывает как частотную дисперсию, так и показатель преломления, зависящий от плотности лесной среды.

Радиоволновая томография леса. Как следует из полученных результатов при зондировании лесных сред в случае СКИРЛ обеспечивается достаточная глубина проникновения излучения в лесную среду. При этом пространственное разрешение оценивается как , что составляет для данного случая 1,5 метра. Таким образом, реализуется достаточно высокое пространственно-временное разрешение, что дает основания для использования методов радиолокационной томографии применительно к исследуемому объекту. В случае остронаправленной антенны при томографии леса, оптимальной является схема углового сканирования 6 . Имеющаяся поворотная система радара позволяет производить сканирование в широком угловом диапазоне, как по азимуту, так и по углу места. Изменение во времени амплитуды принятого сигнала фиксировалось с использованием цифрового осциллографа Tektronix с шагом оцифровки 0,1 нс и далее обрабатывалось в среде MathCAD.

Для повышения качества томограммы проведена перенормировка радарных данных по всем ракурсам, то есть для каждого угла сканирования с учетом среднего значения коэффициента погонного ослабления. В общем-то, такую операцию можно провести для каждого ракурса с учетом коэффициента погонного ослабления именно для этой трассы. Но при этом мы имели бы набор частных проекций. Использование среднего значения коэффициента ослабления позволяет унифицировать данный подход и применить его для любого произвольного участка леса.

Томограмма тестового соснового участка леса представлена на рис.2. Здесь использована градация серого цвета, где более яркие места соответствуют областям с большим значением отраженного сигнала, то есть положению отдельных деревьев, либо группам близко расположенных деревьев.

сверхкороткоимпульсная локация лесная среда

Рис. 2 - Радиотомографическая карта соснового участка леса.

Совмещение полученной томограммы со снятым планом участка леса (50 40 м²) показывает удовлетворительное соответствие. Точная оценка совмещения затруднительна из-за дополнительных неоднородностей, связанных с неотмеченным на плане подростом леса и возможными неточностями самого плана. Следует заметить, что схема расположения деревьев, то есть план леса, строилась первоначально именно для оценки качества томограммы. Для дальнейшего улучшения качества томограммы необходимы более тщательные измерения с учетом угловой ширины диаграммы направленности антенны и вкладов ее боковых лепестков, вносящих дополнительные погрешности. Альтернативным подходом может быть использование другой схемы измерений, при которой съемка происходит при параллельном перемещении измерительной установки относительно границ леса.

Томограммы лиственного леса были построены по необработанным данным, то есть, без учета погонного ослабления. Тем не менее, качественное сопоставление томографических изображений позволяет выявить значительные различия в разные сезоны года. Более детальный анализ возможен с учетом средних параметров леса и дополнительной обработки данных, что представляет собой дальнейшее направление исследований.

Заключение