СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛЕСНОЙ СРЕДЫ В ДЛИННОВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ РАДИОВОЛН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N22/00 G01R27/00 

Изобретение относится к области физики, в частности методам исследования электрических или магнитных свойств материалов (сред), и может быть использовано при изучении условий распространения радиоволн для определения эффективных электрических свойств лесной среды в длинноволновом диапазоне радиоволн, составления карт электропроводности различных типов лесного покрова, необходимых для проектирования радиолиний связи, а также при определении зон обслуживания радиовещательных станций.

При исследованиях электрических свойств подстилающей среды, проводимых применительно к задачам распространения радиоволн над реальной земной поверхностью, широкое применение находит метод радиоэлектромагнитного зондирования (РЭМЗ).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является метод РЭМЗ для измерения электрических свойств подстилающей среды и устройство для его реализации, в котором производится измерение тангенциальных составляющих электрического и магнитного полей Е_τ и Н_τ радиостанций на границе раздела воздух - подстилающая среда и определение значения модуля и фазы приведенного поверхностного импеданса [Авт. Св. №296059 (СССР) / Способ определения эффективной комплексной диэлектрической проницаемости. А.В.Вешев, В.А.Егоров, В.Г.Ивочкин и М.И.Пертель. - Бюл. Гос. комитета СССР по делам изобр. и откр. «Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», 1971, №8, стр.141-142. Парфентьев П.А., Пертель М.И. Измеритель поверхностного импеданса на СДВ-СВ диапазоны // Низкочастотный волновод «Земля-ионосфера», Алма-Ата, издательство Гылым, 1991. С.133-135.].

Недостатком метода РЭМЗ является то, что он не определяет эффективные электрические свойства лесной среды. Это обусловлено тем, что в методе РЭМЗ измеряется только тангенциальная составляющая электрического поля Е_τ радиостанции на границе раздела земля - лесная среда, а вертикальная электрическая составляющая E_n является основной помехой при измерениях поверхностного импеданса.

Техническая задача, решаемая посредством настоящего изобретения, состоит в разработке способа измерения эффективных электрических свойств лесной среды в длинноволновом диапазоне радиоволн и устройства для его осуществления с определением амплитудно-фазовой структуры электромагнитного поля действующих радиостанций с помощью вертикальной электрической и горизонтальной магнитной антенн и селективного микровольтметра-фазометра.

Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в определении эффективных значений электрического сопротивления ρ_эфф. и диэлектрической проницаемости ε_эфф лесной среды.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения эффективных электрических свойств лесной среды в длинноволновом диапазоне радиоволн, заключающемся в измерении модуля |δ_n| и фазы ϕ° нормального импеданса электромагнитного поля в лесном массиве, согласно изобретению для уменьшения погрешности измерений вертикальную несимметричную электрическую антенну верхним концом подвешивают к наклонному телескопическому диэлектрическому подъемнику длиной до шести метров, а к нижнему концу антенны подвешивают истоковый повторитель, за счет веса которого происходит натяжение антенны и ее установление в строго вертикальное положение.

Технический результат изобретения достигается также благодаря устройству для осуществления способа, содержащему антенны для приема вертикальной электрической E_n и горизонтальной магнитной Н_τ составляющих электромагнитного поля, выходы которых подключены ко входам микровольтметра-фазометра, согласно изобретению для точного измерения электрического поля и для повышения собственной емкости несимметричная электрическая антенна выполнена из четырех спаянных в концах проводов медного антенного канатика по образующей цилиндра с диаметром сорок миллиметров и подключена ко входу микровольтметра-фазометра через истоковый повторитель с большим входным сопротивлением. По результатам измерений модуля |δ_n| и фазы ϕ° нормального импеданса электромагнитного поля в лесной среде вычисляют эффективные значения электрического сопротивления ρ_эфф и диэлектрической проницаемости ε_эфф по формулам: ρ_эфф(кОм)=1800|δ_n|/f(кГц)sin ϕ°; ε_эфф = cos ϕ°/|δ_n|, где f - частота радиостанции в килогерцах (кГц). При выводе рабочих формул используют соотношение для плоской вертикально поляризованной волны в лесной среде: E_n/(H_τ·Z₀)=1/ε_л=δ_n, где E_n и Н_τ - вертикальная и горизонтальная составляющие электрического и магнитного поля в лесной среде; Z₀ - характеристический импеданс вакуума; ε_л=ε_эфф+i60λ/ρ_эфф - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость лесной среды; δ_n - нормальный импеданс электромагнитного поля в лесной среде; λ - длина волны радиостанции в метрах. Для достижения указанного технического результата предлагается для измерения вертикальной составляющей электрического поля использовать вертикальную несимметричную электрическую антенну длиной 2 м, состоящую из четырех спаяных в концах проводов медного антенного канатика, расположенных по образующим цилиндра с диаметром 40 мм, а также использовать телескопический диэлектрический подъемник для подвеса верхнего конца вертикальной несимметричной электрической антенны, а нижний - подключать на вход истокового повторителя, подвешенного к электрической антенне. За счет веса истокового повторителя при подъеме электрической антенны с помощью телескопического диэлектрического подъемника произойдет натяжение вертикальной несимметричной электрической антенны и будет обеспечено ее строго вертикальное положение.

Для получения технического результата предложено использовать устройство, в состав которого входят: несимметричная электрическая антенна длиной 2 м для измерения вертикальной составляющей электрического поля, состоящая из четырех спаянных в концах проводов медного антенного канатика, расположенных по образующим цилиндра с диаметром 40 мм; истоковый повторитель с большим входным сопротивлением (R_вх≥1 МОм) и малой входной емкостью (≈4 пФ); рамочная магнитная антенна для измерения горизонтальной составляющей магнитного поля; телескопический диэлектрический подъемник для подвеса вертикальной несимметричной электрической антенны; селективный микровольтметр-фазометр.

Предлагаемое изобретение поясняется фотографией, на которой изображен общий вид устройства.

Методика измерений эффективных электрических свойств лесной среды в длинноволновом диапазоне радиоволн с использованием предлагаемого способа и устройства заключается в следующем:

1) на открытой безлесной местности проводят калибровку устройства с целью определения амплитудных А_к и фазовых ϕ⁰ _к параметров измерительного устройства относительно характеристического импеданса вакуума Z₀. Для этого производят измерения вертикальной электрической Е_n и горизонтальной магнитной Н_τ составляющих электромагнитного поля и фазовый сдвиг между ними на частотах радиостанций длинноволнового диапазона с помощью предлагаемого устройства;

2) устройство для измерения эффективных электрических свойств лесной среды в длинноволновом диапазоне радиоволн перемещают в исследуемую лесную среду и производят измерения вертикальной электрической Е_n и горизонтальной магнитной Н_τ составляющих электромагнитного поля и фазовый сдвиг между ними на частотах действующих длинноволновых радиостанций.

В предлагаемом устройстве в качестве микровольтметра-фазометра используют измеритель поверхностного импеданса ИПИ-300 с техническими характеристиками:

1. Диапазон рабочих частот - 10-300 кГц.

2. Дискретность установки частоты - 25 Гц.

3. Чувствительность по входу - не менее 10 мкВ.

4. Полоса пропускания - 3,3 кГц, 160 Гц.

5. Динамический диапазон - 10 мкВ - 1B.

6. Пределы отношения амплитуд сигналов на входе - 140 дБ.

7. Пределы измерения разности фаз - 0-90°, 90-170°.

8. Погрешность определения модуля импеданса - 5%.

9. Погрешность определения фазы импеданса - 2-3°.

10. Вес комплекта - 5 кг.

Микровольтметр-фазометр ИПИ-300 позволяет регистрировать отношение сигналов с электрической и магнитной антенн Е_n/Н_τ в децибелах (дБ), а также разность фаз между ними в градусах.

Эффективные значения электрического сопротивления ρ_эфф. и диэлектрической проницаемости ε_эфф лесной среды определяются по результатам непосредственных измерений модуля и фазы нормального импеданса δ_n поля в лесной среде с учетом результатов калибровки устройства на открытой безлесной местности.

Модуль |δ_n| и фазу ϕ° нормального импеданса лесной среды определяют из выражений:

|δ_n|=10^A/20, где А=(A_и-А_к) - отношение Е_n/Н_τ в дБ; А_и - E_n/H_τ в дБ при измерениях E_n и Н_τ в лесной среде; А_к - Е_n/Н_τ в дБ при калибровке устройства - измерениях Е_n и Н_τ на открытой безлесной местности.

ϕ°=ϕ°_и-ϕ°_к, где ϕ°_и - фаза нормального импеданса при измерениях в лесной среде без учета калибровки устройства; ϕ°_к - фаза нормального импеданса при калибровке устройства - измерениях на открытой безлесной местности.

Порядок измерения модуля и фазы нормального импеданса при калибровке устройства на открытой безлесной местности и проведения измерений в лесной среде следующий (см. фоторисунок):

1. Телескопический подъемник (1) установлен на опору (2) и закреплен нижним креплением (3).

2. К начальной секции (4) телескопического подъемника подвешена верхним концом несимметричная электрическая вертикальная антенна (5), а нижним подключена на вход истокового повторителя (6).

3. Производится поочередное выдвижение секций телескопического подъемника (1) до установления необходимой высоты подвеса вертикальной несимметричной электрической антенны (5) длиной 2 м.

4. К нижнему концу вертикальной несимметричной электрической антенны (5) подвешен истоковый повторитель (6). За счет веса истокового повторителя (6) происходит натяжение несимметричной электрической антенны (5) и обеспечивается ее строго вертикальное положение.

5. На расстоянии 2 м от вертикальной несимметричной электрической антенны (5) установлен селективный микровольтметр-фазометр (7) - ИПИ-300. Магнитная рамочная антенна (8) подключена на вход Н микровольтметра-фазометра ИПИ-300. Включают питание ИПИ-300 (7).

6. С помощью магнитной антенны (8) по минимуму сигнала находят направление (пеленг) на требуемую радиостанцию ДВ диапазона. Обычно измерения начинают с радиостанции 50 кГц.

7. Выход истокового повторителя (6) подключен коаксиальным кабелем (9) на вход Е микровольтметра-фазометра ИПИ-300. Включают питание истокового повторителя (6).

8. Модуль нормального импеданса измеряют путем взятия отсчетов отношения сигналов E_n/H_τ в децибелах (дБ).

9. Проводят фазовые измерения.

10. Вычисляют |δ_n|, ϕ°, ρ_эфф. и ρ_эфф.

11. Переходят на новую рабочую частоту ДВ диапазона.

Изобретение может быть использовано для составления карт эффективных электрических свойств различных типов лесной среды, необходимых для расчетов радиолиний связи. Устройство для осуществления способа согласно изобретению содержит антенну для приема вертикальной электрической Е_n составляющей электромагнитного поля и антенну для приема горизонтальной магнитной Н_τ составляющей электромагнитного поля, подключеную ко входу микровольтметра-фазометра. Для точного измерения электрического поля и для повышения собственной емкости несимметричная электрическая антенна выполнена из четырех спаянных в концах проводов медного антенного канатика по образующей цилиндра с диаметром сорок миллиметров, несимметричная электрическая антенна подвешена верхним концом, к нижнему концу несимметричной электрической антенны подвешен истоковый повторитель с большим входным сопротивлением, через который несимметричная электрическая антенна подключена ко входу микровольтметра-фазометра, при этом под действием веса истокового повторителя несимметричная электрическая антенна натянута и находится в строго вертикальном положении. Технический результат, получаемый при реализации изобретения, состоит в определении эффективных значений электрического сопротивления ρ_эфф и диэлектрической проницаемости ε_эфф лесной среды. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения эффективных электрических свойств лесной среды в длинноволновом диапазоне радиоволн, заключающийся в измерении модуля и фазы нормального импеданса электромагнитного поля в лесной среде, отличающийся тем, что для уменьшения погрешности измерений вертикальную несимметричную электрическую антенну верхним концом подвешивают к наклонному телескопическому диэлектрическому подъемнику, а к нижнему концу антенны подвешивают истоковый повторитель, за счет веса которого происходит натяжение антенны и ее установление в строго вертикальное положение.2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее антенну для приема вертикальной электрической Е_n составляющей электромагнитного поля и антенну для приема горизонтальной магнитной Н_τ составляющей электромагнитного поля, подключеную ко входу микровольтметра-фазометра, отличающееся тем, что для точного измерения электрического поля и для повышения собственной емкости несимметричная электрическая антенна, выполненная из четырех спаянных в концах проводов медного антенного канатика по образующей цилиндра с диаметром сорок миллиметров, несимметричная электрическая антенна подвешена верхним концом, к нижнему концу несимметричной электрической антенны подвешен истоковый повторитель с большим входным сопротивлением, через который несимметричная электрическая антенна подключена ко входу микровольтметра-фазометра, при этом под действием веса истокового повторителя несимметричная электрическая антенна натянута и находится в строго вертикальном положении.