способ измерения эффективных электрических свойств лесной среды в длинноволновом диапазоне радиоволн и устройство для его осуществления

Формула изобретения

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 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.

Описание изобретения к патенту

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 и Н 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 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 _эфф. и диэлектрической проницаемости _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 | _n| и фазы ° 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 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 | _n| и фазы ° нормального импеданса электромагнитного поля в лесной среде вычисляют эффективные значения электрического сопротивления _эфф и диэлектрической проницаемости _эфф по формулам: _эфф(кОм)=1800| _n|/f(кГц)sin °; _эфф = cos °/| _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 ·Z₀)=1/ _л= _n, где E_n и Н - вертикальная и горизонтальная составляющие электрического и магнитного поля в лесной среде; Z₀ - характеристический импеданс вакуума; _л= _эфф+i60 / _эфф - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость лесной среды; _n - нормальный импеданс электромагнитного поля в лесной среде; - 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 ⁰ _к параметров измерительного устройства относительно характеристического импеданса вакуума Z₀. Для этого производят измерения вертикальной электрической Е_n и горизонтальной магнитной Н 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 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 в децибелах (дБ), а также разность фаз между ними в градусах.

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

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

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

°= °_и- °_к, где °_и - фаза нормального импеданса при измерениях в лесной среде без учета калибровки устройства; °_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 в децибелах (дБ).

9. Проводят фазовые измерения.

10. Вычисляют | _n|, °, _эфф. и _эфф.

11. Переходят на новую рабочую частоту ДВ диапазона.