Учебная работа. Распространение радиоволн в лесной среде. Теория боковой волны

Такие же исследования проведены в работе [20], в каком показана зависимость проводимость среды от частоты, в спектре 100-1000 МГц. Лесной слой (хвойный лес) был представлен в виде однородной полупроводящей среды. Расчет проводимости проводился по последующей формуле:
(3).
Таковым образом, для определения действенной проводимости лесной среды нужно знать ее показатель преломления и величину ослабления радиоволн, выраженную через коэффициент погонного ослабления в дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)/м. В итоге проведенных исследовательских работ создатель пришел к выводу, что в этом спектре действенная проводимость леса увеличивается с ростом частоты и эта зависимость носит параболический нрав. Данный вывод создатель доказывает тем, что предложенный способ определения электронной проводимости основан на экспериментальных результатах с достаточной статической обеспеченностью. Это в свою очередь позволило создателю гласить о достоверности приобретенных значений действенной проводимости и использовать их для лесов различной плотности по эмпирическим зависимостям. Это в свою очередь позволило определять проводимость леса по топографическим картам.
Ослабление сигналов растительностью, распространяющихся над лесистой местностью в полосе частот от 30 МГц до 60 ГГц представлено в советы МСЭ — R Р.833 — 5.
В работе [21] обобщены экспериментальные данные по ослаблению радиоволн разными типами лесов (хвойные, лиственные и тропические) в спектре частот 30 — 3000 МГц. И создателями было получено модель спектральной зависимости погонного ослабления г (дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)/м) от частоты f (МГц) в виде соотношения , где А=8*10-4, С=0,8. Из этого соотношения видно, что с ростом частоты погонное ослабление возрастает.
В работе [1] проведена классификация и обобщение имеющихся теоретических и экспериментальных данных по ослаблению электромагнитных волн растительными покровами. На базе приобретенных расчетных соотношений проведен подготовительный регрессивный анализ узнаваемых экспериментальных данных, установлено наличие устойчивого тренда в спектральной зависимости ослабления в спектре частот 0,1.10 ГГц, который проявляется в увеличении ослабления с частотой.

1.3 Зависимость поглощения радиоволн от расстояния при распространении в лесной растительности
В работе [3] исследуется зависимость от расстояния интенсивности боковой волны, при распространении над лесом. В работе показано, что изменение напряженности поля боковой волны с расстоянием имеет зависимость ф-2. Это следует из формулы, определяемой n — полный показатель преломления лесной среды, I*l — ток в антенне и ее длина, s=2h—z—z0, h — толщина лесного слоя, z, z0 — высоты передающей и приемной антенны.
Таковая зависимость обуславливает огромные утраты по сопоставлению с распространением в вольном пространстве и практически разъясняется тем обстоятельством, что боковая волна является по существу дифракционным полем. Очевидно, в точку приема приходит ровная волна и волны, отраженные от поверхности раздела «лес — воздух». Также из работы видно, что боковая волна распространяется, вроде бы скользя вдоль вершин деревьев, следуя по контуру леса. При всем этом нужно, чтоб радиус кривизны был огромным по сопоставлению с длиной волны, ибо в неприятном случае боковая волна будет испытывать огромные утраты вследствие мощного рассеяния.
Отметим, что модель боковой волны подразумевает, что растительность, заполняющая место меж приемной и передающей антеннами, не повлияет на волны, проходящие вдоль нее и над ней. Чтоб разъяснить данный факт, создатели работ [3-7] сначало обязаны были принять догадку, что листва вызывает утраты, не зависящие от расстояния. Модель боковой волны просто разъясняет, природу этого физического явления и потому она отыскала предстоящее развитие и экспериментальное доказательство в работе [22]. В данной нам работе модель развита применительно к спектру частот 2-200 МГц. тут лес представляется как однородная преломляющая среда с относительной диэлектрической проницаемостью , где n — средний показатель преломления лесной растительности. Геометрия задачки, представлена на рисунке 2.
Рис 2. Путь луча TABR снутри слоя леса
Для огромных расстояний напряженность поля боковой волны определяется выражением
, (5)
где I*l — момент диполя, k — волновое число, и
(6)
(7)
. (8)
Выражение F (и) есть коэффициент отражения земли (h1=0) для плоской волны, падающей под углом и из среды, заполненной растительностью. Для горизонтальной либо вертикальной поляризации F (и) есть соответственно коэффициент напряжения либо тока. Поляризация задана M и m последующим образом
M=m=1, для горизонтальной поляризации
M=N2; m=n2 для вертикальной поляризации
Выражение (5) обрисовывает боковую волну, представленную на рисунке 2. Это подтверждается тем, что экспонента из (5) представляет собой оптическую длину луча ТАВR,
, (9)
где s=2h—h1—h2, — угол полного внутреннего отражения. Очевидно, является всеохватывающей величиной, так как n — всеохватывающая величина. Но для малых утрат вещественная часть преобладает и близка к единице, и это событие дает физическую интерпретацию лучей ТА и ВR.
Величины и вызваны воздействием на боковую волну земной поверхности, которая повлияет на амплитуду поля боковой волны, отражая часть энергии назад по направлению к границе «лес-воздух». Этот эффект воздействия земли становится незначимым для огромных значений h1 и h2, в этом случае близко к единице.
В работе [24] отмечается, что боковая волна есть составляющая дифракционного поля, которое меняется с расстоянием как r-2 и потому убывает резвее, чем волна вольного места, но являются главный частью суммарного поля. Волны, отраженные от границы раздела «земля-лес», «лес-воздух» проходят огромные расстояния снутри всасывающего слоя леса и потому наиболее ослаблены. Напротив, боковая волна испытывает утраты лишь на относительно малых участках ТА и BR, а огромную часть собственного пути проходит над лесом, практически не испытывая утрат.

1.4 Эффект усиления поля по высоте при размещении антенн в лесной растительности и над ней
Как уже отмечалось, модель боковой волны дает обычное разъяснение эффекту усиления поля с повышением высоты антенн. Воздействие растительности на F, определяемой как
, (10)
где б — коэффициент ослабления, вызванный наличием растительности:
б=2рIm (n2-1) 1/2/л. (11)
Ввиду того, что в экспоненте возникает параметр s, высота растительности над приемной и передающей антенне играет важную роль. Повышение высоты антенн приводит к тому, что параметр s миниатюризируется (потому что миниатюризируется пути TA и BR, на которых волна испытывает утраты). Таковым образом, полные утраты уменьшаются, а уровень поля с повышением высоты антенны вырастает. Данная экспоненциальная зависимость подтверждается экспериментальными измерениями. Отклонение от экспоненциальной зависимости для низких высот антенн происходит, возможно, из-за мощного воздействия леса. Для определения параметра б по формуле (11), нужно знать значения электронных характеристик среды е и у. Напомним, что экспериментальные значения, приобретенные в работе [3], лежат в границах 1,05?е?1,5; 10-3?у?10-5 см/м. Выделенная по сиим данным предельное значения, приобретенные вертикальной и горизонтальной поляризацией. Для наиболее больших частот усиление поля зависит от наиболее четких оценок е и у, также от большей высоты деревьев в лесу и малых высот антенн.
Рис 3. значения коэффициента боковой волны при разных частотах.
Полный теоретический анализ конфигурации величины принимаемого сигнала с конфигурацией высоты приемной антенны проведен в работе [3]. Геометрическая модель представлена на рис.4. отражение от границы «лес — воздух» не учитывается. Передающая антенна находится на высоте h, приёмная — в точке R.
Рис.4 Пути преломленной и боковой волны над верхушками деревьев
В этом случае уравнение первого порядка для огромных расстояний r>>h приводит к
, (12)
где r (и) показана на рис 2 и
(13)
p=1 для горизонтальной поляризации, (14а)
p=sin2и — вертикальной поляризации. (14б)
Поле Е2 представляет преломленную волну, как это показано на рис 4 лучом ТAR. Геометрооптичеcкий нрав этого поля становится естественным из зависимости r-1 и экспоненты в уравнении (12), представляющей оптическую длину луча
. (15)
Угол и‘ показанный на рис.4, связан с углом и законом Снелиуcа () Но, поле E2 является лишь частичной компонентой полного поля. А именно заметим, что E2 пропорционально cosи и, как следует, исчезает на границе «лес-воздух» (h=h, и=900). Потому для точек и=90° берется 2-ое приближение
. (16)
Сравнивая (6) и (17) можно отметить, что E‘2 в точности равно боковой волне E1 во всех точках вдоль поверхности воздух-лес. Как следует, поле E‘2 определяется как продолжение боковой волны над верхушками деревьев, как это изображено пунктирным лучом ВR. Так как поле E1 боковой волны меняется пропорционально r-2, в то время как E2 меняется пропорционально r-1, потому оно доминирует при углах и, близких к 90°; в этом случае вводим приближение
, (17)
где H=r—h, находим, что E‘2 и E2 стают равны по величине на высоте Нс над верхушками деревьев
(18)
Высота Нс описывает горизонтальную плоскость над верхушками деревьев; боковая волна преобладает при высотах Н<Нс, в то время как преломленная волна E2 заносит значимый вклад на высотах Н>Нс. Изменение поля с высотой происходит как снутри слоя растительности (0<z<h), так, и вне него (Н>0). Но этот эффект наблюдаемся лишь до некой высоты Нm, так как затухание волн с расстоянием становится весьма мощным и преобладает над иными факторами. Необходимо подчеркнуть, что Нm меньше и поле убывает резвее для вертикальной поляризации из-за параметра , который миниатюризируется с расстоянием.
Экспериментальные результаты по исследованию зависимости ослабления сигнала при изменении высот антенн приведены в работе [20]. Обе антенны — были размещены снутри соснового тропического леса. В процессе измерений в обозначенных лесах было найдено, что утраты передачи уменьшаются с повышением высот антенн. И исследование привело создателей к последующим выводам, что усиление поля по высоте не зависит от влажности леса;
В работе [19] приведены результаты сезонных (лето — осень) измерения величины сигнала для разных высот антенн при прохождении сигнала в лиственном лесу умеренной зоны. Как и следовало ждать, повышение высот антенн не приводит к мощным флуктуациям сигнала, а вызывает достаточно неизменное усиление. Такое усиление сигнала для деревьев в полной листве меньше, чем для деревьев без листвы.

1.5 Воздействие поляризации на ослабление радиоволн, распространяющихся в лесу, и эффект деполяризации
Распространяющаяся над лесом волна поглощается основным образом за счет токов, наводимых ею в стволах и ветвях деревьев, которые можно разглядывать как типичные заземление антенн из полупроводящего материала [24,25]. Исходя из этих догадок, можно считать, что при распространении в лесистой местности, вертикально поляризованные волны будут испытывать огромное ослабление, обусловленное стволами деревьев. Данное предположение подтверждается создателями работ [26,27]
При прохождении радиоволн через растительный слой отмечается явление деполяризации. Это эффект ярко выражен на низких частотах при вертикальной поляризации. В отчете МККР 339-1 и рек. МСЭ — R P.833-5 приводятся вопросец о деполяризации метровых и дециметровых радиоволн рассмотрен в работе [27]. Радиоволны испытывают частичное рассеяние и деполяризацию при распространении вдоль неровной поверхности либо через неоднородную среду. При всем этом часть энергии пропадает в одном (начальном), плоскости поляризации возникает в иной. При распространении через лес электромагнитные волны индуцируют в элементах лесной растительности произвольно нацеленными токами. Вызванное этими токами рассеяние волн и обуславливает деполяризацию падающей волны. Можно отметить, что эффект деполяризации предсказывается также и в модели боковой волны [3]. Но следует увидеть, что боковая волна в лесу есть вклад дифракционного поля и не нуждается в сохранении собственной поляризации излучения.
Внедрение кросс поляризационной составляющие дозволяет наиболее накрепко различать поверхности типа лес, городская стройка, сельскохозяйственные угодья. При всем этом возникает поверхности определенные по данным поляризационных черт земных покровов высоты деревьев, площади леса, полной биомассы деревьев. Наиболее того, внедрение когерентных способов и поляризационных черт радиолокационного поперечного сечения (РПС) деревьев дозволяет решить задачку расположения таковых деталей, как стволы, ветки и листья [28,29], что быть может применено для идентификации типов лесных пород [12]

Вывод
Проведен обзор литературных данных по вопросцам распространения радиоволн поблизости лесистой земной поверхности. Изучены разные нюансы данной трудности и рассмотрена физическая картина распространения радиоволн в лесной среде. При всем этом, на основании проведенного анализа работ, были выявлены частотная зависимость удельного ослабления, зависимость поглощения радиоволн от расстояния, изучены поляризационные эффекты, также эффект усиления поля по высоте.
На базе приобретенных данных можно составить общее поверхности. Существует два механизма прохождения волн через лесную среду. 1-ый механизм — это прямое прохождение волн через всю толщу леса. 2-ой механизм — это механизм боковой волны, линия движения которой определяется линией меньшего ослабления радиоизлучения.
Тем не наименее, имеется ряд не решенных заморочек, что дозволяет сконструировать задачки последующих исследовательских работ. Во-1-х, это определение дистанций, на которых формируется и проявляется боковая волна, также частот, на которых может быть это формирование. Во-2-х, это исследование особенностей распространения боковых волн в УКВ спектре в критериях сложного рельефа местности и неоднородности лесного покрова. В-3-х, в работе будет рассмотрена возможность определения электрофизических характеристик лесной среды на базе анализа условия формирования боковых волны.
Глава 2. Теория боковой волны
Из анализа литературных источников, проведенного в первой главе, мы знаем, что интенсивность боковой волны в лесу миниатюризируется с расстоянием и имеет зависимость r-2. Также мы знаем, что боковая волна является дифракционным полем и распространяется, вроде бы скользя вдоль вершин деревьев, следуя по контуру лесного покрова.
В данной нам главе дано математическое выражение для поля боковой волны, позволяющее получить количественные оценки, и рассмотрена физическая картина механизма распространения боковой волны.

2.1 Выражение для боковой волны
Разглядим условие формирования боковой волны.
Пусть точка О — источник волн (рис 5), которая находится (в первой среде) на расстоянии z0 от поверхности раздела меж средами 1 и 2. Расстояние z0 произвольно и никак не обязано быть огромным по сопоставлению с длиной волны. характеристики преломления 2-ух сред равны n1 и n2. При падении на плоскую границу раздела 2-ух различных сред волна отчасти отражается, отчасти проходит в другую среду (преломляется). Согласно закону отражения, угол падения равен углу отражения. Согласно закону преломления, синус угла падения относится к синусу угла преломления, как скорость в первой среде к её скорости во 2-ой среде, т.е.
. (19)
Разглядим ситуацию, когда волна приходит из наиболее плотной (верхней) среды в наименее плотную (нижнюю) среду n1>n2. Тогда волна падает на границу под углом полного внутреннего отражения, т.е. . При выполнении этого неравенства преломленный луч распространяется по 2-ой среде вдоль границы раздела и, в конце концов, опять перебегает в первую среду под д (ОАВР).
Рис 5. Лучевое поверхности раздела сред, можно показать, что поле отраженной волны можно записать в виде
, (20)
где — фактически отраженная волна (ОАР’), а — боковая волна, выражение для которой можно записать в виде (OABP):
. (21)
Выражение может трактоваться как набег фазы по лучу ОАВР (рис.5), соединяющему излучатель с точкой наблюдения. Этот луч состоит из отрезков L1 и L, по которым волна распространяется в верхней среде под углом полного внутреннего отражения к нормали к границе, и отрезка L1, по которому волна распространяется вдоль границы со скоростью, равной скорости в нижней среде. На огромных расстояниях, когда r>> (z+z0), имеем L1=r, откуда видно, что амплитуда боковой волны будет убывать с расстоянием, как r-2. Также мы лицезреем, что эта волна исчезает в предельном случае при условии n>1 и L1>0.

2.2 Физический смысл боковой волны
Из первого параграфа видно, что боковая волна связана с распространением в нижней среде на участке L1 (рис.5). Потому полный анализ природы боковой волны мы не можем провести без рассмотрения волновых действий в нижней среде. Разглядим природу боковой волны.
Рис 6. К разъяснению природы боковой волны
Рис 7. Соотношение меж длинами волн, в верхней и нижней средах и углом наклона фронта боковой волны
Пусть в точке О на рис.6 размещен источник волн. В точку В, довольно удаленную от излучателя О, но расположенную поблизости границы раздела в нижней среде, волна попадает 2-мя способами, соответственно лучам ОАВ и ОС. Луч ОС падает на границу под углом огромным, чем угол полного внутреннего отражения, и, стопроцентно отражаясь, делает в нижней среде экспоненциально затухающую при углублении волну. Луч ОА испытывает обыденное преломление, и в виде собственного продолжения АВ в нижней среде попадает в точку В. Чем больше луч ОА приближается к пунктирной полосы ОО, соответственной углу полного внутреннего отражения, тем поближе к границе будет прилегать его продолжение АВ. Волна, представляемая лучом АВ, и является предпосылкой боковой волны. Вправду, она распространяется вдоль границы со скоростью с1; создавая на границе соответственное возмущение. Крайнее дает начало новейшей волне в верхней среде. Так как пространственный период этого возмущения вдоль границы равен л1 — длине волны в нижней среде, волна в верхней среде может «припасоваться» к этому периоду лишь в том случае, если направление ее распространения будет составлять с нормалью к границе таковой угол д, что (рис.7). Конкретно так и ориентирована боковая волна.
В качестве дополнительного обоснования приведенных рассуждений можно показать, что весь волновой процесс, распространяющийся вдоль границы, разбивается на две группы волн. В первую группу заходит рядовая падающая волна (луч ОС, рис.4), соответственная отраженная волна и преломленная экспоненциально затухающая волна СВ. Во вторую группу заходит волна, идущая по пути ОАВ, и боковая волна. Любая группа распространяется вдоль границы со собственной скоростью и в отдельности удовлетворяет граничным условиям.
Рис 8. Пути лучей, приходящих в точку наблюдения Р
Рис 9. Фронты волн разных типов.1 — ровная волна; 2 — боковая; 3 — отраженная.
Значительно отметить, что на участке О‘О границы (рис.9) есть лишь падающая, отраженная и преломленная волны, входящие в первую из 2-ух упомянутых выше групп волн. Потому этот участок границы не испускает боковой волны
Таковым образом, если угол и0 больше, чем д (рис.8), то в точку Р. приходят две волны — отраженная, соответственная лучу ОР, и боковая, фаза которой дается оптической длиной луча ОАВР. Как видно из выражений (13) и (14), фронт боковой волны дается уравнением
. (22)
В плоскости хz — ровная линия. В пространстве в силу цилиндрической симметрии задачки фронт будет коническим.
На рис.9 изображены фронты прямой, отраженной и боковой волн и волны в нижней среде, дающей начало боковой волне. Согласно уравнению (22), нормаль к фронту боковой волны составляет угол с нормалью к границе. Нижний край фронта боковой волны совпадает с краем фронта волны, распространяющейся в нижней среде со скоростью с1 (с1>с). Верхний ее край соединяется с фронтом отраженной волны, которую можно представлять для себя исходящей из надуманного источника О’. Амплитуда боковой волны увеличивается, при продвижении по ее фронту от границы раздела к точке слияния с отраженной волной. Это видно из формулы (21), так как при всем этом величина L1 миниатюризируется (рис.5), где фронт боковой волны отмечен пунктирной линией РР’.

2.3 Смещение лучей при отражении и боковая волна
Появление боковой волны просто также осознать, если учитывать смещение лучей при отражении. правда, там было рассмотрено, строго говоря, смещение ограниченных пучков, смещение нужно приписывать любому лучу, выходящему из точечного излучателя и испытывающему полное внутреннее отражение.
Чем поближе будет угол падения луча на границу к углу полного внутреннего отражения, тем больше сместится луч вдоль границы при отражении. В итоге, исходящий из О заштрихованный пучок лучей на рис.10 опосля отражения разойдется в совокупа лучей ВВ (то есть внутренние войска), СС, ЕЕ, РР и т.д., идущих практически параллельно. Эти лучи и образуют боковую волну с фронтом ММ. Таковым образом, в случайной точке Р будут иметься две волны — боковая, представленная лучом ОАВР, и рядовая отраженная, представленная лучом ОВР, испытавшим очень незначимое смещение, если угол его падения не весьма близок к д.
Приведенные тут суждения разрешают получить не только лишь фазу боковой волны, а, как следует, и размещение ее фронта, да и зависимость ее амплитуды от расстояния.
Вправду, что луч, падающий на границу под углом , сдвигается, при отражении вдоль границы на величину
. (23)
В итоге исходящий из О пучок лучей, имеющий в плоскости (rz) угловой раствор , опосля отражения разойдется в пучок, протяженность которого вдоль границы, будет пропорциональна
. (24)
Рис.10. Связь смещения лучей при отражении с боковой волной.
Интенсивность волны при данном назад пропорциональна площади сечения лучевой трубки. Беря во внимание, что расхождение лучевой трубки в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа на рис.10, пропорционально r, получаем для интенсивности
. (25)
либо для амплитуды
(26)
Такую же зависимость амплитуды от расстояния дает и закон(21), где смещение было обозначено через L1.

Вывод
В данной нам главе нами было получено математическое выражение для боковой волны. Боковая волна появляется при серьезном выполнении условия полного внутреннего отражения. Эта волна распространяется вдоль границы раздела сред. Ее амплитуда убывает с расстоянием, как r-2.
Боковая волна формируется также при условии, если угол падения луча на границу будет больше либо равен углу полного внутреннего отражения. В таковой ситуации луч распространяться, и сдвигаться при отражении вдоль границы.
Мы лицезреем, что боковая волна представляет собой огибающую волну, которая распространяется в среде сбоку от главный трассы, чем и оправдывается ее заглавие.
Глава 3. исследование боковых волн в лесных покровах