Распространение радиоволн в лесной среде. Теория боковой волны
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ницаемости, 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 ?. Зная угол полного внутреннего отражения, определяем действительную часть эффективной диэлектрической проницаемости
. (32)
Для определения мнимой части ?еff воспользуемся представлением о лесном слое, как о несовершенном диэлектрике. Запишем выражение для волнового числа в такой среде в виде
(33)
где 0 - магнитная постоянная, ? - 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 (?eff) 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 ?еff 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 лесаk"?Re (?eff) Im (?eff) Сосновый лес0,016741,0820,011Смешанный лес (береза, ольха, кедр.) 0,02869,61,1390,019
По значению ? 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 (?eff) <1.139 и 0.011<Im (?eff) <0.019. В целом можно отметить незначительное возрастание ?eff 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 л?/p>