Расскажи друзьям!

Дистанционные радиофизические методы

ДИСТАНЦИОННЫЕ РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ.

Содержание.

1.Введение. *

2.Пассивные методы дистанционного зондирования.СВЧ-радиометрия. *

3.Активные методы дистанционного зондирования. *

4.Основные устройства дистанционного зондирования. *

4.1.Радиозонды. *

4.2.Метеорадиотелескопы. *

4.3.Радиолокаторы. *

1).Транспортные радиолокаторы. *

5.Использование радиолокационных методов в промышленности. *

5.1.Радиолокаторы в рыбной ловле. *

1).Гидролокация. *

2).Эхолоты и гидролокаторы. *

5.2.Радиофизические методы в разведке полезных ископаемых. *

1).Метод непрерывного радиоволнового профилирования в движении *

2).Метод радиокомпарирования и пеленгации *

6.Вывод.Защита окружающей среды. *

1.Введение.

Вследствие развития методов активного и пассивного дистанционного наблюдения в радиофизике, появилась возможность облегчить решение многих проблем сельского хозяйства. Используя радиофизические методы дистанционного наблюдения, научились контролировать состояние почв, полевых и огородных культур, лесных массивов с помощью аппаратуры, установленной на спутниках и самолетах. Особенно это оказалось важным для оперативной оценки состояния лесов и сельскохозяйственных культур,своевременного планирования агрономических и лесотехнических мероприятий. Внедрение новых методов привело к повышению продуктивности сельского и лесного хозяйства.

2.Пассивные методы дистанционного зондирования. СВЧ-радиометрия.

Интенсивность радиотепловогоизлучения различных участков суши на разных частотах заметно отличается. Например, излучательная способностьсухой почвы значительно больше, чем влажной. Это происходит потому, что излучательная способность сухих почв зависит от их температуры, химического состава и плотности, излучательная же способность влажной почвы зависит от степени её увлажнения, от засоленности и от температуры.

Радиотепловое излучение различных участков земли изучают, помещая на спутниках и самолетах так называемые радиометры СВЧ-диапазона. Анализ полученных результатов, позволяет определить физические характеристики исследуемых объектов: по интенсивности радиотеплового излучения можно, например, судить о степени увлажнения почвы - чем ниже излучательная способность грунта, тем выше его влажность. Этот радиометрический метод позволяет быстро определять качество полива на больших участках орошаемых земель, обеспечить оптимальный режим полива, сигнализировать о технических неполадках оросительных систем. С помощью таких радиометров изучают также степень засоленности почвенной влаги: анализируя радиотепловое излучение исследуемого участка почвы в разных участках СВЧ-диапазона в один и тот же момент времени, можно судить о степени засоленности почвенной влаги, принимая во внимание то, что концентрация растворенных в воде солей влияет на излучательную способность воды, но на разных частотах по-разному. С помощью таких измерений предотвращают засоление почв.

Ночью, при наличии над лесами облаков или дыма, необходимые наблюдения за состоянием лесных массивов с воздуха в видимой части спектра проводиться не могут. В этом случае важнуюинформацию о состоянии лесных массивов дают радиофизическиедистанционные наблюдения. Применение активные и пассивные методы, даёт возможность определять преимущественные породы деревьев в тех или иных участках, состояние этих участков, выявлятьзоны поражения лесов. Радиофизические методы позволяютвесьма оперативно производить инвентаризацию лесных массивов.

Особое значение имеет обнаружение очагов лесных пожаров с помощью анализа радиотеплового излучения, принимаемого СВЧ-радиометрами, установленными наспутниках или самолетах. Очаги возгорания таким способом можно обнаружить на самой ранней стадии и локализовать радиофизическими методами, даже если леса покрыты облаками или дымом. СВЧ-радиометрия позволяет также контролировать температуру торфяников и заблаговременно обнаруживать очагиподземных пожаров. Уже сейчас радиофизические методы уже помогают в оперативной борьбе с лесными и подземными пожарами и весьма перспективны в этом плане.

3.Активные методы дистанционного зондирования.

Для эффективного поиска и обнаружения водоносных слоев и линз грунтовых волн применяются, так называемые, активные радиофизические методы дистанционного зондирования. Эти методы заключаются в измерении радиолокаторами подповерхностного зондирования. Такие радиолокаторы работают на дециметровых и метровых радиоволнах длиной примерно от 1 дм до 30 м. Длинные волны используют потому, что они позволяют увеличить глубину исследований возможного залегания подпочвенных водных образований. Так, при длине волны порядка 1 м можно обнаружить пресную воду под влажной почвой на глубине 20 м, а под сухой почвой — на глубине до 200 м.

Особенно ценно оперативное подповерхностное зондирование для освоения засушливых местностей и пустынь. С помощью пассивного дистанционного наблюдения со спутников и самолетов, используя то, что в разных фазах вегетации злаковые и огородные культуры имеют различные значения излучательной способности, анализируя интенсивность радиотеплового излучения, можно определить состояние всходов сельскохозяйственных культур и составить соответствующие карты, контролировать рост биомассы, прогнозировать урожай.

Активные дистанционные методы значительно расширяют возможности контроля состояния сельскохозяйственных культур. Поскольку отражательная способность растений в радиодиапазоне существенно зависит от величины зеленой массы: стеблей и листьев и характер этой зависимости различен для злаковых и огородных культур, радиолокационная аппаратура, установленная на спутниках и самолетах, позволяет получать ценную информацию о величине биомассы иее свойствах: таким путем, например, можно судить о заболеваниях растений. Анализируя различную зависимость отражательной способности культуры от величины биомассы, культуры различают друг от друга: рост зеленой массы: стеблей и листьев пшеницы, ячменя, кукурузы уменьшает отражательную способность посевов этих культур в радиодиапазоне, а для корнеплодов (картофеля, свеклы) наблюдается обратная зависимость: с ростом биомассы отражательная способность в радиодиапазоне растёт.

Высокая скорость и точность получения данных о состоянии сельскохозяйственных культур на больших площадях и динамике изменения этого состояния с течением времени делает дистанционные радиофизические методы особенно ценнымидля надежного прогнозирования урожая разных культур и оптимального планирования необходимых агротехнических мероприятий.

4.Основные устройства дистанционного зондирования.

4.1.Радиозонды.

Анализ физическихсвойств атмосферы определенного района, измеряемых в метрологии, имеет также большое значение для авиации, сельского хозяйства и других отраслей народного хозяйства.

Кроме глобальных измерений состояния атмосферы, описанных выше, радиофизические дистанционные методывсе шире применяются для региональных атмосферных измерений. Сейчас наиболее широко применяют для исследования атмосферы шары-радиозонды, на борту которых размещены приборы, измеряющие температуру, давление и влажность воздуха. Показания этих приборов автоматически передает наЗемлю специальный радиопередатчик. Местоположение шаров и вектор скорости их движения, определяемые при помощи радиолокаторов, позволяютсудить о скорости и направлении ветра на разных высотах. К сожалению, измерения при помощи радиозондов оказываются весьма громоздкими и медленными: для слежения только за одним таким шаром и получения информации о параметрахатмосферы вдоль его траектории требуется несколько часов. Необходимо еще дополнительное время для обобщения информации, поступающей от многих радиозондов.

4.2.Метеорадиотелескопы.

Чтобы добиться наилучшего результата, для метеорологических прогнозов желательно знать параметры вдоль всей толщи исследуемой поверхности в течение очень короткого времени, порядка нескольких минут. Такие измерения осуществляются путём направленного дистанционного измерения и анализа радиотеплового излучения различных слоев атмосферы на разных длинах волн - примерно от 1 мм до 2 см.. Так как слои атмосферы, находящиеся на разных высотах, дают наиболее интенсивное радиотепловое излучение на разных длинах волн, анализ излучения позволяет сразу получить информацию о физических параметрах атмосферы на разных высотах, вдоль всей толщи атмосферы и над определенными участками.

Так называемые наземные метеорадиотелескопы, реализующие описанную выше методику, позволяют практически мгновенно дистанционно измерять распределение температуры и влажности атмосферы по высоте вдольвсей толщи атмосферы. В будущем метеорадиотелескопы несомненно найдут широкое применение в метеорологии.

4.3.Радиолокаторы.

В отличие от метеорадиотелескопов радиолокаторы, быстро обнаруживающие атмосферные осадки, облака, ураганы, области повышенных градиентов температуры и давления, грозовые разряды уже сейчас довольно широко применяются в метеорологии. Радиолокаторы позволяют оперативно следить за перемещениями облаков, гроз, ураганов, получая ценную информацию о структуре, форме, размерах и физических свойствах объектов.

рис 1. Индикатор кругового обзора радиолокатора

с изображением грозовых очагов и ливней.

Вследствие интенсивного роста скоростей транспортных средств, таких, как самолеты, корабли, поезда и автомобили, особое значение приобретает обеспечение безопасности движения, предотвращение столкновений, своевременное и быстрое обнаружение различных препятствий. Радиолокаторы разных типов, устанавливаемые на самолетах, кораблях, поездах, автомобилях позволяют частично решать эти проблемы.

1).Транспортные радиолокаторы.

Чтобы предотвращать столкновение со встречными транспортными средствами, сейчас начинают устанавливать радиолокаторы на поездах и автомобилях.

Для обеспечения безопасного вождения движущихся объектов по заданной траектории в сложных метеорологических условиях, иногда при полном отсутствии видимости, применяя активные радиофизические методы удалось создать для надежного и безопасного движения самолетов и судов сложные радионавигационные системы, использующие направленное излучение радиоволн, модулированных определенным образом, которое принимается -специальными радиоприемниками, устанавливаемыми на самолетах и кораблях. Такие системы позволяют осуществлять автоматическое управление полетом самолета или движением корабля без участия человека, особенно в сложных условиях. Они обеспечивают, например, автоматизированную посадку самолетов на палубу корабля, безопасное вождение и лоцманскую проводку судов в гаванях и фарватерах.

Радиолокаторы, устанавливаемые на самолетах (самолётные), позволяют автоматически предотвращать столкновения с внешними объектами. Они быстро обнаруживают различные препятствия (горы, скалы, мачты, маяки и т. д.), другие самолеты и их местоположение. Специальные радиолокаторы,называемые радиовысотомерами (радиоальтиметрами) применяют для определения высоты полета самолета над земной поверхностью. Посылая в направлении подстилающей поверхности зондирующую волну, они принимают отраженную от нее волну и, измеряя время, прошедшее от момента излучения зондирующей волны до момента приема отраженной волны, определяют высоту полета летательного аппарата. Радиовысотомеры имеют важное значение в авиации. Они позволяют непрерывно определять даже очень малые высоты, что делает возможным приземление самолетов ночью и в тумане при “слепой” посадке.

Радиолокаторы, установленные на судах, обнаруживают скалы, айсберги, острова, другие суда, автоматически определяют расстояние до них и обеспечивают безопасное вождение кораблей ночью, в тумане, вблизи скалистых берегов.

5.Использование радиолокационных методов в промышленности.

5.1.Радиолокаторы в рыбной ловле.

Даже в рыболовстве используются активные и пассивные радиофизические методы дистанционного наблюдения.

Установленные на спутниках и самолетах, радиометры и радиолокаторы позволяют измерять степень солености морской воды, ее изменение в разных участках океанов и морей. Эти исследования важны для районов со сравнительно резкими изменениями солёности воды, например, в местах встречи океанских течений, в устьях рек, расширяющихся в сторону моря, вдоль берегов. Результаты таких измерений позволяют рыбакам прогнозировать пути миграциирыб различных видов и места их наиболее вероятного скопления.

Радиометры, установленные на летательных аппаратах и принимающие радиотепловое излучение воды,реагируют на разность температур в воде порядка одного градуса, и анализ полученных от них данных дает возможность выявлять косякирыб.

Для поисков косяков рыб, находящихся на значительных глубинах порядка сотен метров или километра, применяют акустические волны, испытывающие меньшее поглощение в воде, чем электромагнитные, потому что из-за большого поглощения электромагнитных волн в морскойводе, электромагнитные волны радиочастотного диапазона практически непригодны.

1).Гидролокация.

Так для поиска косяков рыб широко используются гидроакустические методы, особенно гидроакустическая локация, называемая гидролокацией. Передающее устройство излучает зондирующую акустическую волну, отражающуюся от косяка рыб или других объектов, приемное устройство принимает отраженную волну, измеряется время между моментом излучения зондирующегосигнала и моментом приема отраженного сигнала, а по этомувремени определяют расстояние до объекта, а по ориентации улавливающего элемента приемного устройства — направление на него.

Таким образом, в гидролокации, по существу, используются те же принципы, что и в радиолокации, только вместо электромагнитных волн излучаются и принимаются акустические, а вместо радиоантенн применяются специфические излучающие и принимающиеустройства акустических волн.

2).Эхолоты и гидролокаторы.

Все большее народнохозяйственное значение приобретают радиофизические гидролокационные методы поиска рыбы.

Гидролокационные устройства разделяют на два вида: эхолоты и гидролокаторы.

Гидролокаторы, действие которых ограничено вертикальной плоскостью называются эхолотами. Эхолоты обычно располагаются в днище судов и производят поиск рыбы под килем судна. Собственно гидролокаторы осуществляют поиск скоплений рыбы во всех направлениях относительно корабля.

В эхолотах и гидролокаторах обычно применяется импульсный метод локации. Работают они, как правило, в диапазоне ультразвуковых частот (от ДО до 200 кГц) придлительности импульсов от десятых долей микросекунды до нескольких десятков микросекунд. Косяки рыб обнаруживаются на расстояниях от судна до нескольких километров и на глубинах до 1,5 км.

5.2.Радиофизические методы в разведке полезных ископаемых.

В комплексе с другими методами геофизической разведки радиофизические методы дают ценную дополнительную информацию о месторождениях полезных ископаемых и геологическом строении земной коры на различных участках.

Эти, называемые геофизиками радиоволновыми (электродинамическими), методы основаны на различии электромагнитных свойств разных участков земной поверхности, в которых отражаются различия их геологического строения, наличие тех или иных пород.

1).Метод непрерывного радиоволнового профилирования в движении

В этих радиоволновых методах используются гармонические радиоволны, создаваемые радиопередающей антенной у поверхности земли. Известны различные радиоволновые методы исследования поверхностного слоя Земли. Наиболее распространен, так называемый, метод непрерывного радиоволнового профилирования в движении. На автомашине располагается генератор гармонических электромагнитных колебаний небольшой мощности, возбуждающий рамочную антенну, плоскость которой горизонтальна, частота таких колебаний обычно выбирается в пределах 5-15 МГц.

Анализируя изменения амплитуды и фазы высокочастотного тока в антенне при движении над участками земной поверхности с различными электромагнитными свойствами, можно судить о строении участков земной поверхности, над которыми движется рамка. Такие исследования очень эффективны.

Описанный выше метод сегодня успешно применяется для определения диэлектрической проницаемости и электрической проводимости пород на высокой частоте, позволяет изучать состав почвогрунтов, проводить инженерно-геологические съемки в северных районах, выделять талые и мерзлые породы и решать другие важные прикладные задачи.

2).Метод радиокомпарирования и пеленгации

Кроме метода радиоволнового профилирования применяется также, так называемый, метод радиокомпарирования и пеленгации, применяемый для поиска рудных тел, крупных линз пресных вод среди минерализированных вод и в других случаях резкого отличия электрических параметров объекта от параметров окружающей среды. Он основан на измерении составляющих электрического и магнитного поля гармонической радиоволны, излученной радиопередающей антенной, находящейся далеко от места измерения. На величину этих составляющих влияют электрические параметры участка поверхности земли, над которым производят измерения. Об электрических параметрах соответствующих участков поверхности судят, анализируя изменения составляющих электромагнитного поля радиоволны, распространяющейся над земной поверхностью. Измерительную аппаратуру располагают на автомобилях или самолетах.

Эти и другие методы дистанционного зондирования позволяют с помощью аппаратуры, установленной на спутниках или самолетах, производить успешный поиск отдельных рудных тел, угольных пластов, залежей минералов.

6.Вывод. Защита окружающей среды.

Сегодня охрана окружающей среды является одной из самых актуальных глобальных задач человечества, и уже сейчас необходимо осуществлять действенный, оперативный контроль ее загрязнения. Интенсивный рост развития индустрии привел к весьма нежелательным последствиям — резкому увеличению масштабов загрязнения окружающей человека природной среды

В контроле уровня загрязнения природы активно применяют радиофизические методы дистанционного наблюдения природных сред со спутников и самолетов.

Нефтяные пятна на поверхности моря сравнительно легко и надежно обнаруживают СВЧ-радиометры (эти пятна обусловливают заметные изменения радиояркостной температуры поверхности воды), а оперативно контролировать пленки нефтяных разливов на поверхности морей и океанов, определять их границы позволяют радиолокаторы. По изменениям интенсивности и частоты радиотеплового излучения слоев атмосферы, обусловленным наличием в них примесей различных газов, можно определять концентрацию этих газов в атмосфере на разных высотах. Аналогичным образом можно изучать и распределение озона в атмосфере, столь важного для жизни людей.

Применение радиолокаторов приемлемо для детального контроля загрязений, потому что загрязнения атмосферы изменяют её степень поглощения радиоволн различных частот.

Для контроля загрязнения природных сред особенно эффективны легко фокусируемые монохроматические, когерентные электромагнитные волны лазеров. Эффективные способы контроля загрязнения атмосферы или воды теми или иными веществами при помощи лазеров быстро развиваются. На сегодняшний день точность измерения степени загрязнения воздуха может достигать миллионных долей процента, а сами измерения проводятся значительно быстрее химических анализоввоздуха.

Используемые методы основаны на свойстве атомов и молекул поглощать или излучать электромагнитные волны определенной для каждого вещества частоты. Так каждое вещество имеет характерный для него набор частот, на которых происходит излучение или поглощение электромагнитной энергии, а интенсивность поглощения или излучения на этих частотах позволяет определять количество данного вещества в окружающей среде. Определить степень поглощения луча на определенных частотах и таким образом судить о степени загрязнения воздуха различными веществами можно, устанавливая на определенном расстоянии друг от друга лазер и фотоприемник и перестраивая в широких пределах частоту излучения лазера.

Значительный практический и научный интерес лазерная система быстрого обнаружения и анализа масел или нефти в морях и океанах, построенная следующим образом. Лазер устанавливается на самолете, летящем на высоте 300 м., специальное устройство развертки заставляет луч лазера пробегать по участку поверхности воды и, попадая на пятна нефти или масла, вызывает свечение их, фотоприемник определяет частоту и яркость свечения, а также местонахождение его источника. Изображение пятен нефти на поверхности воды получают, преобразуя принимаемые сигналы и подавая их на телевизионный экран, развертка которого синхронизирована с разверткой лазерного луча. О толщине слоя нефти можно судить по яркости пятен.

С помощью лазерной системы удается быстро различать десятки различных сортов нефти и масла и определять толщину образовавшейся пленки.

Как уже говорилось выше, на сегодняшний день охрана окружающей среды является одной из самых актуальных глобальных задач человечества. Применение радиофизических методов в такой важной для человека и природы области ставит их значение, развитие и использование на очень высокий уровень.