Радиофизические методы обработки информации в народном хозяйстве

Благодаря развитию радиофизических методов активного и пассивного дистанционного наблюдения появила сь 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 сельскохозяй с твенных культур и лесов своевременного планирован ия агрономических и лесотехнических мероприятий , повышения продуктивности сельского и лесног о хозяйства . т.к отмечалось , что интенсивность радиоте плового излучения различных участков суши на разных частот ах за метно отличается . В частности , излучательная способность, влажной почвы з начительно меньше , чем сухой . Излучательная сп особность влажной почвы зависит от степени увлажнения ее , а также от засоленности и , естественно , от температуры . Излучательная с пособн ость сухих почв зависит от их тем пературы , химического сос тава и плотности. Располагая на спутниках и самолетах радиометры СВЧ- диапазона , измеряют радиотепловое излучение различных уча стков почв и , анализируя его , определяют физиче ские харак теристики их. В час тности , по интенсивности радиотеплового излучения можно судить о степени увлажнения почвы . Чем выше влажность грунта , тем ниже е го излучательная способность . Такой радиометричес кий метод позволяет быстро определять качеств о полива на больших участках о р ошаемых земель и обеспечить оптимальный режим полива , сигнализировать о технических непола дках оросительных систем . Этим методом можно также определять степень засоленности почвен ной влаги , поскольку концентрация растворенных в воде солей влияет на излуча тельную способность воды по-разном у на раз ных частотах . А нализируя радиотепловое излучение исследуе мого участка почвы в разных учас тках СВЧ-диапазона в один и тот же мом ент времени , можно судить о степени засоле нности почвенной влаги , что важно для пред отв ращения засоле ния п очв. Активные радиофизические методы дистанционного зонди рования применяются для эффективного поиска и обнаруже ния водоносных слоев и линз грунтовых волн . Эт о осуществля ется радиолокатор ами подповерхностного зондирования , работающими на дециметровых и метро вых радиоволнах , примерно от 1 дм до 30 м . Выбор сравнительно длинных волн диктуется те м , что с увеличением длины волны увеличива ется глу бина залегания обнаруж иваемых подпочвенных водных образований . При длине волны порядка 1 м можно об наружи ть пресную воду под влажной почвой на глубине 20 м , а под су хой почвой — на глубине до 200 м. Оперативно е подповерхностное зондирование особенно ценно для освоения засушливых м естностей и пустынь. В разных фазах вегетации злаковые и огородные культ у ры имеют различные значения излучательной способности . Поэтому с помощью пассивного дистанционного наблюдения со спутников и самолетов , анализируя интенсивность радиотеп л ового излучения , можно определять состояние в сходов сель скохозяйственных к ультур и соста влять соответствующие кар ты , контролировать рост биомасс ы , прогнозировать урожай.Значительно расширяют воз можности контроля состояния сельскохозяйственных культур активные дистанционные мето ды . Поскольку отражательна я 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 пут ем , например , можно судить о заболе ваниях растений. Отлич ать одни культуры от других можно , анализи руя " различную зависимость от ражательной способности культуры от величины биомассы . Т ак , например , рост зелено й массы : стеблей и листьев пш еницы , ячменя , кукурузы уменьшает от ражательную способность посевов эти х культур в радиодиапа зоне . Для корнеплодов (картофеля , свеклы ) наблюдается обратная зависимость : с ростом биомассы р астет отражательная - способность в радио диапазоне. Исключител ьная оперативность получения данных о состоя ии сельскохозяйственных культур на больших площадях и динамике изменения этого состояния с течением времени делает дистанционные радиофизические методы особенно ценными для надежного прогнози рова ния урожая разных культур и оптимального планирования необходимых агротехнических ме роприятий. “Осмотр” лесных массивов Наблюдения с воздуха за состоянием лесных массивов в видимой части спектра не могут проводиться ночью , при нали чии над лесами облак ов ил и дыма . Важную дополнительную - информацию о лесных массивах мог ут дать радиофизические - дистанционные наблюдения . Сочетая активные и пассивные методы , можно определять преимущественные породы деревь ев в тех или иных участк ах , состояние этих участков , вы являть - зоны поражения ле сов . Радиофизические методы позволяют весьма оперативно производ ить инвентаризацию лесных мас сивов. Исключительный интерес представляет обнаружение оча гов лесных пожаров с помощью анализа радиотеплового излучения , принимаемого СВЧ-р адиометрами , установленными на спутниках или с амолетах . Очаги обнаруживаются радиофи зическими методами и локализуются , даже если леса покрыты ? об лаками или дымом и на самой ранней ст адии загорания. СВЧ-радиометрия позволяет также контролировать температуру торфяников и заблаговременно обнаруживать очаи ; по дземных пожаров. Радиофизические методы уже сейчас помогают в оператив ной борьбе с лесными и под земными пожарами и весьма пер спективны в этом плане. Проводимые для метеорологии измерения физ ических : св ойств атмосферы определенного района имеют большое зна чение для авиа ции , сельского хозяйства и других отраслей народного хозяйства . уже говорилось в преды дущей главе о применении радиофизических дистанционных метод ов для глобальн ых измерений состояния атмосферы. Эти же методы все шире применяються и для региональных атмос ферных измерений . Сейчас наиболее широко прим еняют для исследования атмосферы шары-радиозонды , на борту которых размещены приборы , изме ряющие температуру , давление и влажность возд уха . Показания этих приборов специальный радиопередатчик автоматически передает на Землю . При помощи радиолокаторов определяют местоположение шаров и вектор скорости их движения , что по зволяет судить о скорости и направлении ветра на разных высотах . К . сожалению , измерен ия при помощи радиозондов оказываются весьма громоздк ими 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 о т многих радиозондов. Для метеоро логических прогнозов желательно знать параметры вдоль всей ее толщи в течение очень короткого времени , порядка нескольких минут . Это удается сделать путем направленного дистанционного измерения и а нализа радиот еплового излучения различных слоев атмосферы на разных длинах волн , примерно от 1 мм до 2 см . Поскольку слои атмосферы , находящиеся на разных высотах , дают наиболе е- интенсивное радиот епловое излучение на разных длинах волн , анализ излучения по зволяет сразу получить информацию о физических п араметрах атмосферы на разных высотах , вдоль , всей толщи атмосферы над определенными пунктами . Реализующие эту методику наземные метеорадиотелескопы по зволяют практически мгновенно дистанционно измер ять распр еделение температуры и влажности атмосферы по высоте вдоль , всей толщи атмосферы . Такие метеорадиотелескопы несом ненно найдут широкое применение в мет еорологии. В метеорол огии довольно широко применяют радиолокаторы , быстро обнаруживающие атмосферные осадк и , облака , ураганы , области повышенных градиентов температуры и давления , грозовые разряды . На рис .1 предст авлен индикатор кругового обзора радиолокатора с изображением грозовых рис 1 очагов и ливней . Радиолокаторы позволяют оперативно след ить за перемещениями облаков , гроз , ураганов , получая ценную информацию о структуре , форм е , размерах и физических свойствах объектов. Радиол о каторы на транспорте и рыбных промыслах Радиолокаторы на транспорте В условиях сильно возросши х скоростей транспортных средств (самолетов , кораблей , поездов и автомобилей ) особое значение приобретает безопасность движе ния , предотвращение столкновений , сво евременно е и быстрое обнаружение различных препятствий . Достижение указанных целей обес печивается радиолокаторами разных ти пов , устанавливаемыми на самолетах , кораблях , п оездах , автомобилях. Широко известны самолетные радиолокаторы . Они быстр о обнаруживают различные препятствия (горы , скалы , мачты , маяки и т . д .), другие самолеты и их местоположение , что позволяет автоматически предотвращать с толкновения с этими объектами . Для определени я высоты полета самолета над земной поверхностью применяют с пециальные радиолокаторы , называемые радиовысот омерами (радиоальтиметрами ). Посылая в направлении подстилающей поверхности зондирую щую волну , принимают отраженную от нее волну и , измеряя вре мя , прошедшее от момента излучения зондирующе й волны до момента приема отраже нной волны , определяют высоту п олета летательного аппарата . Радиовысотомеры имею т важное значение в авиации и позволяют непрерывно определять даже очень малые выс оты , что делает возможным приземле ние самолетов ночью и в тумане при “слепой” посадке. Судовые радиолокаторы обнаруживают скалы , айсберги , острова , другие суда , автоматически определяю т расстояние до них и обеспечивают безопа сное вождение кораблей ночью , в тумане , вблизи скалистых б ерегов. Сейчас начинают устанавливать радиолокаторы на поездах и ав томобилях , чтобы предотвращать ст олкно вение со встречными транспортными средствами. Активные радиофизические методы позволили создать для надежного и безопасного движения самолетов и судов слож ные ради онавигационные системы , использующие направлен ное излуч ение радиоволн , модулированных определенным об разом , которое принимается - специальными радиоприемника ми , устанавливаемыми на самолетах и кораблях . Эти системы обеспечивают безопасное вождение движущихся объе ктов по заданной траектории в сложных мет еорологи ческих условиях , иногда при полном отсут ствии видимости . Радионавигацион ные системы позволяют осуществлять автома тическое управление полетом самолета или движ ением корабля без участия человека , особенно в сложных условиях . Такие системы обес печивают , напри мер , автоматизированную посадку самол етов на палубу корабля , безопасное вождение и лоцманскую проводку судов в гаванях и фарватерах. Промысловая разведка рыб Активные и пассивные радио физические методы дистанци онного наблюдения могут давать информацию , по лезную и для рыболовства . Радиометры и радиолокаторы , установленные на спутниках и самолетах , позволяют измерять степень солено сти морской воды и ее изменение в раз ных участках океанов и м орей . Такие измерения важны для районов со срав нительно резкими изме нениями солености воды , в частности ; в местах встречи океанских течений в устья х рек , расширяющихся в сторону моря , вдоль берегов . Результаты этих измерений позволяют рыбакам прогнозировать пути миграции рыб различных видов и места наиболее вероятного скоп лени я их . Поскольку радиометры , установленные на летательных аппаратах и принимающие радиотепло вое излучение воды, реагируют на разность температур в во де порядка одного градуса , анализ их данны х дает возможность выявлять косяки - рыб. Однако для поисков кос яков рыб , находящихся на значительных глубинах порядка сотен метров или километра электромагнитные волны радиоча стотного диапазона практически непригодны вследс твие большого поглощения их в морской воде . Для такого поиска естественно применять акустичес ки е волны , испытывающие меньшее поглощение в воде , чем элект ромагнитные . Поэтому для поиска косяков рыб широко используются гидроакустические мет оды , в особенности гидроакустическая локация ( гидролокация ). По существу дела в гидролокации используются те же принципы , что и в радиолокации , только вместо электромагнитн ых волн излучаются принимаются акустические волны в воде и вместо радиоан тенн применяются специфические излу чающие и принимающие устройства акустических волн. Передающее устройство и злучает 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 о траженного сигнала и по этому времени определяют р асстояние до объекта , а по ориентация ) ула вливающего элемента приемного устройства — н аправле ние на него. Применяют гидролокационные устройства двух типов эхолоты и г идролокаторы . Эхолоты представляют собой гидро локаторы , действие кот орых ограничено вертикальной плоскостью . Они обычно располагаются в днище судов и производят поиск рыбы под килем судна . Гидролокаторы осуществ ляют поиск скоплени й рыбы во всех направлениях относитель но корабля . В данных гидролокацио нных приборах обыч но используют импульсн ый метод локации , работают , как прави ло , в диапазоне ультразвуковых ч астот (от ДО до 200 кГц ) при . длительности импуль сов от десятых долей микросекунды до неск ольких десятков микросекунд . Косяки рыб обнар уживаются на расстояниях от су дна до нескольких километров и на глубинах до 1,5 км . Радиофизические методы поиска рыбы при обретают все большее народнохозяйственное значен ие. Поиск полез ных ископаемых Радиофизические методы исследовани я эффективно применяются в геофизической разв едке . В комплексе с другими методами геофизической разведки они дают ценную доп олнительную информацию о геологическом строении земной коры на различных участках и месторождениях полезных ископаем ых. Основой дл я этих методов , называемых геофизиками ра диоволновыми (электродинамичес кими ), является различие электромагнитных свойств разных участков земной поверхно сти , отражающее различие в их геологич еском строении , наличии тех или иных пород . Используются гармонические радиоволны , создаваем ые радиопередающей антенной у поверх ности земли . Известны различные радиоволновые методы ис следов ания поверхностного слоя Земли . Распространен метод непрерывного радиоволнового профилирования в движении . На автомашине располагается ген ератор гармонических электромагнитных колебаний н ебольшой мощности , возбуждающий рамочную антенну , плоскость которой горизонтальна . Частота колебаний о бычно выбирается в пределах 5-15 МГц , При движении над участками земн ой поверхности с различны ми электромагнитными свойствами изменяется амплитуда и фаза высокочастотного тока в ант енне и , анализируя эти изменения , можно су дить о строении участков земной поверхности , над которыми движется рамка . Исследования проводятся весьма оперативно . Метод успешно применяется для определения диэлектрической проницаемост и и электричес кой проводимости пород на вы сокой 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 пелен гации . Он основан на из мерении составляющих электрического и магнитного поля гармонической радиоволн ы , излученной радиопередающей ант енной , находящейся далеко от места измерения . На величину этих составляющих влияют эле ктрически е параметры участка поверхности земли , над которым производят измерения . Анали зируя изменения составляющих электромагнитного поля радиоволны , распростра няющейся над земной поверхностью , судят об электрических параметрах соответствующих участков поверхности . Измерительную ап паратуру располагают на автомобилях или самолетах . М етод наиболее успешно применяется для поиска рудных тел , круп ных ли нз пресных вод среди минерализированных вод и в дру гих случаях ре зкого отличия электрических параметров объекта от пара метров окружающей среды. Радиофизи ческие методы дистанционного зондирования позволяют с помощью аппаратуры , у становленной на спутниках или самолетах , прои зводить успешный поиск отдельных рудных тел , угольных пластов , залежей минералов. Контроль за грязнения окружающей среды Быстрые темпы развития инду стрии привели к весьма не желательным последствиям — резкому увели чению масштабов загрязнения о кружающей человека природной среды . Охрана окружающей среды является одной из актуальных глобальных задач человечеств а , и уже сейчас необходимо осуществлять действенный , оперативный контроль ее загря знения. Такому контролю способствуют радиофизические методы дис танционного наблюдения природных сред со спут ников и самолетов . СВЧ-радиометры сравнительно легко и надежно обн аруживают нефтяные пятна на поверхности моря , поскольку эти пятна обусловливают з аметные изменения радиояркостн ой температуры поверхности воды . Радиолок аторы позволя ют оперативно контролировать пленки нефтяных разливов на п оверхности морей и океанов и опре деля ть границы их . По и зменениям интенсивности и частоты радиотеплового излучения слоев атмосферы , обусловленным нал ичием в них примес ей ра зличных газов , можно определять концентрацию этих газов в атмосфере на разных высотах . Аналогичным образом • можно изу чать и распределение озона в атмосфере , столь важно го для жизни людей . Загрязнения атмосферы изме няют степень поглощения ею радиоволн различных частот , что по зволяет для деталь ного контроля этих загрязнений применять радиолокаторы. Особен но перспективны дл я контроля загрязнения природных сред легко фокусируемые монохромат ические , когерент ные электр омагнитные волны лазеров . Поэтому быстро разв и ваются эффективные способ ы контроля загрязнения атмосфе ры или воды теми или иными вещест вами при помощи лазеров . Они основаны на свойстве атомов и молекул поглощать или излучать электромагнит ные волны только вполне опреде ленной для каждого вещества частоты . Каждое вещество имеет характерный дл я него набор частот , на которых проис ходит излучение или поглощ ение электромаг нитной энергии , а интенсивность поглощения или излучен ия на этих частотах позволяет определять количество данного вещества в окружающей сред е . Устанавливая на определенном расстоянии др уг от друга лазер и фотоприемник и пе рестраивая в широких пределах част оту излучения лазера , можно определить степень поглощения луча на определенных частотах и таким образом судить о степени загрязнения воздуха различными веще ствами . Точность измерения степени загрязнения воздуха может достигать миллионных долей п роцента , а сами измере ния проводятся значительно быстрее химиче ских анализов воздуха. Представля ет значительный практический интерес лазер ная система быстрого обнаруж ения и анализа масел или нефти в моря х и океанах . Лазер устанавливается на само лете , ле тящем на высот е 300 м . Специальное устройство развертки за ставляет луч лазера пр обегать по участку поверхности воды и , поп адая на пятна нефти или масла , вызывает свечение их . Фотоприемник определяет частоту и яркость свечения , а так же местонахождение его источника . Прео бразуя принимаемые сигналы и подавая их на телевизионный экран , развертка которого синхрон изирована с разверткой лазерного луча , получа ют изображение пятен нефти на поверхности воды . По яркости пятен можно судить о толщине слоя нефти . Та ким пу тем удается б ыстро различать десятки различных сортов нефти и масла и определять толщину о бразовавшейся пленки.