Электродинамические свойства лесных сред в диапазоне ультракоротких радиоволн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

г ъ ^

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ, ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТОМСКИ Й ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ мм. В. В. КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи

ДОРЖИЕВ Баир Чимитовнч

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕСНЫХ СРЕД В ДИАПАЗОНЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ РАДИОВОЛН

(01.04.03 — радиофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических науи

Томск 1993

Работа выполнена в Бурятском Институте естественных наук Сибирского отделения РАН

Научные руководители: Заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор

физико-математических наук Н. Б. Чимитдоржиев

заслуженный деятель науки Республики Бурятия, кдндидат физико-математических наук Е. М. Хомяк

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор В. Б. Фортес кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник А. Г. Дмитренко

Ведущая организация: Государственный Научно-исследовательский институт радио .

Защита диссертации состоится

мм

1993 г. в. часов

йа заседании специализированного Совета К 063.53.08 при Томском государственном • университете (634010 Томск, , пр. Ленина, 36)- . • ;

С диссертацией можно ознакомиться в. библиотеке университета. , -

Ученый секретарь . С)/ П цА

специализированного совета, ¿^(/у'МлКс

кандидат физико-математических наук Г. М. Дейкова

1. ОЩАЯ хАРАКтзикяшй РАБОШ

Актуальность исследований. Существенное влияние на условия распространения радиоволн и на работу всей радиолинии в целом огсззываег наличие растительности. При отом из всех типов растительного покрова сашму распространенными являются леса. За последние 60 лет бил проведены многочисленные экспериментальные и тес^етическнэ исследования по оцениванию влияния гчсти-гелькых и лесных покровов на распространение радиоволн. Несмотря на достаточно большое количество полученных данных, качественный прогноз и количественная оценка энергетических характеристик электромагнитного поля в строкой диапазоне волн от ДВ 10 МУВ до сих пор остается весьма актуальной проблемой»

Особое внимание уделяется УлВ и СИ, поскольку в указанных диапазонах действуют "ззлнчные системы радиосвязи, в том числе I, спутниковая связь с подвижными объектами, системы радиолокз-(кк и радионавигации и т.п. Тем не менее точное решение возникали при этом задач распространения и рассеяния радиоволн в лес-ых средах затруднено, поскольку приходится использовать прибли-енные модели. Поэтому, по-прежнему остается весьма актуальной азработка моделей, позволяющих оценить энергетические хлракте-истики электромагнитного поля при наличии лесов на радиотрассах.

Состояние "вопроса, цель и задачи работы. Первые 'сведения о шшии лесов на распространение электромагнитных волн относятся цэ к 1932 году, когда В.И.ПеРсиковым было установлено, что даль-зсть связи в лесу значительно меньше, чем на открытой местности. 1тем появились другие данные об' экранирующих свойствах лесных зеград. Далее в связи с расширение« радиовещательных и телеви-юнных сетей проводились работы по оценке влияния лесов на тем радиосигналов. При этом во многих работах полученные' рз-•льтаты носят частный характер из-за отсутствия данных о пара-трах лесных срад. В 60-е года акерикансывет авторами была продана серия работ по определению дальности связь в условиях унтлей. Результаты этих работ были положены в основу различат кодзлей дая учета влияния лесов. Не останавливаясь на прак-чоской направленности работ, откатим, что хотя эти кодели ли удзбкы дчя применения, они нэ приводили к пониманию физи-зкого кэхоиизка распространения радиоволн в лесной среде.

Большой шаг вперед был сделан Тамиром, который развил теорию боковой волны применительно к данной задаю. Оказалось, что многие ранее полученные результаты качественно согласуются с предложенной моделью.

Б результате интенсивного решения задач радиолокационного зондирования растительных покровов были разработаны модели, позволяющие оценить электрические параметры лесной растительности в диапазоне сантиметровых и дециметровых волн. Что касается метровой части диапазона, то здесь электрические характеристики растительности исследованы недостаточно как в экспериментальном плане, так и в области теоретических моделей. ■ Следует отмет! ь, что большинство исследований по данным вопросам относится к лесам тропических и субтропических районов, средних широт и лишь отдельные исследования проведены в лесах, характерных для умеренной зоны. Поэтому исследование дисперсионных свойстз и поляризационных особенностей лесов умеренных широт, к которым относятся „еса Забайкалья, позволит восполнить этот пробел.

Целью диссертационной работы является исследование поглощающих свойств лесных сред при кранировании ими излучения разл-ч-кых антенных систем в диапазоне метровых и дециметровых волн, определение интегральных электродинамических характеристик леса з исследуемом диапазоне.

Следует отметить, что в этой части УКВ помехозые отражения, вызываемые лесом, изучены в экспериментальном плане недостаточно. Несколько больае данных о поглощающих свойствах лес»ых сре,.. При этом во многих работах приводятся результаты, которые трудно сопоставить между собой, поскольку в них отсутствуют данные о параметрах леса. Следует также учесть, что в метровой и дециметровой части УКВ рассеивающие свойства леса обусловлены в основном стволами и ветвями деревьев и общий объем биомассы не явдяетск определяющим в зффектчх рассеяния. гСроме того, такой параметр,как относительная плотность биомассы, ощ деляется довольно сдонно и практически может оказаться непригодным для нахождения электродинамических характеристик лесной орегр. Поэтому возникает следующая задача - определить статистические параметры лесной растительности л выявить и; них те, которое удовлетворительно коррелировал:: бы с характеристиками поля.

Научная новизна работы заключается а следующем:

1. Разработан метод экспериментального определения погоге-югг ослабления радиоволн в леской среде, исключающий боковую волну и умс"ьэаю;ций влияние отраженной от земли волны. На основании полученных результатов по этому .методу выявлен ход частотной зависимости и уточнены реке ;ендации МйлР для лесов умеренной зоны.

2. Установлено, для метровой части УКВ диапазона основным парш/атром, хорошо коррелирующим с коэффициентом пс онного ослабления, является плотность деревьев, высота которых не менее половины средней высоты леса. Впервые получены корреляционные зависимости среднего значения коэффициента погонного ослабления, измеренного в дБ/м, от средней плотности деревьев для различных типов лесов.

3. Разработан метод экспериментального определения эффективной проводимости леск.Й среды в метровой части радиодиапазона при условиях, когда другие метода прямого измерения проводимости малопригодны. Полученные данные позволяют решить вопрос о дисперсии проводимости в исследуемом частотном диапазоне, сделать приближенную оценку эффективной проводиомсти леса по топографической карте без предварительных измерений.

Практическая значимость результатов работы. Проведен* че исследования проясняют физическую картину распространения электромагнитных волн в лесной среде и уточняют границу прменимос-ти модели боковой волны. Полученные результаты использованы в расчетах ослабления напряженности поля радиоволн в лесных массивах различных типов и позволили улучшить точностные характеристики УКВ угломерных систем, размещаемых вблизи них, что подтверждаете?. соответствующим актом об использовании результатов диссертационной работа.

Апробация результатов работы. Основные результаты и положения, послутав-дие основой для диссертации, были доложены на Всесоюзном совещании по распространению УКВ и ЭМС (Улан-Удэ, 1963), Ш (Ленинград, 1УсШ, лУ (Алма-Ата, 1987), ХУ1 (Харьков, 1990) Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн, Всесоюзно! совещании по приземному распространению и О'.'С (Улан-Удэ, 19^0), II, Ш и 1У Всесоюзных научно-практических семинарах ''Распространение радиоволн в городах, пригородных и лесопарковых зокзх" (Москва, 1589, 1990, 1932).

Публикации. По теме диссертации опубликовано II статей и т .зисов докладов в теыатическ х сборниках и материалах кокфереь ций, в центральной и местной печати.

Структура я объем диссертации. Диссертация изложена на 15с страницах машинописного текста, из них основной текст - на 1С страницах, иллюстрируется 40 рисункаж и графиками, состоит и трех глав, заключения, списка литературы из 81 наименований приложения.

II. 0СН0ШЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ АВТОРА, ВВШШЁ НА ЗАЩШ

' На защиту выносится следующее:

1. Метод определения коэффициента погонного ослабления ра дао волн УКВ диапазона в лесных массивах, позволяющий при бппо зкционном измерении оценить ослабление прямой волны с одновре пенным существенным уменьшением р клада с в результирующее пол в точке приема волны, отраженной от пов' рхности земли, и боко вой волны, распространяющейся вдоль верхней гранищ лесного слоя и проникающей в точку приема за счет преломления, устано вить корреляционную зависимость между биоморфологическими параметрами леса и коэффициентом погонного ослабления и тем самым обеспечк > адекватное решение задачи дистанционного зонди рования лесных сред.

2. Частотная зависимость коэффициента погонного ослабления для лиственного леса средней плотности в метровом и д? радетро воч диапазоне описывается квадратичной функцией логарифма час тоты. Экспериментальные значения коэффициента погонного ослаб ления возрастсет от 8 дБ/100 м до 30 дБ/100 м и больше рекоме даций Ьг1аКР в среднем на о дБ/100 м. Наибольшее отличие наблгод ется пр.. вертикальной поляризации для летнего сезона (до 10 дБ/100 м), для редких лесов указанная разность уменьшается.

о. ;.'<. .од решения обратной задачи - определение эффективно проводимости лесных массивов, основанный на совместно;.; анализ статистических характеристик б-ломорфолсг-/ческих г раыетров др востоя леса и коэффициентов погонного ослабления. 3 перспзкти Ее данный метод предлагается для составления прогнозных карт проводимости лесов с использованием топографических карт.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

с

X, Разработана специальная методика и соответсвукгсще приборы для-определения основных биоморфологических параметров леса, (средняя плотн'ость и средняя высота древостоя).

2. Разработан метод экспериметального определения коэффициента погонного ослабления УКВ, распространяющихся в лесной среде, с учетом влияния граг -ц раздела лесного слоя. Метод основан на относительных изк' рениях средних значений сигнала по быстркм пространственным флуктуациям кзадратов амплитуды поля г лесном слое вдоль трассы распространения радиоволн.

3. Установлена корреляционная зависимость коэффициента погонного ослабления для УКВ от средней плотности древостоя леса в интервале значений последнего от 5 дер/ар до 20 дер/ар.

4. Уточнена рекомендованная !А{КР частотная зависимость погонного ослабления для лиственного леса средней плотности. Экспериментальные кривые в д-апазоне частот 100 -' 1000 МГц показываю? б.олыие значения ослабления за. исключением случая горизонтальной поляризации в осенний период.

о. Выявлены сезонные вариации коэффициентов погонного ослабления на УКВ для лиственных лесов. Опеределена величина возрастания коэффициента погонного ослабления при переходе от зимне-гэ сезона к осеннему и от осеннего к летнему.

6. Исследован характер пространственных флуктуауш! амплитуды сигнала в .лесной среде и установлены законы их распределения ,б зависимости от расстояния г.ещу приемной и передающей антенна!.™. Нанесло® характерные законы распределения внутри лесной среду -логарц£шч9ск::-нормалькп1й и релеевский, причем последний доминирует с увеличением дальности.

7, Опрзд^лз.-ы границы изменения значений эффективной про во-двдрети лесов, характерных для умеренных широт, и степень их изменения в исследуемом частотном диапазоне.

о. шл?лена коррздяция между средними значениями эффективной проводимое?" И средним расстоянием между стволами деревьев. На оенорздии §?0Го разработана и предложена методика для расчета еф|;зкТйВН0Г] проводимости л<?сов по топографичес ким картам.

9, Разработан метод определений эффективных -значений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости лесной среды в исследуемом частотном диапазоне, Экспериментальные значения ^'находятся в интервале знаиедиЗ 1 »03 - 1,12.

Ш. СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Во введении.обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и основные задачи. Дана краткая характеристика состояния проблеш и показана новизна проведенных исследований и их практическая ценность.

Первая глава диссертации посвящена обзору отечественных и зарубежных литературных источников по вопросам распространения УКВ радиоволн вблизи лесистой земной поверхности. Дается краткое рассмотрение этих вопросов по мере развития теории и разработки моделей применительно к случаю распространения радиоволн в поглощающих средах, а также анализ результатов экспериментальных работ. Детальное обсуждение выявленных лрл этом эффектов таких, как частотная зависимость удельного ослабления, влияние поляризации на ослаблакие радиоволн, дистанционная и высотная зависимости напряженности поля в лесу приводится в отдельных параграфах. Также в отдзльком параграфе обсуждаются вопросы ослабления радиоволн при радиолокационном зонди* чвании растительных покровов. Подчеркивается, что большая обзорность радиолокационных методов зондирования и возможность получения оперативной информации с заданной периодичностью долают их весьма перспектиь-шми в области изучения естественной и антропогенной динамики лесных сообщест . Одним из таких направлений является радиолокационное топографированиз лесных массивов для получения лесотипс-логических карт, что в свою очередь необходимо для планирования интенсификации лессхозяйс?венного пролзв^дегаа, решения комплексов задач, связанных с орггнизацней лесного хозяйства, рехт.пиом природоохранных и рекреационная вопросов.

En второй тягана приводятся результаты экспериментального исследования поглощающих свойств лесных сред. Поскольку лзеную среду, BBivy случайности ео оснозньл параметров, мокно охарактеризовать только при псыощи определенных статистически усредненных пар; .«втрое, то и подход к изучению коэффициентзв поглощения тоже должен быгь статистическим. Несмотря на, казалось бы, очевидность такого подхода к изучение пространствен1 ix закономерностей радиополк в леской среде ьо многих ранее выполненных работах приводятся результаты, имзющие частный характер, поскольку в них отсутствует статистические параметры, хэрактериоую-■ цие тип леса.

г

В 2.1 приведено описание специально разработанной методики и изловленного соответствующего инструментария, с помощью которого были проведет обмеры основных биоморфологических параметров лесной растительности. Было выбрано четыре типа лесных участков, различавшихся по плотности и зидовому составу, лаздый из них имел свои обличительные особенности, связанные либо с плотностью древостоя, либо с его видовым составом. Установлено, что плотность древостоя для средних лесов составляет порядка 10 дер/ар, густых - около 20 дер/ар и редких -менее с дер/ар. Плотность лесной растительности зависит в основной от типа почвы и ее увлажненности. Средняя высота деревьев в перечисленных типах лесов меняется незначительно и зависит в некоторой степени от видового состава леса.

Во втором параграфе приводятся результаты экспериментальных измерений и изложена методика измерения погонного ослабления. Задачи экспериментального исследования влияния леса на поглощение УлЬ решались путем прямого измерения уровня напряженности поля в лесу при разнесении приемной и передающей антенн от 40 до 200 - 250 метров, Неоднородность лесной среда приводит к большим пространственным флуктуациям амплитуды сигнала, то есть к сильной пространственной неоднородности поля в месте г.^иема. Вследствие зтого пространственно-локальные значения сигнала в каядой точка приема располагаются случайным образом около некоторого среднего значения прямого сигнала. Таким образом, флуктуации ашлотуды сигнала, полученные в пределах нескольких длин волн, долдны Оыть усреднены. Средние значения амплитуды сигнала б кчддой локальной точке определяют пространственный ход амплитуда сигнала. Анализ полученных результатов показывает, что средний уровень поля меняет характер своей зависимости начиная с расстояний 120 - 130 метров. Этот факт объясняется наличием дополнительной (боковой) волны, увеличивающей уровень поля прямой волны. При таких расстояниях мокно считать, что распространение радиоволн происходит над плоской пелупгходящей поверхностью. В зтои случае электрическое пола в месте расположения при.-мой антенны может быть найдено как результат интерференции двух лучей - прямого и отраженного от поверхности земли.

Несмотря на то, что измерения прямого сигнала могут быть сделаны по абсолютной величина, определение погонного ослабяэ-

ния затруднено необходимостью учета влияния земной поверхности на его интенсивность. Практически погонное ослабление удобнее определять на основании относительных измерений среднего значения радиаполя на двух различных удалениях 7, и При этом следует отметургь, что точный учет функции ослабления относительно свободного пространства (влияние земли) несколько затруднителен из-за неровностей земли и наличия нижнего яруса лесной растительности. Этим слагаемым можно пренебречь, если на лесных участках имеется густ гнизкорослый подлесок, значительно уменьшающий интенсивность отраженных от земли лучей. Однако, в общем случае возникает необходимость определить условия, при которых поправка счет влияния земли будет невелика. Формула для расчета этой поправки для ровной поверхности земли при равных значениях коэффициента отражения Ф, и Ф2 на расстояниях " ?г имеет следующий вид

Подбором высот антенн и рас^.-ояний между ними можно уменьшит . величину ожидаемой поправки. В практике измерений на яеешх трассах в естественных условиях достаточно часто встречается случая, когда значения коэффициентов отражения ф, 2 заранее неизвестш и не могут быть сколько-нибудь достоверно вымерены. Тогда остается потребовать, чтобы выражения I + ф?2 - ¿>ф- сол ^ принимали близкие значения при 1-1,2- Условия, при которых эти требования могут быть удовлетворены, можно получить, если 2,^,г)ра310ЖИТЬ 3 рЯА П0 степеням разностей Л; -ф. -Щ

Из пс-лед"его выражения слезет, что функция влияни- земной поверхности будет давать нулевую поправку к коэффициенту погонного ослабления дД , если с0.1 У? а ф.. В самом де^е, при сы-полненик этого условия предадущее выражение упрощается и при сох = сопз1 обращается з единицу. При етсм величина поправки др3 близка к нулю.

В г.З проведен анализ экспериментальных результатов измарэ-

где =

Ч, 2 ■

хО

ний погонного ослабления в лосу. Выполненные обаирныо исследования позволили получить статистически обеспочоншо значения кооф^-лцкентов ослабления радиоволн в лесах различных типов. Устаноэлено, что для метровой части УКВ диапазона основным параметром, хорошо коррелирующий с коэффициентом погонного ослабления паляется плотность дрозостоя леса, высота которого не ио-Н£8 йот ров.. Средние экспериментальные значений коэффициента погонного ослабления, измеренные в , удовлетворительно коррелируй? с: средней плотное?ыи деревьев по линейной регрессии

- А + И - Эмпирические коэффициенты А л 3

пр'иниуд&т следующие значения;

для летнего сезона Д. В ^ Частота, МГц

вертикальная поляризация 0, По 0,66 330

0,082 0,66 НО

горизонтальная поляризация 0,098 0,71 330

0,03 ' 0,41 НО

ут осеннего сезона

59ртт<альная поляризация 0,073 0,61 ПО

'орцзонтальная 0,099 0,34 330

0,05 0,68 ПО

[олучонные зависимости позволяют прогнозировать величину ослабой ил з самых различных по плотности леешх массивах с погрез-остью, определяемой в основной глубиной "быстрых" простракст-екных флуктуация, раслредьлэкных по закону Релея. Отметим, что олученные зависимости погполнот несколько расширить экспери-«ктально обследованную область и экстраполировать результаты аК На случай очень редких, так очень густых лесов и охватить эм самым все возможные по плотности типы лесов, включая и ис-»'ственные посадки льо'ой рзэльнс возможной плотности.

В '¿. I приведены результаты исследований статистических харак-¡рнсткк замираний УлЗ сигнала. При исследовании распростраче-ш ультракоротка волн а лесных средах, наряд' с эффектами по-ющекия наблюдается и рассеяния, которые усложняют и

>э того сложную картину пространственного распределения ампли-■дм и фазы сигнала. Рассеянная компонента полл вызывает в про-ранствэ "быстрые" флуктуации амплитуды сигнала, которые за-.руд-VI процесс исследования среднего поглощения, связанного глав-

П

иыы образом с глубиной погружения в лесную сроду. Для более полного анализа прос ранственных флуктуации амплитуды сигнала была проведена статистическая обработка зал- сей сигнала. Поскольку достаточно полное представление о характере отклонений пространственно-локальных значений амплитуда сигнала от среднего значения дают графики функции распределения, такому графическому анализу бшш подвергнуты все результаты измерений. Выяснено, что на небольших расстояниях между передающей и приемной антеннами и соответствующих области прямой видимости и лесу наблюдаются небольшие.пространственные флуктуации амплитуда сигнала, функция распределения в этом случае подчиняется логарифмически-нормальному закону распределения. При увеличении расстояния наблюдается уже значительный размах пространственных флуктуаций. На частоте 330 МГц при обеих поляризациях наблюдается весьма изрезанная структура поля, сформированная интерференцией большого чибла волн с произвольными амплитудами и случайными фпзадо. Это обстоятельство дает физическое обоснованна полагать, что распределение на данной частоте подчиняется ралеевскому закону распределения. Аналогичная картина наблюдается н на частоте 963 МГц. С другой стороны, на частоте 110 МГц при горизонтальной поляризации независимо от сезона и протяженности трассы флуктуации амплитуда сигнала подчиняются логарифмически-нормальному закону распределения в интервале вероятностей 5 - 93 %.

Раздел 2.5 посвящен результатам сезонных измерений поглощающих свойств леса. Измерения были проведаны на двух лесных участках, отличающихся друг от друга плотностью древостоя, но с одинаковым видовым составом с абсолютный преобладанием березы. Измерения проведаны на двух поляризациях в осеннее и зимнее время и сопоставлены с результатами летних измерений. Полученные данные позволяют уточнить сезонные вариации усредненных значений коэффициентов погонного ослабления.

Величина погонного ослаблення определяет эффекты экранирования излучений антенн в направлениях» пересекающих лесные массивы. С увеличением погонного ослабления высота экранирования приближается к геометрической средней'высоте леса Если условно за эффективную высоту экранирования принять ту высоту леса, на которой луч ослабляется по напряженности в е раз, то для ровных участков земной поверхности имеем Нэ * НдО *

и

где D - расстопше от излучапэой антенны до леса, f- среднее погонное ослабление о неп/м. Под угласт места, при которых Н 4 Нд , излучение антенны можно считать полностью экранированным. Эффективная высота планирования определяет минимальное расстояние D антенн от лесных стенок, при которых эффекты экранирования а направлении рабочих углов места антенны с< не превышает указанной вьпе величина

D Н (\ (/rH)/2/fd.

3 случае применения поднятых на зысоту h антенн, высоты Н, Нэ дольни быть измерены относительно уровне!» излучагтате антенн. Ясно, что полученные опенки справедливы при углах места, для которых fytf . При больтзих углах места эффекты эк-

ранирования отсутствует. При размещении антенн угломерных систем вблизи лесных массивов, находясихся на небопьпих удалениях (ICO - 120 м), последний ногут вносить озкбт в работу этих систем, особенно заметные в тех случаях, когда граница лесного массива хорогао облучается полем прягюР волну.

'/так, при исследовании влияния леса на характеристики радиотехнических систем, в частности УКВ угло«ер;шх систем, определены количественные характеристики экранирующих свойств лесных массивов в диапазоне раоочих частот этих систем и ни основании полученных характеристик сделана опенка погрешностей измерения углов, обусловленных помеховым влиянием леса. Полученные результаты позволили уточнить характер частотной зависимости коэффициента погонного ослабления для лиственных лесов, характерных для умеренных широт. Экспериментальные значения показывают большую степень ослабления, чем рекомендованные ШФ, за исключением случая горизонтальной поляризапии в осенний сезон.

Третья глава поевгпена теоретическому и экспериментальному определении электродинамических характеристик лесных сред в УКВ диапазоне. Анализ литературных источников, проведенный в первой главе, показывает, что, несмотря на многочисленные исследования по оменке влияния растительного покрова, точное решение задач распространен/я и рассеяния радиоволн в лесной среде затруднено, поскольку приходится использовать приближенные »'одели. В соответствии с используемой в настоящее время терминологией к моделированию относятся различные методы исследования систем от

аналитических расчетов до физического моделирования, Б машем случае пробле. д моделирования моке? рассматриваться со еяеду-вдих точек арония. Во-первых, иеабу -дима аналитическая оеново или, .иначе, соответствующая теория распространения электромагнитных волн. Во-вторых, в модели доягнн использоваться яростные статистические данные о морфологии растительности и оо элек трических параметрах. В-третьих, заранее представляются математические выражения для статистически достаточно обеспеченных экспериментальных данных. Модельные параметры затем находятся методом регроссии экспериментальных результатов радиоиэморсний. Естественно, что во всех случаях долили попользоваться параметры, которые могут быть измерены или оиенены, Из всех перечислен иых требований на сегодня недостаточно исследоранн оле^тричеш! характеристики лесной растительности, особенно в метррроР чаети радиодиапазона.

Рассматривая лес как однородный диэлектрический слой, авторы предыдущих работ использовали чисто феноменологический подход к изучению распространения радиоволн внутри леса, притом безо вояких попыток связать этот пропесс с физической структурой еа» мого леса. В 3.1, предпринята попытка выяснить данную сряаь, основываясь на имевшихся различных моделях лесной растительное и выявить наиболее существенные факторы. Получили развитие кодр ли в виде сплошной среды (когда расстояние мезду рассеивающими элементами мало по сравнению с длиноГ' волны) и модели в виде на< бора рассеивателей при расстояниях ме^ду элементами соседних растений, превышающих длину волны. Однако эти предложенные ко« дели являются приближенными электродинамическими' моделями лесных сред. Поэтому, наряду с разработкой моделей ведутся достаточно интенсивные исследования по определению электрических характеристик как полевыми, так и лабораторными методам. При лабораторных измерениях используются волноводные и другие методы в основном для определения диэлектрической проницаемости таких элементов растительности, как листва и ветви различных видов деревьев, стебли травы и прочей растительности. В ходе полевых измерений определяются параметры 'электромагнитного поля и устанавливается связь мекду свойствами среды и этими параметрами.

Одной из задач настоящей работы является исследование элен~ тродинамических характеристик леса в метровой и дегиметрозой

части диапазона. В отоП области число работ, связанных с экспериментальным определением эффективных значения проводимости и диэлектрической пронигоемос?;» лесных срод, весьма ограничено. Значения отух параметров « шроких пределах даны в ставаэй классической работе Тамара. Отметим только, что эти значения получены в основном для лесов тропических к субтропических районов. Исследованиям электрических параметров е лесах умеренных пкро?, з частности а ЗабаПкслье, лосвяняш работа Ю.Б.Бапкуева и Ч.Ц. Цыдыпова.

к'етод экспериментального определения ойфективного показателя преломления лесного слоя !• полученное результаты приведены з 3.2. Для определения прелсмляпшгх свойств леса были проведены эксперименты с применением высотко" маиты. Лр:т этом лес представляется в зуде елабопоглепаюпего слоя, лекашгго на более поглосэгаем полупространстве (земля). «та несколько идеализированная с/ту?тшя примен/ма в диапазоне 2 - 200 -Гц. Одаако, учитывая то, что в исследуемых лясах среда с с расстояние мекду стволами деревьев составляет порядка трех метров, а пространство методу ними заполнено элементами растительности (ветвями), листвой или хвоей), зерхжэ граниггу частот мотно распнрить до 300 * 353 i¡Tu. Измерения показателя. преломления лесного слоя были проведены ка лесных трассах, где ранее были измерена значения козффигкента погонного ослабления. Экспериментально определенные значения эффективного показателя преломления лесной среды близки к единипе. С физической точки зрения это означает, что волна, падашая на границу "лес - еоз-дух", испытывает только незначительное преломление, больпая часть энергии проходит вдоль гранггы раздела двух сред. Проведенные эксперименты подтверждают ьшесказанкое. Анализ полученных значен:'? действительно? части комплексной диэлоктрическоР. пронииае-"ост-/ показывает, что они незначительно зависят от частоты и по-лярнзагта. В средне»: эти значения легат в пределах 1,04 * 1,12.

3 3.3. -/слагается метод определения эффективно? проводимости лесно? среды, основании? на экспериментальных результатах с достаточно? стаг/стуческо? обеспеченность*}. Это в свою очерэдь позволяет говорить о достоверное?:: полученных значений эффективно? проводимое?:» лесов различно? плотности.

Представляя лесной слой в виде однородно? полупроводясе? среды, электрическое поле распространяющееся в ней радиоволны можно

записать как

[¡С2П/

/ У • '/

где = £ + < £ - комплексная диэлектрическая проницаемость среда. Обозначив для дальнейших выкладок через комплексный показатель преломления = = <п")г. это выражение можно записать следующим образом

= £т*хр[-Шл)п"?]ехр[1(№А)Л].

Поскольку нас интересует та часть энергии волны, которая поглощается в лесном слое, рассмотрим отдельно выражение, содержащее мнимую часть ког-ллексной диэлектрической проницаемости

ехр[-(2ГГ/л)п"?] = ехр (• Г . Отсюда п"= , где

р - погонное ослабление в неперах на единицу расстояния. Раз-'делив комплексный показатель преломления на действительную и мнимую части и учитывая, что 60Я 6Ч , где 6" - проводимость среды в См/м, получим следующее выражение для проводимости . б4 = и'^ /601Т ■ Заменив в этой фор>.уле коэффициент ослабления в неперах на дБ/м с помощью следующего соотношения ~ГлБ/п - 10 1' учитытывая, что и'* / , получим оконча-

тельное выражение для определения эффективной проводимости леской среда 6> См/и = //,2 /? е . Поскольку данная методика основана на теории распространения плоских волн в полупроводящих срсдах и достаточно большом объеме экспериментальных данных, то в этом смысле она удовлетворяет требования?-! задач моделирования. На основании разработанного метода получены значения эффективной проводимости для четырех типов леса. Построены графики зависимости б" от среднего расстояния метду деревьями. Выявлено, что с уменьшением этого расстояния, то есть с увеличением плотности леса, его эффективная проводимость возрастает. Таким образом, эффективная проводимость зависит от густоты лесной растительности - чем выше плотность леса, тем больше значения С) . Абсолютные значения & такке возрастают с увеличением частоты. Полученные значения эффективной проводимости позволяют количественно прогнозировать величину ослабления радиояелн на лесных трассах.

Представленные результаты эффективной проводимости рассчитаны

для усредненных значений кооффигкентоп погонного „слабления ^. Поскольку значения ^умеат некоторый разброс около среднего значения, то вполне естественно ожидать, что и значения Ьчбудут меняться около средних значений б1.. Таким образом, имея спектр значений проводимости, определяем Гранины изменения электрических параметров лесной среда и степень этого изменения, что в некоторой степени певает вопрос о дисперсионных свойствах проводимости лесной среды.

В 3.4 приведен пример расчета эффективной проводимости леса по топографическим картам, на которых указано среднее расстояние между стволам древостоя. Полученные значения эффективной проводимости леса могут быть нспользоганы в тех случаях, когда необходимо знание интегральных характеристик среди. Непосредственней применением является количественная опенка потерь, что весьма су-аественно при планировании линий связи в лесистой местности. Кроме того, данныЧ метод при его дальнейпем развитии и уточнении мотет быть использован для составления прогнозных карт проводштос-гей лесов, что позволит решать различные задачи распространения ■ эадноволн в условиях лесистой местности.

В заключении дана краткая опенка работы и отсечено, что полугенный экспериментальны? материал монет быть использован для рас-?етоз ослабления радиоволн при экранировании излучени: антенн лесами массивами, а таг»е при решении других задач.

Основные результаты исследования опубликованы в следующих ра-ютах:

1. Дортиез Б.Ч., Плетнев В.И., Хомяк Е.К. Поглопашие свой-тва лесной среды в У13 диапазоне / Ультракороткие волны и элек-ро::агннтная совместимость: Тез. докл. меквед. (Всесоюз.) совед. лан-Удэ, 1933. - С. 169 - 171.

2. Дортев Б.Ч., Занабадарон , Плетнев З.И., Хомяк ЕЛ», сследованг'е логлошекир ¿13 в лесной с^. >де /X1У Всесоюз. конф. о распространен/» радиоволн: Тез. докл. - Ленинград, октябрь 934. - :.:., 1934. - ч.2. - С. 271 - £73.

2. итетнев В.;'., Дорг/ев Б.Ч., Кузнецов В.В., ЗанаСадаров .д., Хомяк Б.:-'.. Исследование поглопатакх и расссивапжх свойстг еено? растительностг в У133 диапазоне /Распространений электро-?.гн:'ты;х волн олтгческого и радиодуалазонов - Улан-Удэ, 1935. -. /о - е1.

4, Дзргшсэ Б.Ч., Плетнев В."., Хомяк Е.Ы. Погонноо еелабле-иио метровых волн, распространяющихся в лесной сродо /Распространение электромагнитных волн. - Улан-Удэ, 1987,- С.67 - ЮЗ.

5. Доряиев Б.Ч.« Плетнев В.К., Хомяк ЕД1. Сезонные вариации погонного ослабления УКВ при распространении в лесно? среде / ХУ Бсесооз. кокф. по распространен!!» радиоволн: Тез. докл. -Алма-Ата, 1937. - С. 341 - 34£.

6. Доржиев Б.Ч., Плетнев В.И., Хомяк E.il. Рассеян re У13 лесной растительностью / ХУ Всссоюз. кокф. по распространению радиоволн: Тез. докл. - Алма-Ата, 1987. - С. 342 - 344.

7, Хомяк E.LI., Плетнев В.И., Доржиев Б.Ч., Кданов Б.В. Экспериментальные исследования рассеяния УКВ лесным массивом лиственного т::па / Вопросы радиоэлектроники. - 1987. - вып.7. -С. 77 - 84.

в. Доргаев Б.Ч., Занабадаров У.Д., Плетнев В.П., Хог.:як E.»¿. Коэффициенты рассеяния УКВ от леса и поглощения внутри лесной среды в диапазоне частот ICO lüOO iúTn / Всесоюз. совещание по приземному распространению радиоволн и 3UC: Тез. докл. -Улан- Удэ, 1990. - С. 177 - 178.

9. Дорниев Б.Ч., Хомяк Е.И. Исследование частотной зависимости погонного ослабления УКВ в лесу в диапазоне 100 - 1000 !.Гп / ХУ1 Всесоюз'. конф. по распространению радиоволн: Тез. докл. -Харьков, 1990. - С. 119,

10. Доржиев Б.Ч., Хомяк Е.М.,'Чимитдоржнев К.Б. Экспериментальное определение электрических параметров лесноГ? среды в 'УКВ диапазоне / 1У Российский научно-практический семинар. Распространение радиоволн в-городах и лесных районах: Тез. докл.Москва, июнь 1992. - Томск, 1993,

11. Дорииев Б.Ч., Хомяк Е,И,, Чгмитдоржиев Н.Б. Экспериментальное определение электрической проводимости лесной среды

/ Распространенно .электромагнитных волн. - Улан-Удэ, 1993. -С. 65 - 71.