Влияние растительного покрова на распространение средних и более длинных электромагнитных волн

• Автор: Егоров, Владимир Александрович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 133 с. : ил.

Характер распространяющихся вдоль земной поверхности электромагнитных воли зависит от многих факторов, которые можно разделить на две основные г руппы: геологогеофизические и физико-географические. К геолого-геофизическим факторам относятся электромагнитные параметры и структурное взаимоположеиие различных слоев и блоков горных пород, слагающих подстилающую поверхность вдоль трассы распространения (в пределах областей, существенных для распространения электромагнитных волн как по глубине, так и по площади). К физико-географическим факторам относятся рельеф местности и растительный покров.
Фундаментальные исследования Зоммерфельда [1], Вейля [2] и Фока [3] привели к решению задачи распространения электромагнитных волн вдоль плоской и сферической однородной подстилающей поверхности. Обобщением исследований Зоммерфельда, Вейля и Фока послужили работы Фейнберга, который в своей монографии [4] приводит решение задачи распространения электромагнитных волн вдоль плоских и сферических кусочно-однородных трасс. Другим обобщением в теории распространения электромагнитных волн явились исследования особенностей распространения электромагнитных волн для случая неоднородных по глубине слоистых трасс. Результаты указанных исследований представлены в монографии Макарова и др. [5,6], в которой показано, что в случае слоистых трасс могут появиться новые типы волн, в частности, боковая волна и поверхностная волна Ценнека [7], отсутствующая, как показано Фоком, в случае однородной по глубине трассы распространения.
В монографии Фейнберга [4] дается решение задачи о распространении электромагнитных волн для случая статистически равномерно распределенных неровностей рельефа в модели однородного изотропного слоя с эффективными значениями комплексной диэлектрической проницаемости. Следовательно, влияние кусочно-слоистой подстилающей поверхности с учетом равномерно распределенных неровностей рельефа местности может быть осуществлено в рамках единой кусочнослоистой модели.

Важным и еще не решенным вопросом является учет влияния растительного покрова на распространение электромагнитных волн. Основная цель настоящей диссертации заключается в учете влияния растительного покрова на распространение электромагнитных воли в модели однородного изотропного слоя с эффективными значениями комплексной диэлектрической проницаемости «леса-слоя», зависящими от температуры окружающей среды. С учетом вышеизложенного, представление растительного покрова в модели однородного изотропного «леса-слоя» позволяет решать задачу распространения электромагнитных волн вдоль земной поверхности с учетом как геолого-гсофизических, так и физико-географических факторов в рамках единой модели кусочно-слоистых сред в одномерном трассовом приближении.
Хвойные, лиственные, смешанные и тропические леса занимают свыше 40% суши Земли, при этом степные районы на 70% покрыты посевами злаковых культур, фруктовыми садами, хлопковыми, кофейными и чайными плантациями, поэтому разработка моделей, которые позволяют качественно оценивать и количественно прогнозировать параметры электромагнитного поля в волноводном канале Земля-ионосфера при наличии растительного покрова является весьма актуальной задачей. Одновременно, учет влияния растительного покрова имеет самостоятельное значение для прогнозирования электромагнитных полей при эксплуатации различных радиотехнических систем с целью повышения надежности передачи информации радиотехническими средствами связи, повышения точности как стационарных, так и, особенно, мобильных радионавигационных систем, а также с целью повышения точности мсстоопределения очагов грозовой активности и прочих источников электромагнитного излучения по многопунктовым измерениям.
В приведенном ниже обзоре литературы дается достаточно подробный анализ немногочисленных экспериментальных данных и методов расчета электромагнитных полей при наличии растительного покрова в диапазонах средних, длинных и сверхдлинных волн, когда длина волны электромагнитного поля много больше высоты растительности.
Обширная литература, посвященная экспериментальным исследованиям и методам расчета электромагнитных полей в диапазонах коротких и ультракоротких волн рассматривается достаточно кратко, в основном с целью качественной оценки предлагаемых моделей применительно к интересующему нас диапазону частот.
Первые экспериментальные исследования по оценке влияния растительного покрова на характер распространения электромагнитных волн были проведены, по-

видимому, в Англии Барфильдом в середине 20-х годов прошлого века [8]. Барфильд исследовал влияние, оказываемое отдельно стоящим деревом, путем измерения ошибки радиопеленга с помощью вращающейся рамки в точках наблюдения, расположенных по окружности в непосредственной близости от дерева. В результате экспериментов, которые проводились в средневолновом диапазоне на частоте Г = 824 кГц. (X - 364м.) было установлено, что дерево существенно искажает магнитное поле волны. При этом максимальная ошибка радиопеленга на расстоянии 3 м. от дерева высотою 25 м. с диаметром ствола в нижней части 0.9-1.0 м. составляет 7.5-11.5° зимой и возрастает летом еще на 30%. Характер поведения ошибки радиопеленга по окружности позволил автору сделать вывод о том, что дерево может быть представлено в модели вертикального электрического переизлучателя, создающего вторичное магнитное поле, которое и приводит к искажению радиопеленга на излучающую станцию. Одновременно производились измерения модуля нормальной составляющей электрического поля на расстояниях от 8км. до 160км. относительно Лондонских радиостанций, работающих на частотах 416кГц. ( X = 720м.) , 631 кГц. (X = 475м.) и 824кГц. (к = 364м.). В результате экспериментов по компарированию поля было установлено, что на трассах, частично заполненных лесными массивами, наблюдается существенное дополнительное ослабление поля, которое в модели однородной земной поверхности эквивалентно уменьшению эффективной электрической проводимости залесенной трассы распространения в 2,0-2,5 раза по сравнению с незалесенными трассами.
В середине 50-х годов при эксплуатации разностно-фазовой радионавигационной системы «Декка», работающей на кратных частотах в диапазоне длинных волн, было установлено, что отдельно стоящее дерево существенно искажает фазовую структуру электрического поля. В частности, в работе [9] Рейнольдс приводит графики искажения разности фаз на кратных частотах в зависимости от расстояния до дерева, из которых следует, что влияние дерева заметно на расстояниях до 30м, т.с. на расстояниях меньших или равных его высоте. При этом максимальное искажение разности фаз на двух кратных частотах (79,83кГц. и 85кГц.; 85кГц. и 127,5кГц.) составляют соответственно 0.145 и 0.19 фазового цикла.
Для объяснения наблюдаемого эффекта Рейнольдс предложил представлять дерево в модели конденсатора, в котором идеально проводящая подстилающая поверхность и ветви кроны дерева образуют пластины конденсатора, а ствол дерева эквивалентен сопротивлению, включенному между пластинами. При воздействии на дерево вертикальной составляющей падающего электрического поля Еп (зависимость от
времени принимается е"“") в эквивалентной цепн дерева с эффективной высотой

Следующие 16 деревьев располагаются но сторонам и углам четырехугольника с длиной стороны 46, т.е. в среднем расположены на удвоенном расстоянии относительно точки наблюдения.
1 + л/2
Рр =2 Рр
где р 2 - второй радиус, на котором по окружности расположены 16 деревьев. Тогда при ш=16 третий член Р в формуле 2.22 определяется в виде
РЛт = 6)

1 + ((! + л/2)/2)2 (2-^-
3/2 '
Следующие 24 дерева располагаются по сторонам и углам четырехугольника с длиной стороны 6(1, т.е. в среднем расположены на утроенном расстоянии относительно точки наблюдения
Р&=2Рр
где - третий радиус, на котором по окружности распложены 24 дерева.
Тогда при т=24 четвертый член Г в формуле (2.22) определяется в виде
Р<(т = 24)

1 + ((1 + ^2)/2)2 (3^
И т.д.
В результате геометрический параметр Р может быть записан в виде следующей
суммы:
Р = 1 + Ут
"-! [1 + ((1 +л/2)п«г/2)2],/2 ’
(2.23)