Радиофизические методы обработки информации в народном хозяйстве

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ.

КАФЕДРА РПР.

РЕФЕРАТ.

ПО ТЕМЕ:

МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ.

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ: СТ. ГР. П-48 ИГНАТЬЕВ. С.А.

ПРОВЕРИЛ: ДОЦ. ПОСНОВСКИЙ. Е.И.

СТАВРОПОЛЬ 1999.

Благодаря развитию радиофизических методов активного и пассивного дистанционного наблюдения появилась возможность оперативного контроля состояния почв, полевых и огородных культур, лесных массивов с помощью аппаратуры, установленной на спутниках и самолетах. Это важно для быстрой оценки состояния сельскохозяйственных культур и лесов своевременного планирования агрономических и лесотехнических мероприятий, повышения продуктивности сельского и лесного хозяйства. т. к отмечалось, что интенсивность радиотеплового излучения различных участков суши на разных частотах заметно отличается. В частности, излучательная способность, влажной почвы значительно меньше, чем сухой. Излучательная способность влажной почвы зависит от степени увлажнения ее, а также от засоленности и, естественно, от температуры. Излучательная способность сухих почв зависит от их температуры, химического состава и плотности.

Располагая на спутниках и самолетах радиометры СВЧ-диапазона, измеряют радиотепловое излучение различных участков почв и, анализируя его, определяют физические характеристики их.

В частности, по интенсивности радиотеплового излучения можно судить о степени увлажнения почвы. Чем выше влажность грунта, тем ниже его излучательная способность. Такой радиометрический метод позволяет быстро определять качество полива на больших участках орошаемых земель и обеспечить оптимальный режим полива, сигнализировать о технических неполадках оросительных систем. Этим методом можно также определять степень засоленности почвенной влаги, поскольку концентрация растворенных в воде солей влияет на излучательную способность воды по-разному на разных частотах. 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, что важно для предотвращения засоления почв.

Активные радиофизические методы дистанционного зондирования применяются для эффективного поиска и обнаружения водоносных слоев и линз грунтовых волн. Это осуществляется радиолокаторами подповерхностного зондирования, работающими на дециметровых и метровых радиоволнах, примерно от 1 дм до 30 м. Выбор сравнительно длинных волн диктуется тем, что с увеличением длины волны увеличивается глубина залегания обнаруживаемых подпочвенных водных образований. 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.

Оперативное подповерхностное зондирование особенно ценно для освоения засушливых местностей и пустынь. В разных фазах вегетации злаковые и огородные культуры имеют различные значения излучательной способности. Поэтому с помощью пассивного дистанционного наблюдения со спутников и самолетов, анализируя интенсивность радиотеплового излучения, можно определять состояние всходов сельскохозяйственных культур и составлять соответствующие карты, контролировать рост биомассы, прогнозировать урожай. Значительно расширяют возможности контроля состояния сельскохозяйственных культур активные дистанционные методы. 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 дополнительную информацию о величине биомассы и ее свойствах. Таким путем, например, можно судить о заболеваниях растений. Отличать одни культуры от других можно, анализируя «различную зависимость отражательной способности культуры от величины биомассы. Так, например, рост зеленой массы: стеблей и листьев пшеницы, ячменя, кукурузы уменьшает отражательную способность посевов этих культур в радиодиапазоне. Для корнеплодов (картофеля, свеклы) наблюдается обратная зависимость: с ростом биомассы растет отражательнаяспособность в радиодиапазоне.

Исключительная оперативность получения данных о состояии сельскохозяйственных культур на больших площадях и динамике изменения этого состояния с течением времени делает дистанционные радиофизические методы особенно ценными для надежного прогнозирования урожая разных культур и оптимального планирования необходимых агротехнических мероприятий.

«Осмотр» лесных массивов Наблюдения с воздуха за состоянием лесных массивов в видимой части спектра не могут проводиться ночью, при наличии над лесами облаков или дыма. Важную дополнительную-информацию о лесных массивах могут дать радиофизические-дистанционные наблюдения. Сочетая активные и пассивные методы, можно определять преимущественные породы деревьев в тех или иных участках, состояние этих участков, выявлять-зоны поражения лесов. Радиофизические методы позволяют весьма оперативно производить инвентаризацию лесных массивов.

Исключительный интерес представляет обнаружение очагов лесных пожаров с помощью анализа радиотеплового излучения, принимаемого СВЧ-радиометрами, установленными на спутниках или самолетах. Очаги обнаруживаются радиофизическими методами и локализуются, даже если леса покрыты? облаками или дымом и на самой ранней стадии загорания.

СВЧ-радиометрия позволяет также контролировать температуру торфяников и заблаговременно обнаруживать очаи; подземных пожаров. Радиофизические методы уже сейчас помогают в оперативной борьбе с лесными и подземными пожарами и весьма перспективны в этом плане. Проводимые для метеорологии измерения физических: свойств атмосферы определенного района имеют большое значение для авиации, сельского хозяйства и других отраслей народного хозяйства. уже говорилось в предыдущей главе о применении радиофизических дистанционных методов для глобальных измерений состояния атмосферы. Эти же методы все шире применяються и 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 специальный радиопередатчик автоматически передает на Землю. При помощи радиолокаторов определяют местоположение шаров и вектор скорости их движения, что позволяет судить 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 параметрах атмосферы вдоль его траектории требуется несколько часов. Необходимо еще дополнительное время для обобщения информации, поступающей от многих радиозондов. Для метеорологических прогнозов желательно знать параметры вдоль всей ее толщи в течение очень короткого времени, порядка нескольких минут. Это удается сделать путем направленного дистанционного измерения и анализа радиотеплового излучения различных слоев атмосферы на разных длинах волн, примерно от 1 мм до 2 см. Поскольку 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 над определенными пунктами. Реализующие эту методику наземные метеорадиотелескопы позволяют практически мгновенно дистанционно измерять распределение температуры и влажности атмосферы по высоте вдоль, всей толщи атмосферы. Такие метеорадиотелескопы несомненно найдут широкое применение в метеорологии.

В метеорологии довольно широко применяют радиолокаторы, быстро обнаруживающие атмосферные осадки, облака, ураганы, области повышенных градиентов температуры и давления, грозовые разряды. На рис. 1 представлен индикатор кругового обзора радиолокатора с изображением грозовых.

[pic] рис 1 очагов и ливней. Радиолокаторы позволяют оперативно следить за перемещениями облаков, гроз, ураганов, получая ценную информацию о структуре, форме, размерах и физических свойствах объектов.

Радиолокаторы на транспорте и рыбных промыслах.

Радиолокаторы на транспорте.

В условиях сильно возросших скоростей транспортных средств (самолетов, кораблей, поездов и автомобилей) особое значение приобретает безопасность движения, предотвращение столкновений, своевременное и быстрое обнаружение различных препятствий. Достижение указанных целей обеспечивается радиолокаторами разных типов, устанавливаемыми на самолетах, кораблях, поездах, автомобилях. Широко известны самолетные радиолокаторы. Они быстро обнаруживают различные препятствия (горы, скалы, мачты, маяки и т. д.), другие самолеты и их местоположение, что позволяет автоматически предотвращать столкновения с этими объектами. Для определения высоты полета самолета над земной поверхностью применяют специальные радиолокаторы, называемые радиовысотомерами (радиоальтиметрами). Посылая в направлении подстилающей поверхности зондирующую волну, 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 и позволяют непрерывно определять даже очень малые высоты, что делает возможным приземление самолетов ночью и в тумане при «слепой» посадке.

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

Сейчас начинают устанавливать радиолокаторы на поездах и автомобилях, чтобы предотвращать столкновение со встречными транспортными средствами. Активные радиофизические методы позволили создать для надежного и безопасного движения самолетов и судов сложные радионавигационные системы, использующие направленное излучение радиоволн, модулированных определенным образом, которое принимаетсяспециальными радиоприемниками, устанавливаемыми на самолетах и кораблях. Эти системы обеспечивают безопасное вождение движущихся объектов по заданной траектории в сложных метеорологических условиях, иногда при полном отсутствии видимости. Радионавигационные системы позволяют осуществлять автоматическое управление полетом самолета или движением корабля без участия человека, особенно в сложных условиях. Такие системы обеспечивают, например, автоматизированную посадку самолетов на палубу корабля, безопасное вождение и лоцманскую проводку судов в гаванях и фарватерах.

Промысловая разведка рыб.

Активные и пассивные радиофизические методы дистанционного наблюдения могут давать информацию, полезную и для рыболовства. Радиометры и радиолокаторы, установленные на спутниках и самолетах, позволяют измерять степень солености морской воды и ее изменение в разных участках океанов и морей. Такие измерения важны для районов со сравнительно резкими изменениями солености воды, в частности; в местах встречи океанских течений в устьях рек, расширяющихся в сторону моря, вдоль берегов. Результаты этих измерений позволяют рыбакам прогнозировать пути миграции рыб различных видов и места наиболее вероятного скопления их. Поскольку радиометры, установленные на летательных аппаратах и принимающие радиотепловое излучение воды, реагируют на разность температур в воде порядка одного градуса, анализ их данных дает возможность выявлять косяки-рыб.

Однако для поисков косяков рыб, находящихся на значительных глубинах порядка сотен метров или километра электромагнитные волны радиочастотного диапазона практически непригодны вследствие большого поглощения их в морской воде. Для такого поиска естественно применять акустические волны, испытывающие меньшее поглощение в воде, чем электромагнитные. Поэтому для поиска косяков рыб широко используются гидроакустические методы, в особенности гидроакустическая локация (гидролокация). По существу дела в гидролокации используются те же принципы, что и в радиолокации, только вместо электромагнитных волн излучаются принимаются акустические волны в воде и вместо радиоантенн применяются специфические излучающие и принимающие устройства акустических волн. Передающее устройство излучает зондирующую акустическую волну, отражающуюся от косяка рыб или других объектов, приемное устройство принимает отраженную волну, измеряется время между моментом излучения зондирующего сигнала и моментом приема отраженного сигнала и по этому времени определяют расстояние до объекта, а по ориентация) улавливающего элемента приемного устройства — направление на него. Применяют гидролокационные устройства двух типов эхолоты и гидролокаторы. Эхолоты представляют собой гидролокаторы, действие которых ограничено вертикальной плоскостью. Они обычно располагаются в днище судов и производят поиск рыбы под килем судна. Гидролокаторы осуществляют поиск скоплений рыбы во всех направлениях относительно корабля. В данных гидролокационных приборах обычно используют импульсный метод локации, работают, как правило, в диапазоне ультразвуковых частот (от ДО до 200 кГц) при. длительности 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. Радиофизические методы поиска рыбы приобретают все большее народнохозяйственное значение.

Поиск полезных ископаемых.

Радиофизические методы исследования эффективно применяются в геофизической разведке. В комплексе с другими методами геофизической разведки они дают ценную дополнительную информацию о геологическом строении земной коры на различных участках и месторождениях полезных ископаемых.

Основой для этих методов, называемых геофизиками радиоволновыми (электродинамическими), является различие электромагнитных свойств разных участков земной поверхности, отражающее различие в их геологическом строении, наличии тех или иных пород. Используются гармонические радиоволны, создаваемые радиопередающей антенной у поверхности земли. Известны различные радиоволновые методы исследования поверхностного слоя Земли. Распространен метод непрерывного радиоволнового профилирования в движении. На автомашине располагается генератор гармонических электромагнитных колебаний небольшой мощности, возбуждающий рамочную антенну, плоскость которой горизонтальна. Частота колебаний обычно выбирается в пределах 5−15 МГц, При движении над участками земной поверхности с различными электромагнитными свойствами изменяется амплитуда и фаза высокочастотного тока в антенне и, анализируя эти изменения, можно судить о строении участков земной поверхности, над которыми движется рамка. Исследования проводятся весьма оперативно. Метод успешно применяется для определения диэлектрической проницаемости и электрической проводимости пород на высокой частоте и позволяет изучать состав почвогрунтов, проводить инженерно-геологические съемки в северных районах, выделять талые и мерзлые породы и решать другие важные прикладные задачи. Используется также метод радиокомпарирования и пеленгации. 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. Анализируя изменения составляющих электромагнитного поля радиоволны, распространяющейся над земной поверхностью, судят об электрических параметрах соответствующих участков поверхности. Измерительную аппаратуру располагают на автомобилях или самолетах. Метод наиболее успешно применяется для поиска рудных тел, крупных линз пресных вод среди минерализированных вод и в других случаях резкого отличия электрических параметров объекта от параметров окружающей среды.

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

Контроль загрязнения окружающей среды.

Быстрые темпы развития индустрии привели к весьма нежелательным последствиям — резкому увеличению масштабов загрязнения окружающей человека природной среды. Охрана окружающей среды является одной из актуальных глобальных задач человечества, и уже сейчас необходимо осуществлять действенный, оперативный контроль ее загрязнения.

Такому контролю способствуют радиофизические методы дистанционного наблюдения природных сред со спутников и самолетов. СВЧ-радиометры сравнительно легко и надежно обнаруживают нефтяные пятна на поверхности моря, поскольку эти пятна обусловливают заметные изменения радиояркостной температуры поверхности воды. Радиолокаторы позволяют оперативно контролировать пленки нефтяных разливов на поверхности морей и океанов и определять границы их. 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. Загрязнения атмосферы изменяют степень поглощения ею радиоволн различных частот, что позволяет для детального контроля этих загрязнений применять радиолокаторы.

Особенно перспективны для контроля загрязнения природных сред легко фокусируемые монохроматические, когерентные электромагнитные волны лазеров. Поэтому быстро развиваются эффективные способы контроля загрязнения атмосферы или воды теми или иными веществами при помощи лазеров. Они основаны на свойстве атомов и молекул поглощать или излучать электромагнитные волны только вполне определенной для каждого вещества частоты. 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. Устанавливая на определенном расстоянии друг от друга лазер и фотоприемник и перестраивая в широких пределах частоту излучения лазера, можно определить степень поглощения луча на определенных частотах и таким образом судить о степени загрязнения воздуха различными веществами. Точность измерения степени загрязнения воздуха может достигать миллионных долей процента, а сами измерения проводятся значительно быстрее химических анализов воздуха.

Представляет значительный практический интерес лазерная система быстрого обнаружения и анализа масел или нефти в морях и океанах. 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. Преобразуя принимаемые сигналы и подавая их на телевизионный экран, развертка которого синхронизирована с разверткой лазерного луча, получают изображение пятен нефти на поверхности воды. По яркости пятен можно судить о толщине слоя нефти. Таким путем удается быстро различать десятки различных сортов нефти и масла и определять толщину образовавшейся пленки.

Используемая литература: www. Referat.ru.