Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 12, стр. 1167-1176

ВВЕДЕНИЕ

Самолетные эксперименты, проведенные в России, Германии, Швеции и других странах, показали эффективность использования радиолокаторов дециметрового и метрового диапазона для исследования лесных покровов [1–4]. Лесной массив для этих длин волн является полупрозрачной средой, что открывает возможность получения количественных данных о такой важной величине как биомасса растительного покрова. В настоящее время в стадии разработки находятся два космических эксперимента по применению радиолокационного комплекса с синтезированной аппаратурой (РСА) Р-диапазона (частота 430 МГц) для зондирования земной поверхности, реализация которых намечена на 2022–2025 гг. Первый проект (“МКС РСА(Р)”) создается в России и предназначен для Международной космической станции (МКС) [3]. Второй проект (“BIOMASS”) разрабатывается Европейским космическим агентством для спутника-автомата [1, 2]. В обоих проектах задача зондирования лесных покровов в глобальном масштабе имеет принципиальное значение.

В то же время многие вопросы, связанные с обработкой и интерпретацией радиолокационных данных, остаются невыясненными и требуют дальнейших исследований. Представленные в данной статье материалы касаются вопросов сложности и неоднозначности интерпретации радиолокационных изображений (РЛИ) хвойного леса, получаемых с помощью самолетных и космических РСА. В качестве примеров рассмотрены особенности РЛИ, которые были получены при проведении летных экспериментов при помощи многочастотного поляриметрического РСА “ИМАРК” [5] по изучению отражений от растительных покровов (в основном от соснового леса). Кроме того, использованы космические данные, полученные с помощью радиолокатора PALSAR-1 [6, 7], установленного на борту японского спутника ALOS; а также некоторые результаты исследований, опубликованные в отечественной и зарубежной литературе.

1. ИЗМЕРЕНИЕ БИОМАССЫ ЛЕСА ПО РАДИОЛОКАЦИОННЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ

Первоочередной задачей исследования состояния леса радиолокационными методами является определение его биомассы. За основу использования радиолокационных измерений, в частности РЛИ, положена связь между результатами СВЧ-измерений и биомассой лесного покрова [8]. С увеличением биомассы лесного покрова увеличивается обратное отражение. Исследования показали, что наблюдается эффект “насыщения”, т.е. начиная с некоторого значения биомассы ее дальнейшее увеличение не приводит к изменению обратного отражения [8]. Эффект “насыщения” зависит от диапазона длин волн электромагнитного излучения (ЭМИ). В качестве примера на рис. 1, взятом из работы [8], показаны результаты экспериментальных данных. Как видно из рисунка, по мере увеличения длины волны в РСА информативность РЛИ лесных покровов повышается. В этой связи использование диапазонов с большей длиной волны излучения (P и VHF) является очень перспективным.

2. К ВОПРОСУ СЕЗОННЫХ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ХВОЙНЫХ ЛЕСОВ В L-ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Авторы работ [6, 7] в течение нескольких лет проводили исследования сезонных отражательных свойств лесных покровов в Московской области, с помощью радиолокатора PALSAR-1. Было замечено, что в холодный период времени (например, зимой) удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) тестовых участков хвойного леса (см. рис. 2) уменьшается, что подтверждается также и другими данными [10].

В работах [6, 7] полученные данные объясняются тем, что в зимний период времени хвойные леса имеют наименьшую влажность, так как нет сокодвижения. Однако в работе [11] указано, что наибольшая весовая влажность древесины наблюдается в зимний период времени. В работе [12] исследовали водный режим разнообразных древесных пород. Было установлено, что содержание воды широко варьирует в разных частях дерева и зависит от видовой принадлежности, возраста, географического места произрастания и времени года. Так, например, у хвойных деревьев в Восточной Канаде обнаружены довольно слабые сезонные изменения содержания воды в стволах, а у хвойных деревьев в Европе наблюдаются значительные сезонные колебания содержания воды [12, 13]. Однако анализ возможных причин, объясняющих эти факты, на сегодняшний день отсутствует. Таким образом, строгой зависимости водного режима от сезона года не установлено; также отсутствуют и данные, связывающие погодные условия с водным режимом деревьев. Это было подтверждено наземными измерениями [14]. В ходе полевого опыта были взяты пробы древесины стволов, тонких веток и хвои в разные сезоны. Некоторые данные из работы [14] приведены на рис. 3, которые показывают относительно резкие изменения влажности в зимний период времени в стволах, ветках и в хвое.

Подобная картина сезонных изменений влажности в стволах древесины разных пород приведена в монографии [15], в которой показано, что в холодный период года влажность в хвойных деревьях увеличивается. Таким образом, выводы авторов [6, 7] не согласуются с данными работ [14, 15].

Для объяснения того, что в зимний холодный период времени УЭПР тестовых участков хвойного леса уменьшается, авторы данной статьи использовали результаты работы [14]. В этой работе были рассмотрены теоретические вопросы моделирования отражения от лесных массивов в широком частотном диапазоне, выявлены особенности отражения в L- и P-диапазонах и приведены экпериментальные результаты наземных исследований.

3. ОБ ОСОБЕННОСТЯХ ОБРАТНОГО ОТРАЖЕНИЯ СОСНОВОГО ЛЕСА В L- И P-ДИАПАЗОНАХ ДЛИН ВОЛН

Моделирование рассеяния радиоволн лесными покровами проводилось многими исследователями с целью нахождения связи между радиолокационными измерениями и параметрами леса (биомассой, высотой деревьев, плотностью деревьев). Обзор работ по моделированию отражения от лесов представлен в [16]. Геофизические характеристики лесного массива, влияющие на его диэлектрическую проницаемость, имеют пространственно-временную изменчивость. Поэтому речь может идти о приближенных моделях, позволяющих установить основные параметры, характеризующие ослабление радиоволн внутри растительного покрова за счет поглощения и рассеяния, а также обратного отражения.

Для изучения особенностей отражательных характеристик леса авторы данной работы использовали радиолокационную съемку хвойных сосновых лесов, получаемую с помощью самолетного комплекса с РСА “ИМАРК” [5]. Данный комплекс функционировал в диапазонах длин волн: L (λ = 23 см, f = 1.3 ГГц), P (λ = 68 см, f = 0.44 ГГц), VHF (λ = 254 см, f = 0.117 ГГц). Исследования проводили на тестовом полигоне в Рязанской области. Особенностью эксперимента являлось то, что радиолокационная съемка могла осуществляться в различных диапазонах одновременно.

Результаты наземных исследований лесных хвойных покровов с помощью данного комплекса потребовали проведения моделирования отражательных характеристик в широком диапазоне длин волн. В работе [14] при моделировании отражательных способностей частей хвойных деревьев их иглы, ветви и стволы рассматривали в виде диэлектрических цилиндров.

Для оценок обратного отражения были использованы два вида сечения: дифференциальное сечение рассеяния ${{\sigma }_{d}}$ и полное сечение ${{\sigma }_{t}}.$ Первое необходимо для определения интенсивности обратного рассеяния радиоволн элементами лесных покровов, в то время как второе используется для расчета ослабления радиоволн (рассеяние радиоволн вперед). Сложность моделирования состояла в том, что для различных диапазонов одни и те же элементы лесного покрова необходимо было рассматривать как тонкие или как толстые диэлектрические цилиндры.

Для случая тонкого цилиндра сечение обратного рассеяния сильно зависит от поляризации падающей волны. В случае вертикальной поляризации сечение рассеяния описывается формулой [17, 18]

где $k = {{2\pi f} \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi f} c}} \right. \kern-0em} c}$ – волновое число, $\varepsilon $ – диэлектрическая проницаемость цилиндра, $l$ – его длина, ${{\vartheta }_{i}}$ – угол между направлением падения плоской волны и осью цилиндра, $\theta $ – угол между осью цилиндра и направлением рассеяния волны, $\sin {\text{c}}x$ = ${{\sin x} \mathord{\left/ {\vphantom {{\sin x} x}} \right. \kern-0em} x}.$ При больших значениях $kl$ обратное рассеяние сосредоточено вблизи “зеркального” направления, определяемого равенством $\cos \theta $ = $\cos {{\vartheta }_{i}}.$ Это важно при рассмотрении отражения от стволов, т.к. при таких расчетах необходимо учитывать переотражение от земли. Если направление электрического вектора падающей волны ортогонально оси цилиндра, то сечение для такой поляризации оказывается в ${4 \mathord{\left/ {\vphantom {4 {{{{\left| {\varepsilon + 1} \right|}}^{2}}}}} \right. \kern-0em} {{{{\left| {\varepsilon + 1} \right|}}^{2}}}}$ раз меньше. Сечение обратного рассеяния для толстого цилиндра в направлениях, лежащих в плоскости падения, представляется формулой [19]

Здесь

– коэффициент Френеля для волн горизонтальной (Н) поляризации и

– для случая вертикальной (V) поляризации.

Полное сечение для тонкого цилиндра в случае продольной (электрический вектор падающей волны, направление вдоль оси цилиндра) поляризации представляется формулой [20]

где – мнимая часть диэлектрической проницаемости цилиндра, а ${v}$ = $\pi {{a}^{2}}l$ – его объем. В случае толстого цилиндра соответствующее сечение не зависит от поляризации и равно

При оценках полного сечения рассеяния иголками и тонкими ветками полагали, что их ориентация произвольная.

Для сферической системы координат с осью $z,$ направленной вдоль ствола дерева, направление ветвей по азимуту $\varphi $ можно считать равномерно распределенным в пределах $\left[ {0,2\pi } \right],$ а распределение по углу $\theta $ – характеризуемым некоторой функцией вероятности. Для оценок для хвойных деревьев эту функцию выбирали в виде [21]

т.е. максимальная вероятность составляла ∼70°. Данные предположения являлись основой вычисления оценок отражательных свойств [14].

Расчеты показали, что УЭПР (с учетом хвои, веток и стволов) для хвойного дерева имеет вид, показанный на рис. 4.

При расчетах отражения от земной поверхности предполагали, что почва песчаная с влажностью 20%. Значения максимумов и минимумов и их расположение в зависимости от частоты в значительной степени определяются геометрическими и физическими параметрами лесного покрова, а также диэлектрическими свойствами хвои и ветвей.

Неожиданным результатом такого моделирования явилось то, что частотная зависимость отражательной способности оказалась немонотонной (в зависимости суммарной УЭПР наблюдаются максимум и минимум). В результате при исследованиях обратного отражения в широком диапазоне частот одного и того же выбранного участка соснового массива могут наблюдаться трудно объяснимые эффекты.

Одновременно с этим фактом была обнаружена и другая особенность. Для исключения возможных искажений, возникающих при выполнении радиолокационной съемки и первичной обработке РЛИ на результаты интерпретации, было предложено сопоставлять отражательную способность двух сосновых участков леса, непосредственно расположенных рядом и имеющих различное значение биомассы. При анализе РЛИ сосновых лесов в разные сезоны было замечено, что в диапазонах L, P, VHF действительно наблюдается аномальное поведение обратного рассеяния. В частности, некоторые особенности отражательных свойств хорошо прослеживаются в диапазонах L и P для НН-поляризации (рис. 5). Сезонное отличие в отражательных характеристиках выбранных двух участков леса (на рисунке выбранные участки обозначены кружками) наблюдается в L-, P-диапазонах и отсутствует в VHF-диапазоне (эти данные не приведены на рисунке) на всех этапах эксперимента.

Сопоставление РЛИ в L-диапазоне для двух участков соснового леса с различными таксометрическими параметрами в сентябре, ноябре и феврале (рис. 5а–5в) показывают, что отражение от леса меняется с изменением биомассы соснового покрова. Однако в феврале разница в отражательных свойствах выбранных участков практически исчезает. Одновременно с этим в P-диапазоне длин волн (рис. 5г–5е) наблюдается противоположная тенденция в отражательных свойствах: в феврале месяце эта разница резко увеличивается. В осенний период различие в отражении этих участков в P-диапазоне проявляется слабо. Для VHF-диапазона разница в отражательных характеристиках выбранных двух участков леса отсутствует на всех этапах эксперимента. В соответствии с этим возникла задача объяснить наблюдаемый характер отражающих свойств сосновых участков [14]. Было сделано предположение, что особенности поведения радиолокационной отражаемости леса в L- и P-диапазонах можно объяснить сезонной изменчивостью водного режима отдельных элементов деревьев. Детали проведения наземных измерений представлены в работах [22, 23]. Измерения влажности элементов хвойного покрова проводили при температурных условиях, которые были идентичны условиям проведения радиолокационной съемки. Представленные на рис. 3 зависимости показывают, что сезонный характер изменения влажности древесины отличается от изменения тонких веток и хвои. Значительное уменьшение влажности веток в холодный период пришлось на начало увеличения влажности древесины.

Из полученной динамики сезонных изменений влажности элементов дерева могут быть сделаны следующие выводы:

а) для каждого отдельного дерева и леса в целом прослеживается четкая зависимость изменения влажности древесины по месяцам;

б) зависимости изменения влажности хвои и веток по месяцам идентичны;

в) в холодный период времени характер изменения влажности древесины и веток существенно различаются.

Именно уменьшение влажности тонких веток и хвои в холодный период года определяет уменьшение отражательной способности хвойного леса в L-диапазоне длин волн, что и было обнаружено в [22], несмотря на то что влажность древесины в холодный период увеличивается. Кроме того, такой необычный характер изменения влажности древесины и тонких веток позволил объяснить необычное сезонное поведение экспериментальных результатов радиолокационных съемок в L- и P-диапазонах длин волн [14].

4. ВЛИЯНИЕ НАКЛОНА ПОВЕРХНОСТИ НА ОТРАЖАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЕСНЫХ ПОКРОВОВ В VHF-ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

Хорошо известно, что на РЛИ при переходе от поверхности с малым коэффициентом обратного отражения к поверхности с большим значением коэффициента обратного отражения (например, при переходе от сельскохозяйственного поля к лесу, от дороги к лесопосадке) наблюдается область (полоса) сильного обратного рассеивания. Появление такой полосы объясняется эффектом уголкового отражения.

Выполненные экспериментальные исследования с помощью многочастотного поляриметрического РСА “ИМАРК” показали, что для диапазонов X, L и P данный эффект наблюдается независимо от поляризации, так как стволы деревьев в этих диапазонах длин волн эффективно отражают ЭМИ в зеркальном направлении. Однако анализ уголкового отражения в VHF-диапазоне показал, что данный эффект отчетливо проявляется для VV-поляризации, но отсутствует для HH-поляризации. На рис. 6 для сравнения представлены фрагменты РЛИ размером 4 × 4.2 км² для диапазонов P и VHF для НН- и VV-поляризаций [14]. Анализ доступных РЛИ, полученных шведскими специалистами [24] для HH-поляризации подтверждает, что уголковое отражение в VHF-диапазоне этой поляризации в районах лесных покровов отсутствует (рис. 7а). В то же время спецтехника, расположенная на открытом поле, дает эффект уголкового отражения (рис. 7б).

Таким образом, основные элементы лесного хвойного покрова, участвующие в обратном отражении для HH- и VV-поляризаций в метровом диапазоне длин волн, различаются. Следовательно, основные механизмы отражения от лесного покрова для этих поляризаций должны также отличаться. Для VV-поляризации обратное отражение определяется в первую очередь стволами деревьев, для HH-поляризации – крупными ветками, которые можно рассматривать в качестве дипольных вибраторов. В этом случае роль переотражения электромагнитных волн от поверхности уменьшается.

В работе [9] представлены результаты по изучению влияния наклона поверхности земного покрова на обратное отражение ЭМИ диапазона VHF. Исследования были проведены на основе радиолокационных съемок лесных массивов на склонах холма, имеющих различный наклон (рис. 8а). Авторы [9] объяснили изменение отражательной способности при разных наклонах земной поверхности влиянием переотражения элементами лесной растительности и наклонной поверхностью и сделали попытку математически обосновать это. Однако в работе [24] приведен РЛИ участка лесного массива на фоне водной поверхности, где эффект уголкового отражения для HH-поляризации отсутствует, что противоречит результатам [9].

Наиболее правдоподобное объяснение заключается в следующем. На склонах гор азимутальное распределение ветвей деревьев (см. рис. 8б, 8в) меняется – количество ветвей, расположенных перпендикулярно к склону увеличивается и их роль в отражении для HH-поляризации уменьшается. Теоретическое рассмотрение в работе [25] на основе отражения электромагнитных волн от тонкого диэлектрического цилиндра, по крайней мере для направлений, показанных на рис. 8г, объясняет наблюдаемый эффект.

Для более четкого понимания отражения ЭМИ диапазона VHF от структур, подобных деревьям, авторами работы [26] были проведены теоретические и экспериментальные исследования, касающиеся особенностей радиолокационного отражения от опор линий электропередач (ЛЭП) (рис. 9а).

При моделировании рассеяния ЭМИ от такой конструкции принимали во внимание два механизма обратного отражения: прямое отражение от элементов опор (от столба и от перекладин); отражение рассеянных волн вниз от объекта под зеркальным углом в сторону поверхности земли (перендикулярной или наклонной по отношению к столбу) и дальнейшим переотражением от нее в сторону РСА. Для второго механизма отражательные свойства поверхности и локальная топография играют важную роль. Обычно при моделировании рассматривают падение плоской волны и учитывают отражение от всех элементов конструкции одновременно, а поверхность земли считают плоской. Необходимо также принимать во внимание, что РСА обладает высокой разрешающей способностью по дальности (элемент разрешения по дальности меньше высоты опоры). Радиолокационные сигналы, непосредственно отразившиеся от перекладин, и сигналы, переотразившиеся от земли, оказываются разнесенными по времени. На РЛИ эти сигналы должны наблюдаться на различных дальностях, т.е. эффект уголкового отражения не наблюдается.

При отражении от столба по схеме столб–земля и земля–столб (если поверхность земли ровная и перпендикулярна к столбу) рассеяние соответствует двугранному механизму обратного отражения и на РЛИ будет одно изображение. Если переотражение соответствует наклонной поверхности земли, то двугранный механизм обратного отражения не работает и оно не проявляется на РЛИ.

Численное моделирование отражательных свойств для отдельных элементов конструкции опоры ЛЭП при различных значениях влажности грунта проводили методом интегральных уравнений, который является строгим в электродинамическом смысле [27]. Отраженная от грунта волна вычислялась по формулам Френеля. Расчеты комплексной диэлектрической проницаемости грунта выполнялись согласно. Анализ полученных зависимостей для углов визирования 60°…70° показал следующее.

1. Для VV-поляризации основной вклад в отражение дает столб. Зависимость от угла визирования и влажности почвы сложная. Систему столб–земля следует рассматривать как уголковый отражатель, т.е. отражение от отдельных элементов ствола и ровной земной поверхности приходит в приемник с одинаковой фазой. Происходит когерентное накопление – отражение для короткого импульса аналогично отражению плоской волны с центром отражения у земли (рис. 9в, 9д). Отражение от перекладин мало. Таким образом, для VV-поляризации следует ожидать отражения от опоры ЛЭП в виде одного отклика, величина которого сильно зависит от локальной влажности и топографии поверхности в районе опоры.

2. Для горизонтальной поляризации преобладающую роль играют сигналы, непосредственно отразившиеся от перекладин, и сигналы, отразившиеся по схеме рассеяния перекладина–земля и земля–перекладина. Эти сигналы разнесены по времени (на РЛИ эти сигналы наблюдаются на различных дальностях) (рис. 9б, 9г). В нашем случае расстояние между тремя перекладинами меньше разрешающей способности РСА по дальности, поэтому отражение от перекладин и пере-отражение от земной поверхности проявляются в виде одиночных откликов, величина переотражений от земной поверхности также зависит от локальной влажности и топографии поверхности в районе опоры. Теоретические расчеты показывают, что от азимутального расположения перекладин относительно направления распространения ЭМИ величины отражения сильно меняются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведен комплексный эксперимент по исследованию особенностей радиолокационных изображений хвойных лесов, включающий проведение самолетных измерений с помощью многочастотной поляриметрической радиолокационной станции РСА “ИМАРК” одновременно с проведением наземных контактных геофизических измерений параметров растительного и почвенного покровов. Наземные измерения в сосновых лесах в период времени сентябрь–июль показали, что наблюдаемые значительные изменения влажности древесины (стволов), веток и хвои деревьев особенно сильно наблюдаются в холодный сезон при резких изменениях температуры воздуха. В это время характер изменения влажности хвои и тонких веток существенно отличается от влажности древесины, которая меняется незначительно (рис. 3а). Одновременно с этим влажность веток и хвои заметно уменьшается. Сезонные особенности в диапазонах L и P в отражательной способности двух сосновых участков леса, имеющих разные таксометрические величины, согласуются с изменением водного режима хвои и тонких веток. Это, возможно, и объясняет наблюдаемые особенности в отражательных свойствах сосновых лесов уменьшением влажности в хвое и тонких ветках с температурными изменениями по сезонам.