Файл отчета в MS Word

Научная часть отчета по стационару «Хурумша» за 2011 г.

В 2011 году на базе радиофизического стационара «Хурумша» были проведены работы в рамках плановой темы СО РАН. Получены следующие основные результаты:

а) Определение коэффициента обратного рассеяния от лесного и травяного покровов.

Одним из основных параметров уравнения дальности в радиолокации является ЭПР цели. При этом количественные оценки полей рассеяния радиоволн физическими объектами могут быть получены либо при измерениях ЭПР в натурных условиях, в частности на полигонах радиофизических стационаров, либо путем теоретических исследований, основанных на строгом или приближенном решении задачи дифракции радиоволн на исследуемом объекте. Существует достаточно много методов расчета ЭПР элементарных объектов для узкополосных гармонических зондирующих сигналов. В связи с развитием СШП короткоимпульсной радиолокации актуальным становится вопрос об оценке ЭПР объекта СШП сигналами. Новые возможности для определения ЭПР природных объектов (лес, травяной покров) с помощью наносекундного радара исследованы при проведении экспериментальных работ в условиях сильнопересеченной местности (рис.1).

Рис.1. Район исследований. Данные Google Earth.

Координаты местности 51°52′56″ с.ш., 107°59′19″ в.д. Измерения проведены в различные сезоны года (лето, июнь и осень ноябрь), т.е. когда состояния травяного и лиственного покрова резко отличаются. При проведении измерений радар был установлен на гребне горы на отметке по высоте 630 метров над уровнем моря, исследуемые объекты (лес, открытая поляна с травяным покровом) расположены ниже в долине ручья на высоте 580 м. над уровнем моря (данные Google Earth). Общий вид на исследуемую поверхность с точки установки радара приведен на рис.2. С этой позиции проведено 4 сеанса измерений в течении одного дня, при этом климатические условия менялись незначительно (ясно, ветер слабый). Проведена дополнительная калибровка относительно свободного пространства для определения уровня шумов.

Рис.2. Общий вид исследуемой поверхности.

Данные всех измерений представлены на рис.3 в виде графика зависимости от уровня входного сигнала от времени в пересчете на дальность. Первые пики сигнала на расстояниях 60 90 метров соответствуют отражениям от немногочисленной группы сосен на склоне горы, далее на расстоянии 200 метров наблюдаются отраженные сигналы от отдельного участка березового леса. На рис.2 этот участок находится в левой части фотоснимка. Исследуемые объекты открытая поляна и участок березового леса – расположены соответственно в центре фотоснимка и выше.

Рис.3. Графики отраженных сигналов всех регистраций.

Как следует из экспериментальных осциллограмм отраженные сигналы от травяного покрова, наблюдаются на расстояниях от 220 до 320 метров (рис.4а), 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 ЭПР леса взят участок осциллограммы от 370 до 450 метров (рис.4б).

Рис.4 Усеченные осциллограммы графиков отражений.

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 (рис.4б). Возможным объяснением является сложение разделенных в пространстве равноудаленных сигналов, отраженных от верхней кромки леса, прошедших через толщу лесного слоя и отраженных от поверхности земли в обратном направлении, а также рассеянных волн на кронах деревьев и листве. Таким образом, сигналы в точке приема представляют собой последовательность импульсов различной формы и амплитуды. В этом случае используется понятие «обобщенной» ЭПР

На экспериментальных осциллограммах приведены 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 ЭПР исследуемых участков используем следующее соотношение:

где  Sпр(θ) - площадь облучаемого участка поверхности,

• σМ - ЭПР калибровочной мишени,
• Pпр - усредненная мощность принятого сигнала от участка поверхности,
• PМ - мощность принятого сигнала, отраженного от калибровочной мишени.

Площадь облучаемого участка с учетом угла определяется известным выражением

Для определения параметра PМ , входящего в выражение (2), проведены дополнительные калибровочные измерения. Калибровочная мишень представляет собой трехгранный уголковый отражатель с размером каждого ребра 90 см. 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 метров на удалении 100 метров и 17,5 метров на удалении 200 метров. При длительности зондирующего импульса 10 нс разрешение по дальности составляет 1,5 метра. Методика калибровочных измерений состояла в следующем. Радар устанавливался на высоте 4 метра, а уголковый отражатель соответственно на высоте 0,5 метра 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 метров. Результаты данных измерений приведены на рис. 5.

Рис.5. Данные калибровочных измерений

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 (на рис.5 указана пунктирной линией). Для уточнения данной зависимости необходимы дополнительные измерения на расстояниях больше 200 метров, что особенно актуально при проведении натурных измерений.

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 (рис.4 а,б) соответственно при средних дальностях 260 метров и 410 метров. ЭПР уголкового отражателя рассчитывается по известной формуле

и равна 3052 м² для λ = 3 см.

Согласно выражению (2) по результатам измерений для травяного покрова σ ⁰ = -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.6. При измерениях дополнительно использован уголковый отражатель (l=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 (выражение (2)) определялся по методике описанной выше. Выявлено, что σ⁰ для леса составил -8 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.

Рис.6. Калибровка сигнала с использованием уголкового отражателя

Полученные результаты качественно согласуются с известными литературными данными. Так в работе [1] приведены коэффициенты рассеяния леса, полученные с помощью калибровочной цифровой РЛС с синтезированной апертурой на длине волны 3 см. Для смешанного лиственного леса значение коэффициента рассеяния равно -7,5 дБ.

В работе [2] моделировалось обратное рассеяние от березового леса в возрасте ∼ 60 лет со средней высотой 10 12 метров и средним диаметров стволов 15 17 см. Эти параметры близки к исследуемому участку леса. Рассчитывались коэффициенты σ⁰ отдельно для веток, листвы, сухой и влажной почвы и суммарный коэффициент в зависимости зеленой фитомассы. Общий вывод работы [2] заключается в том, что с уменьшением длины волны значение коэффициента обратного рассеяния возрастает. Здесь наименьшая рассматриваемая длина волны составляла 20 см., а σ⁰ - 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.

б) Томографическое изображение леса.

Изображение в томографии формируется по измеренной синограмме объекта. Синограмма¹ – это двухмерное изображение всех одномерных проекций объекта как функция проекционного угла. На рис. 7 условно показано измерение синограмм для радиолокационной томографии. Облучение объекта направлено вдоль оси Y. При этом измеряется распределение амплитуды отраженного сигнала. Оценивается затухание сигнала при каждой проекции.

Рис.7. Измерение синограмм для РЛТ.

Для оценки ослабления сигнала были просуммированы значения всех трассировок сканирования и разделены на количество трасс, т.о. получен среднее значение величины отраженного сигнала (рис.8).

Рис.8. Трассировки сканирования и средняя величина трасс.

Используя линейную аппроксимацию усредненного сигнала находим ослабление сигнала и корректируем данные измерений с учетом этого ослабления. (Рис.9).

Рис.9. Данные трассировок с учетом ослабления.

Для получения томографического изображения леса был выбран тестовый участок леса. Студентами Бурятского лесопромышленного колледжа был составлен план этого участка. После измерений был произведен перерасчет полученных данных с учетом коэффициента ослабления, как было показано выше. Полученная томограмма и план участка приведены на рис. 10.

Рис10. Томограмма и план леса

в) Обнаружение замаскированных объектов в лесной среде.

Для определения возможностей наносекундного радара (несущая частота 10 ГГц, длительность импульса 10 нс, частота повторений импульса 5 КГц) при просвечивании лесного массива свойства обнаруживать скрытые металлоподобные объекты замаскированные в лесном пологе был проведен следующий эксперимент. Была построена томограмма лесного массива, и на различных расстояниях (30, 40, 50 и 60 м) от кромки леса устанавливался уголковый отражатель с гранями 90 см и для каждого случая построены отдельные томограммы (рис. 11а,б,в,г).

а

б

в

г

Рис.11. Томограммы с различным положением УО в лесном массиве

Так же был проведен эксперимент в условиях сильнопересеченной местности с установкой уголкового отражателя на краю леса и в лесу на расстоянии около 10 м. Результаты показаны на рис. 12.

Рис.12. Графики отраженных сигналов от УО на краю леса, и в лесу.

На обоих уголках явно выделяется отраженный сигнал от уголкового отражателя. Но во втором случае уровень отраженного сигнала от кромки леса значительно увеличился и превысил уровень сигнала от уголкового отражателя. В продольном направлении область «возбуждения» составляет 8 10 метров, а в поперечном направлении с учетом диаграммы направленности антенны пространственное разрешение для данного расстояния составляет порядка 38 метров. Область формирования отклика лесного полога, в точке установки уголкового отражателя составила ~300м². Таким образом, кроме того, что этот эффект свидетельствует о наличии в лесу сосредоточенной цели, появляется возможность определить примерное положение такой цели. Данный результат имеет самостоятельное прикладное значение для обнаружения металлоподобных объектов, укрытых под лесным пологом.

г) Поиск скрытых объектов под слоем грунта.

Эксперимент проводился на пересеченной местности в районе выезда из города в сторону п. Энергетик. Трехгранный уголковый отражатель с размером ребра 0,7 м. устанавливался на открытой поверхности (выровненный песчаный грунт). На возвышенности устанавливался наносекундный радар, при этом относительная высота подъема составила 10 метров по данным Google Earth. Затем определялся уровень отраженного сигнала от уголкового отражателя (УО), уровень фонового сигнала и уровень сигнала от УО укрытого в песке. Глубина установки УО составила 33 см. с учетом слоя песка над ним в 3 см. Расстояние до объекта составило 65 метров. Угол облучения составил 81,2°. При анализе данных из общей осциллограммы выделен отрезок от 60 до 70 метров. Для более точной установки был измерен уровень сигнала от УО в открытой яме, достаточно слабый с учетом диаграммы направленности УО, но калибрует по дальности местоположение зарытого УО.

Рис.13. Отраженный сигнал от УО под песком.

На выделенном участке на рис.13 наблюдается явно выраженный отраженный сигнал от УО зарытого в песок, при этом уровень сигнала превышает фоновый от поверхности песка.

д) Определение коэффициента ослабления на частоте 10 ГГц.

В случае короткоимпульсной локации леса излучение проходит сквозь весь лесной массив, испытывая фоновое затухание. Ослабление сигнала можно оцепить средней величиной коэффициента ослабления. Для экспериментального определения данного коэффициента были проведены соответствующие измерения для лиственного (береза) леса в разные сезоны года — весной (апрель), когда деревья стоят без листвы, летом (август), деревья в полной листве и осенью (ноябрь). При всех 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. 14 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.14. Экспериментальная осциллограмма весенние измерения).

За аналитический сигнал принимается огибающая отраженных импульсных сигналов. Как следует из рисунка 14 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 (рисунок 15). 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 еще раз, что данное значение получено для наиболее закрытых трасс, то есть, оценено максимальное ослабление для данного конкретного участка леса.

Рис. 15 – Линейная аппроксимация усредненной осциллограммы (весна).

На рис.16 представлены экспериментальные осциллограммы, полученные при аналогичных измерениях этого же участка леса в летнее время. Можно отметить 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. Некоторое смещение первого типа отраженного сигнала на осциллограмме, относительно весенних измерений, объясняется несовпадением точки измерений из-за отсутствия видимых ориентиров. Однако в данном случае важен был качественный результат.

Рис.16 – Экспериментальные осциллограммы (летние измерения).

Используя аналогичную методику, определим значение коэффициента погонного ослабления, которое составило 1,25 дБ/м.

Рис.17 – Линейная аппроксимация усредненной осциллограммы (лето).

На рис.17 представлены экспериментальные осциллограммы, полученные при измерениях участка леса в осеннее время. Было произведено 10 измерений, регистраций сигнала которые были усреднены (на рисунке выделен жирной линией).

Рис.17. Экспериментальные осциллограммы (осенние измерения).

По усредненному сигналу аналогично вышеописанной методике определялся коэффициент погонного ослабления. Усредненное значение составило 0,45 дБ/м (Рис.18).

Рис.18. Линейная аппроксимация усредненной осциллограммы (весна).

Диэлектрические свойства элементов дерева, влияющие на отражающие и поглощающие свойства леса, меняются в течение года. Это объясняется изменчивостью водного режима отдельных элементов дерева. В осеннее время жизнедеятельность деревьев значительно замедляется, что выражается в уменьшении значений коэффициента ослабления. В весенний период происходит увеличение влажности живой древесины дерева, включая тонкие ветви и ветки, образующих крону дерева. При этом значение коэффициента ослабления увеличивается в два раза. В летний сезон к дополнительному увеличению ослабления приводит наличие листвы.

На основании экспериментальных данных можно оценить сезонные вариации эффективной проводимости, используя следующее соотношение:

где n′ - эффективный показатель преломления лесного слоя. Принимая пределы изменения n′ от 1.01 до 1.1, получим следующие значения, указанные в таблице 1.

Для березового леса характерен период интенсивного соковыделения, который зависит от установившегося температурного режима [3]. График зависимости соковыделения от температуры в период интенсивного соковыделения показан на рис. 19. После этого периода режим соковыделения падает и остается относительно стабильным в остальные сезоны года.

Рис. 19. Сокопродуктивность берез и среднесуточная температура воздуха (1997 г.): 1 - температура воздуха, 2 - обычная береза, 3 - безузорчатая береза, 4 - узорчатая береза.

В этот период, который может варьироваться по дате (с марта по май), в зависимости от климатических условий, влажность березы достигает максимальных значений, что значительно влияет на электрофизические характеристики березового леса.

Весенние измерения были проведены 23 апреля. На рис. 20 показаны суточные изменения температур в период проведения измерений [4], и согласно [3] можно утверждать, что в момент проведения измерений березовый лес находился в фазе интенсивного соковыделения. Коэффициенты ослабления в весенний и осенний периоды отличаются по значению в два раза, когда условия измерения практически совпадают (почек, листьев нет, температурный режим примерно равен) и объясняется периодом интенсивного соковыделения.

Рис.20. Суточные температуры воздуха (апрель 2010 г.).

Полученные данные могут быть использованы для определения комплексной диэлектрической проницаемости и ее сезонной вариации.

Список использованных источников.

1. E.S. Kasischke, R.W. Larson.
   Calibrated X and L band scattering Coefficients from a southern US forest // Proc. IGARSS’86, Zurich, 8-11 Sept, 1986 P.895-901.
2. Козодеров В.В., Косолапов В.С.
   Определение биомассы лесной растительности по радиолокационным измерениям со спутников // Исследование Земли из космоса. 2005, №3, с. 73-85.
3. Н.Н. Николаева, Л.Л. Новицкая. Особенности весенних фаз в развитии Карельской березы. //Лесоведение, 2006, №6, с. 59-65
4. Метеостанция Улан-Удэ, Россия, WMO_ID=30823, выборка с 01.04.2010 по 30.04.2010, все дни. Данные предоставлены WEB-сайтом "Расписание Погоды", http://rp5.ru/archive.php?wmo_id=30823&lang=ru

2.1. Наряду с этим выполнялись экспедиционные работы по интеграционному проекту СО РАН № 56 «Сейсмоионосферные и сейсмогеоэлектромагнитные процессы в Байкальской рифтовой зоне». Проведены калибровочные работы в соответствии международным проектом с Японским Космическим Агентством “JAXA-EORS” по калибровке космического радара ALOS (Advanced Land Observing Satellite-PALSAR”.

2.2. В экспедиционных работах принимали участие сотрудники лаборатории, соисполнители интеграционного проекта РФФИ, а также дипломники ВСГТУ (Кафедра «Электронных Вычислительных систем»). В научно-исследовательских работах участвовало 28 человек, из них: докторов наук -2, кандидатов наук -10, работников с высшим образованием -23, дипломников -2, студентов- 2.

2.3.

2.4. Список публикаций в рецензируемых журналах:

1. Очиров О.Н., Доржиев Б.Ч., Базаров А.В. Результаты использования короткоимпульсной системы контроля лесной среды // Ползуновский вестник. 2011. № 3/1. С. 162–168.
2. Базаров А.В., Кирбижекова И.И., Сультимов Б.Б., Ширапов Д.Ш. Информационная система использования данных TOMS // Вестник Бурятского государственного университета. 2011. Выпуск 9: Математика и информатика. С.69–74.