Распространение радиоволн в лесной среде. Теория боковой волны
Экспериментальные исследования распространения радиоволн в лесных средах. Частотная зависимость ослабления радиоволн лесом, зависимость их поглощения от расстояния. Теория боковых волн, их исследование в лесных покровах. Методика проведения измерений.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.01.2012 |
| Размер файла | 3,1 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Таким образом, определение ееff может быть выполнено на основе анализа дистанционных зависимостей уровня поля в лесной среде. Экспериментально полученную кривую аппроксимируем функцией
,
где R - расстояние, пройденное волной в лесу, k" - определяемая таким образом мнимая часть волнового числа, характеризующая ослабляющие свойства лесной среды.
Далее определим вещественную часть эффективной диэлектрической проницаемости, для чего рассмотрим пути распространения двух основных типов волн в лесу (рис.11). Первая распространяется непосредственно сквозь растительный покров по пути А-D и A-E-D, при этом ее амплитуда убывает по закону . Изменение амплитуды волн второго типа - боковых, проходящих путь А-В-С-D может быть описано выражением [30]
, (29)
где - показатель преломления лесной среды, k0 - волновое число в свободном пространстве.
При пространственном разносе антенн на определенных расстояниях механизм распространения радиоволн через лесной слой качественно меняется, а именно, боковая волна становится доминирующей. Отсюда следует, что на такой дистанции амплитуды волны прямого прохождения и боковой волны сравниваются, а, следовательно, можно положить:
. (30)
Выразим все величины, входящие в (30), через расстояние между антеннами R, среднюю высоту древостоя h, и угол падения волны на верхнюю кромку леса , который в данном случае является углом полного внутреннего отражения и определяет условия формирования боковой волны. Полагая, что и учитывая, что получаем.
.(31)
Решив это трансцендентное уравнение, находим б. Зная угол полного внутреннего отражения, определяем действительную часть эффективной диэлектрической проницаемости
. (32)
Для определения мнимой части ееff воспользуемся представлением о лесном слое, как о несовершенном диэлектрике. Запишем выражение для волнового числа в такой среде в виде
(33)
где 0 - магнитная постоянная, щ - циклическая частота. Полагая разложим выражение (33) в ряд и пренебрежем всеми членами за исключением первого. Тогда получаем
. (34)
Отсюда легко выразить мнимую часть эффективной диэлектрической проницаемости, через известные значения Re (еeff) и k”
. (35)
Таким образом, предложенная методика позволяет определять эффективную диэлектрическую проницаемость лесной растительности путем прямых измерений ослабления электромагнитных волн УКВ диапазона при прохождении через нее.
3.2.2 Расчет эффективной диэлектрической проницаемости леса
В данном параграфе приводится расчет эффективной диэлектрической проницаемости в рассматриваемом лесу. Определение ееff выполнено на основе анализа дистанционных зависимостей уровня поля в лесной среде, представленного на рис.18. Как было указано выше, в пределах удаления приемной антенны от излучателя на расстоянии от 20 до 100 м. наблюдается спадание уровня поля, связанное с поглощающим и рассеивающим действием лесной растительности. Именно на таких расстояниях поведение поля и является типичным для случая прохождения излучения сквозь лесной покров, поскольку на меньших дистанциях велика амплитуда первичных волн, непосредственно распространяющихся между антеннами без взаимодействия с элементами растительности, а на больших - "включается" механизм боковой волны. Аппроксимируем полученную кривую p функцией f (R) (Рис. 19). И таким образом, определяем мнимую часть волнового числа k". На рис 19 (а) представлены измерения в сосновом бору, а на рис 19 (б) - смешанном лесу (береза, ольха, кедр.).
а)б)
Рис 19. Аппроксимация полученной кривой p функцией f
Далее по описанной выше методике находим угол полного внутреннего отражения, потом определяем вещественную и мнимую часть эффективной диэлектрической проницаемости. Все эти результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2
|
Тип леса |
k" |
б |
Re (еeff) |
Im (еeff) |
|
|
Сосновый лес |
0,016 |
74 |
1,082 |
0,011 |
|
|
Смешанный лес (береза, ольха, кедр.) |
0,028 |
69,6 |
1,139 |
0,019 |
По значению б из таблицы 2 видно, что формирование боковой волны в более густом лесу начинает происходить раньше, как это и следует из общей теории распространения волн в слоистых средах.
Полученные значения эффективной диэлектрической проницаемости лесной среды лежат в пределах 1.082<Re (еeff) <1.139 и 0.011<Im (еeff) <0.019. В целом можно отметить незначительное возрастание еeff для более плотной лесной среды.
Таким образом, экспериментально определенные значения эффективных диэлектрических проницаемостей соответствуют известным литературным оценкам [1,3,34].
3.3 Распространение боковых волн в условиях сложного рельефа местности и неоднородности лесного покрова
Участок леса, в котором производились измерения, состоял из хвойных пород деревьев (сосны). Структурной особенностью леса является то, что основную часть биомассы леса составляют стволы деревьев. Подлесок практически отсутствовал.
Модель леса представлена на рис 20. Средняя высота древостоя составила h=15 м, плотность леса-0,08м-2. Передающая и приёмная антенны находится на высоте h1=h2=2 м. Методика измерений представлена в параграфе 3.1.1.
Рис 20 Схема распространения боковой волны в лесу
Отражение волн от границы "земля-лес" и "лес-воздух" не учитывается, т.к. волны проходят большее расстояние внутри поглощающего слоя леса и поэтому более ослаблены.
Результаты измерений дистанционных зависимостей уровня поля в однородном лесу представлены на рис 21.
Рис 21. Дистанционная зависимость уровня поля в однородном лесу
Результаты усредненных измерений уровня поля в условиях сложного рельефа местности и неоднородности лесного покрова, представлены на рис 22. Где на расстоянии 100 м от передатчика начинается просека шириной 4 м, дальше уже на дистанции от 120 м и выше - приемная антенна находилась в области тени (за холмом).
Рис 22. Дистанционная зависимость уровня поля в лесу в условиях сложного рельефа местности и неоднородности лесного покрова.
По формуле (27) получили дистанционную зависимость относительного уровня поля (рис 23), характеризующую разность результатов, представленных на рисунке 21 и 22.
Рис 23. Дистанционная зависимость уровня поля в лесу.
Из анализа графика, представленного на рис 23 видно, что рельеф местности и неоднородность лесного покрова не оказывают сильного влияния на ослабление уровня поля. Это объясняется тем, что в УКВ диапазоне на расстояниях порядка 100м распространение сигнала происходит за счет боковой волны, а как мы знаем большую часть своего пути она проходит над лесом.
С другой стороны, полученные результаты могут рассматриваться нам подтверждением интерпретации вышепредставленных дистанционных зависимостей. А именно, действительно, уже начиная с расстояний 80-100 м, распространение радиоволн, рассматриваемого частотного диапазона в лесу происходит за счет механизма боковой волны. В этом случае неоднородность лесного покрова приводили бы к значительно большей не монотонности дистанционных зависимостей уровня поля.
Вывод
В этой главе выполнены экспериментальные исследования распространения боковых волн в лесной среде. Важным результатом проведенных исследований является то, что во всех рассмотренных случаях боковая волна обнаруживается на расстояниях порядка 100 м, в то время как существующие литературные оценки дают величину на порядок больше, в частности, в [22] для частоты 100 МГц указываются дистанции 1 км или "несколько меньше".
Для определения эффективной диэлектрической проницаемости была использована методика, разработанная в Бурятском научном центре. Достоинством данного метода, являются простота, точность получаемых результатов, возможность определения параметров реальных лесов, учитывающих видовой состав леса, его внутреннюю структуру (например, наличие подлеска) и т.д. - всех тех факторов, учет которых затруднителен при построении теоретических моделей. Данный метод может использоваться только в полосе частот, на которых возможно распространение боковых волн, скользящих вдоль верхней кромки деревьев.
По этой методике проведены расчеты диэлектрических свойств лесных сред. И на основании этого получены данные по двум типам лесов, которые хорошо согласуются с литературными данными.
Изучены особенности распространения боковых волн в условиях сложного рельефа местности и неоднородности лесного покрова.
Заключение
В работе проведен анализ экспериментальных и теоретических работ опубликованных в настоящее время, определяющих основные закономерности распространения радиоволн в лесу. Установлено, что многие результаты работ, относятся к разным методам и условиям постановки экспериментов. Также во многих рассматриваемых работах отсутствуют данные о параметрах самих лесов, что затрудняет сравнение имеющихся данных. Все сказанное обуславливает необходимость систематизированного подхода к изучению данной проблемы. Это в свою очередь предполагает, во-первых, охват возможно большого числа различных типов лесов и определение среднестатистических параметров леса, во-вторых, единую методологию измерений, в-третьих, измерения ослабления электромагнитных волн лесными средами в широком частотном диапазоне.
В данной дипломной работе выполнены исследования влияния видовых и структурных свойств лесной растительности на особенности распространения в ней электромагнитных волн УКВ диапазона. Подтверждена особая роль боковых волн и доказана возможность их формирование для лесов средней плотности уже на дистанциях порядка 100 м на частотах 150 МГц. Проведено сравнение между уровнями ослабления поля в лесу и открытой местностью. Получены значения эффективной диэлектрической проницаемости для различных по плотности лесных сред. Рассмотрено влияние рельефа местности и неоднородности лесного покрова на условие формирования боковых волн в лесной среде.
Литература
1. А.А. Чухланцев, А.М. Шутко, С.П. Головачев, "Ослабление электромагнитных волн растительными покровами", Радиотехника и электроника, 2003, том.48, № 11, с.1285-1311.
2. Pampaloni P. Microwave radiometry of forests // Waves in Random Media. 2004.14. P.275-298
3. Tamir T. On radio wave propagation in forest environments // IEEE Trans. Antennas and Propag. - 1967. - V.15, №6.
4. Kreveky S. HF and VHF radio wave attenuation through jungle and woods // IEEE Trans. Antennas and Propagat. - 1963. - №4. - p.506-507.
5. Herbstreit J. W., Crichlow W. Q. Measurement of the attenuation of radio signals by jungles // J. Res. Nat. Bur. Standarts. - 1964. - №8. - p.903-906.
6. Whale H. A. Radio propagation though New Guinea rain forest // Radio Sci. - 1968. - V.3, №10. - p.1038-1042.
7. Burrows Ch. R. Ultra short propagation in the jungle // IEEE Trans. Antennas and Propag. - 1966. - V.14, №3. - p.385 - 388.
8. Sach David L., Wyatt Philip J. A conducting slab model for electromagnetic propagation within a jungle medium // Radio Sci. - 1968. - V3, №2. - p.125 - 134.
9. Magazinnikova A. L., Yakubov V. P. Attenuation of coherent radiation in forest regions // Microwave and Optical Technology Letters. 1998, V. 19, No.2. P.164-168;
10. Магазинникова А.Л., Якубов В.П. Дуальный механизм распространения радиоволн в условиях леса // Радиотехника и электроника. 1999. Т.44, № 1. С.5-9.
11. Magazinnikova A. L., Yakubov V. P. A dual model of the forest as a radio wave propagation medium // Proceedings of 2000 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2000), Furuoka, Japan, 2000, 3F2-7.
12. Якубов В.П., Тельпуховский Е.Д., Миронов В.Л., Кашкин В.Б. Векторное радиопросвечивание лесного полога // Журнал радиоэлектроники, 2002, № 1, http://jre. cplire.ru/win/jan02/1/text.html.
13. Якубов В.П., Сверхширокополосное зондирование лесного полога // Журнал радиоэлектроники, 2002, № 10.
14. J. A. Saxtom, J. A. Lane. VHF and UHF reception effects of trees and other obstacles // Wireless World. - 1955. - V.61, №5, - p.229 - 232.
15. Bachynski M. P. Microwave propagation over a rough surfaces // RCA Rav. - 1959. - V. 20, №2. - p.308 - 335.
16. Неделяев А.М., Грудинская Г.П., Богомолова Е.В. Изменение поглощения УКВ деревьями // Тр. Моск. Энерг. Ин-та. - 1972. - вып.119. - С.167 - 170.
17. Swarup S., Tewari R. K. Radio wave propagation through subtropical pine forest // Indian J. Radio and Space Phys. - 1974. - V.3, №2. - p.181 - 185.
18. Murray O. M. Attenuation due to trees in the VHF/URF bands // Marconi Rev. - 1974. - V.37, №192, - p.41 - 50.
19. Tewari R. K., Roy M. N., Swarup S. Height gain in forest medium an empirical analysis // IEEE Trans. Antennas and Propag. - 1984. - V.32, №11. - p.1265 - 1268.
20. Доржиев Б.Ч. Электродинамические свойства лесных сред в диапазоне УКВ радиоволн; дис. … канд. физ. - мат. наук: 01.04.03/БНЦ СО РАН. - 154с.
21. Чухланцев А.А., Головачев С.П. Оценки затухания радиоволн диапазона 3 - 300 см в растительных покровах // Лесной вестник, МГУЛ: 2002, №1 (21), с.112-117.
22. Tamir T. Radio Wave propagation along mixed paths in forest environments // IEEE Trans. Antennas and Propag. - 1977. - V.25, №4. - p.471 - 477.
23. Кашпровский В.Е. Распространение средних радиоволн земным лучом. М.: Связь, 1971.
24. Егоров В.А. Влияние растительного покрова на распространение радиоволн // Проблемы дифракции и распространения радиоволн. - 1990. - №23. - С.158 - 177.
25. Blomguist A. Local ground wave field strength variations in the frequency range 30 - 1000MHz // Electromagnet. Wave Propagat., Acad. Press. - 1960. - p.127-142.
26. Ulaby F. T., Whitte M. V. Radar polar metric observation of a tree canopy // ICARSS”88. - 1988. - p.1005 - 1008.
27. Swarup S., Tewari R. K. Radio wave propagation through in jungle environment // Indian J. Radio and Space Phys. - 1979. - V.27, №1. - p.113 - 116.
28. Sieber A. J. The significance of RCS polarization measurements for tree signatures // IGARSS”86: INT. Geosci. and Remote Sens. Sysp. - P.1005 - 1008.
29. Kauhny D., Riegger B., Wienback W., Sieber A. J. Interpretation of coherent polarimetric signatures by dielectric cylinder models // IGARSS”86: INT. Geosci. and Remote Sens. Sysp. - Paris. 1988. - 79 - 82.
30. Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. - М.: Изд-во Академии наук СССР, 1957.
31. Б.В. Басанов, А.Ю. Ветлужский. Исследования боковых волн в лесных покровах - 2008.
32. В.Б. Кашкин, В.И. Кокорин, В.Л. Миронов, С.В. Сизасов. Экспериментальное определение электрофизических параметров лесного покрова с использованием сигналов глобальных навигационных систем ГЛОНАСС и ОР8. - Радиотехника и электроника, 2006, т.51, № 7, с.825-830.
33. К. Sarabandi, I-S Koh. Effect of Canopy - Air Interfase Roughness on HF - VHF Wave Proparation in Forest. - IEEE Trans. On Anten. and Propag. 2002,vol.50, no.2, pp.111-121.
34. А.Н. Куликов, А.Л. Магазинникова. Метод расчета среднего поля УКВ в лесу. - Радиотехника, 1997, №10, с.57-59.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Изучение процессов распространения электромагнитных волн радиодиапазона в атмосфере, космическом пространстве и толще Земли. Рефракция радиоволн, космическая, подземная и подводная радиосвязь. Особенности распространения гектометровых (средних) волн.
презентация [218,0 K], добавлен 15.12.2011Сущность понятия "электромагнитное излучение". Классификация и диапазон радиоволн. Распространение длинных и коротких волн. Образование зоны молчания. Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн, в зависимости от частоты и времени суток.
презентация [447,6 K], добавлен 17.12.2013Распространение радиоволн в свободном пространстве. Принцип Гюйгенса - Френеля, зоны Френеля. Дифракция радиоволн на полуплоскости. Размеры и форма области пространства распространения прямой электромагнитной волны. Дифракция радиоволн на полуплоскости.
реферат [459,0 K], добавлен 25.09.2008Характеристика диапазонов радиоволн. Электродинамические свойства земной поверхности и атмосферы Земли. Отличие распространения длинных, средних и коротких волн. Распространение радиоволн в пределах прямой видимости над шероховатой поверхностью Земли.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 02.10.2013Преобразование исходной системы уравнений к расчётной форме. Зависимость длины волны от скорости распространения. Механизмы возникновения волн на свободной поверхности жидкости. Зависимость между групповой скоростью волн и скоростью их распространения.
курсовая работа [451,6 K], добавлен 23.01.2009Основы распространения радиоволн подвижной радиосвязи в свободном пространстве. Нормированная характеристика изотропной антенны. Формула идеальной радиопередачи. Мощность сигнала на входе приемника на радиолиниях I и II рода. Представление зон Френеля.
реферат [292,9 K], добавлен 14.08.2015Распространение радиоволн в свободном пространстве. Энергия электромагнитных волн. Источник электромагнитного поля. Принцип Гюйгенса - Френеля, зоны Френеля. Дифракция радиоволн на полуплоскости. Проблема обеспечения электромагнитной совместимости РЭС.
реферат [451,4 K], добавлен 29.08.2008Изучение уравнения электромагнитного поля в среде с дисперсией. Частотная дисперсия диэлектрической проницаемости. Соотношение Крамерса–Кронига. Особенности распространения волны в диэлектрике. Свойства энергии магнитного поля в диспергирующей среде.
реферат [111,5 K], добавлен 20.08.2015Сущность и свойства электромагнитных волн, особенности их распространения и деление по частотным диапазонам. Условия возникновения радиоволн. Характеристика инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Содержание метода зон Френеля.
презентация [328,4 K], добавлен 05.02.2012Классификация радиоволн по диапазонам и способам распространения. Явление рефракции и дифракции, рассеивания, отражения и преломления. Параметры антенн. Параметры и характеристики передающих и приемных антенн. Применение ДМВ, СМВ, МВ, ММВ и ДММВ.
реферат [444,3 K], добавлен 29.08.2008
