Ахияров В.В, Нефедов С.И., Николаев А.И. Радиолокационные системы (2-е издание, 2018) (1151780), страница 13
Текст из файла (страница 13)
В соответствии с данным методом волновое поле (для простоты-скалярное) можно представить в виде суммы падающего поляЕо ( r') (У' Е S) и отраженного по законам ГО от плоскости, касательной к поверхностиS в точке r':E(r') = (1 + Г(0))Е0 (r').(3.12)693. Влияние подстилающей поверхности и атмосферы ...Здесь Г(0)коэффициент отражения, зависящий от физических-параметров сред, разделяемых поверхностью0 = 90° -\j/, где'VПусть рассеивающая поверхностькой, отклонения от плоскостициейzS,и угла паденияопределяется в соответствии с рис.z=S3.1 .является в среднем плосО описываются случайной функ= ~(r') и все источники поля находятся на конечном расстоянии от поверхностинаблюденияrS.В этом случае рассеянное поле в точкевычисляется по формуле[17]:д (e- jklr- r'I1]E(r)=Eo(r)+ - fГ(r')- - - -Eo(r') dr',4n sдп lr-r'[где r'Г(r') -(3 .13)точка интегрирования на рассеивающей поверхности;коэффициент отражения в точке интегрирования.Существенноеограничениеметодакасательнойплоскостиобусловлено тем, что при его использовании не учитываются возможные затенения поверхности и многократные отражения .
В последнем случае поле в данной точке поверхности нельзя представить в виде суперпозиции прямой и отраженной волн в этой жеточке, а следует учитывать волны, пришедшие в эту точку послеотражения от других участков поверхности .3.3. Рассеяние радиоволн морской поверхностьюСуществование интенсивного обратного рассеяния радиоволн,в частности декаметрового диапазона, от взволнованной морскойповерхности было известно еще со времен Второй мировой войны.Применительно к данному диапазону морскую поверхность можнорассматривать как хорошо проводящую шероховатую поверхностьс малыми и пологими неровностями.Характерной особенностью спектра сигнала, рассеянного отморской поверхности, является наличие двух узких и резких пиков, сдвинутых в разные стороны относительно несущей частоты.При этом основной вклад в принимаемый сигнал дает рассеяние нагармониках морского волнения, движущихся к радиолокатору илиот него , при выполнении условияL =70л.2'(3.14)3.3.
Рассеяние радиоволн морской поверхностигде А - длина волны РЛС;L-длина морской волны, на которойпроисходит резонансное обратное рассеяние.Спектр морских волн является непрерывным, поэтому практически для любого направления зондирования существуют две резонансные гармоники длинойкатор, а другая-L,одна из которых движется на лоот него. Описанный механизм резонансного рассеяния подобен рассеянию рентгеновских лучей на кристаллах исветовых лучей на дифракционной решетке.
Следовательно, можно предположить, что последовательность морских волн длинойLведет себя подобно движущейся дифракционной решетке, ориентация и шаг которой обеспечивают обратное рассеяние к радиолокатору. Рассеяние такого рода называется брэгговским или резонансным рассеянием, поэтому выражение(3 .14) является условиемдля резонансного рассеяния радиоволн.
Наблюдаемые при этомпики в спектре рассеянного сигнала получили название брэгговских пиков первого порядка.Сдвиг частоты каждого пика в спектре рассеянного сигнала можно определить, применив радиолокационную формулу для доплеровской частоты сигнала, отраженного от движущегося объекта:F,Б2vФ= +А '(3.15)где Vф-фазовая скорость морской волны.Фазовая скорость Vф пропорциональна квадратному корню издлины морской волныL:Vф = ±\j~{gi'гдеg-(3.16)ускорение свободного падения.После подстановки(3.16) в (3.15) с учетом (3.14) получимFв=±и.(3.17)Знак«+» или«-» выбирают в зависимости от того, в какую сторону (к радиолокатору или от него) перемещается морская волна,длина которой удовлетворяет условию(3.14).Спектр радиолокационных отражений от моря в декаметровомдиапазоне на частоте24,5МГц показан на рис.3.5.На рисунке отчетливо видны два узких пика, расположенных практически сим-713.
Влияние подстилающей поверхности и атмосферы ...Gметричноотносительнонесущей частоты, которые обусловленысеяниемрезонанснымрасрадиолокационногосигнала от морской поверхности (см.(3.14)).ЗависимостьЭПРcr0электромагнитныхморскуюо- 13.5.волнповерхность,'1'накото рый отсчитывается от гориЧастота, ГцРис.удельнойот угла падениязонтали, показана на рис.3.6.Усреднеюrый доплеровскийЗдесь можно четко разграниспектр радиолокационных отражений чить три области . В областиот морской поверхности на частоте квазизеркального отражения,24,5 МГцкогда угол падения близок квертикальному, отраженный радиолокационный сигнал являетсядостаточно большим .
Область, в которой угол падения меньше,ОбластьквазизеркальногоотраженияОбластьОбластьи нтерференцииПереходныйуголОIО2030405060708090\Jf, градРис.3.6. Зависимость cr0 от угла падения <рназывается областью плато(областьюдиффузного рассеяния).При этом основными рассеивающими элементами являются теэлементы морской поверхности, размеры которых сравнимы сдлиной электромагнитной волны.
Граница между областью платои квазизеркальной областью определяется переходным углом.При очень малых углах падения, составляющих несколько градусов и менее, значение72cr0 быстроснижается с уменьшением угла.3.4.Рассеяние радиоволн турбулентной атмосферойВ этой области прямая волна интерферирует с отраженной практически так же, как при распространении над ровной поверхностью земли; поэтому она называется областью интерференции.Угол, при котором происходит переход от области плато к областиинтерференции, называется критическим углом.3.4. Рассеяние радиоволн турбулентнойатмосферойКак правило, движения воздушных масс в атмосфере являютсятурбулентными, при этом под турбулентностью понимаются беспорядочные движениявпотоке,в результате которых давление,плотность и температура меняются в пространстве и времени случайным образом. В первоначально регулярных атмосферных потоках возникают случайные возмущения, которые быстро растут,взаимодействуют с основным потоком и друг с другом, порождаяновые возмущения .В работах синоптического направления отмечается, что однойиз основных причин возникновения турбулентности является потеря устойчивости внутренних гравитационно-сдвиговых волн.Этот процесс начинается с быстрого увеличения амплитуды волн,после которого их гребни опрокидываются и преобразуются в систему вихрей.Таким образом, в атмосфере различают движения двух принципиально различных видов: упорядоченный (волновой), описываемыйаппаратомгидротермодинамики,инеупорядоченный(турбулентный), поддающийся лишь статистическому описанию.Несмотря на кажущуюся четкость определений, грань между этими видами движений провести достаточно трудно.
Также следуетотметить, что существуют переходные состояния (возникновениетурбулентности в волновом потоке и обратный переход от турбулентного режима к волновому), наблюдается суперпозиция различных движений, одни из которых волновые, а другие турбулентные и т. д.Существуют две основные причины возникновения турбулентности: термическая неустойчивость в атмосфере, неравномерноразогреваемойвпространстве,ипотерягидродинамическойустойчивости волновым потоком.В случае термической неустойчивости развитие и затуханиетурбулентности определяется отношением термических факторовк динамическим (числом РичардсонаRi):733. Влияние подстилающей поверхности и атмосферы ...Ri = g dT/ dz+ya2Т (dvo / dz)где Ти v0 -среДIШе значения температуры воздуха и скорости ветра;вертикальная координата; Уаz-(3.1 8)'-адиабатический градиент.Существует критическое значение числа Riкp, такое, что приRi <Riкp амплитуды флуктуаций растут, а приRi >Riкp-ослабевают.Степень гидродинамической устойчивости волнового потоказависит от отношения сил инерции к силам вязкости, т.
е . от числаРейнольдса:Re=Lпv(3.19)µ 'гдеµ-4rи v -характерные масштабы длины и скорости потока;коэффициент кинематической вязкости.Турбулентность возникает, если числоReпревьШiает некотороекритическое значение Rекр, причем вначале возникают крупномасштабные, а затем-все более мелкие флуктуации. Качественная теория перехода от крупных вихрей к мелким разработанаЛ. Ричардсоном, а ее математическое описаниеА.Н. Колмого-ровым.Теория Колмогорова подчеркивает центральную роль диссипации (переход части энергии упорядоченных процессов в энергиюнеупорядоченных процессов и в конечном итоге-в тепло), поскольку именно этим процессом определяется передача энергии открупных вихрей к мелким. Если диссипация энергии меняется вовремени, наблюдается перемежаемость турбулентных потоков, иэто является одной из основных проблем теории турбулентности.Другая проблема-разделение волновых и турбулентных движений, поскольку грань между ними провести достаточно трудно .
Вкачестве примера на рис.3.7представлен спектр рассеянного турбулентной атмосферой сигнала в метровом диапазоне длин волн.Узкий пик на нулевой доплеровской частоте обусловлен отражениями от земной поверхности.Рассмотрим математическое описание процесса рассеяния радиоволн турбулентной атмосферой. Турбулентность приводит кфлуктуациям относительной диэлектрической проницаемости атмосферы:743.4.Рассеяние радиоволн турбулентной атмосферойE(r, t) = М {E(r, t)}(l + Е1 (r, t)),где М {E(r,t)} ~ 1иE1(r, t) -(3.20)среднее значение и малые флуктуации соответственно.- 60-70-80 ~ - - ~ - - - - - ~ - - ~ - - ~ - - ~- 30- 20- 101020f, ГцоРис.f=3.7.
Спектр рассеянного атмосферой сигнала для200 :МГц (л, = 1,5 м) при горизонтальной поляризации излученияФлуктуации напряженности рассеянного поля, обусловленныефлуктуациями Е1 (r, t), можно представить в следующем видеk2ej( (J)f-kr)e(r, t) ~41trгдеiиs -f81(r', t) e -jk(i -s)r'dr',[19]:(3.21)Vединичные векторы, соответствующие направлениюизлучения и приема (рис.3.8).Математические преобразованияприводят к следующему выражению для спектра(спектральнойплотности мощности) флуктуаций поля, рассеянного турбулентной атмосферойЗдесь Е0 -[19]:амплитуда падающего поля;V-рассеивающий объем; х - угол между векторами Е0 и s (см.
рис. 3.8); v0 и cr~/ 3 среднее значение вектора скорости ветра и дисперсии каждой егокомпоненты; Ф~;(К)-спектральная плотность флуктуаций диэлектрической проницаемости; К = (i -s) k -разность волновых753. Влияние подстилающей поверхности и атмосферы ...ЕоrИзлучательРис.3.8.ПриемникГеометрическое представление задачирассеяния радиоволн турбулентной атмосферойвекторов падающей и рассеянной волн. Абсолютная величина вектора К определяется по формулеK = 2ksin~,2где(3.23)0 -угол между векторами i и s (см.
рис. 3.8).Таким образом, интенсивность обратного рассеяния определяется одной компонентой спектральной плотности флуктуаций диэлектрической проницаемости, которая соответствует пространственному периодуL= 2n =Кл,2sin(0/ 2) '(3.24)т. е. условию дифракции Брэгга на пространственных структурах.При обратном рассеянии(0 = п)резонансный масштаб флуктуа-ций диэлектрической проницаемости равен половине длины электромагнитной волны (см.3.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
