Финкельштейн М.И. Основы радиолокации (1983) (1151793), страница 31
Текст из файла (страница 31)
3.28. К обвис гению связи зеркальной н когереитной составля. ющик функция. Примем Ьу „~ Е. Тогда при О, ~ 8,составляющая Ьгрз будет мала по сравнению с Ьгр,. Так как для шероховатых поверхностей Ьу и Х соизмеримы, то Ьгр при изменении углов От ~ О, будет меняться в пределах многих интервалов 2п. Учитывая наличие множества пар отражающих точек, подобных А и В, можно сделать вывод о равномерном распределении фаз отраженных волн. Это означает некогерентность поля, отраженного шероховатой поверхностью в незеркальном направлении. При углах падения О, = О, в направлении зеркального отражения Ьщ = О, что характеризует когерентную составляющую отраженного сигнала. Кроме того, здесь вследствие случайного характера величины Ьгр, имеется еще не- 178 когерентная составляющая.
Если теперь Лу = О, т. е. поверхность является гладкой, то Л~рз = О и отраженный сигнал оказывается полностью когерентным. Таким образом, при отражении от шероховатой поверхности имеет место зеркальное отражение, которое в общем случае характеризуется когерентной н некогерентной составля1ощими, и так называемое диффузное рассеяние в разных направлениях, характеризуемое некогерентной составляющей (см. $ 3.8, п. 2).
Как следует из рассмотрения плотности распределения амплитуды сигнала, отраженного от совокупности большого числа случайно расположенных элементарных отражателей ($ 3.5, п. 1), она может быть описана законом Рэлея и равномерным распределением фазы при отсутствии когерентной составляющей.
Экспериментальные исследования показывают, что для большинства земных поверхностей на сантиметровых волнах амплитуды отраженных сигналов подчиняются закону Рэлея. Заметная когерентная составляющая наблюдается лишь для очень гладкой водной поверхности и ровных участков пустыни. 7. Соотношение между зеркальной и диффузной составляющими. Зеркальная составляющая отражения от шероховатой поверхности, как и в случае гладкой поверхности, формируется областью, приближенно соответствующей первой зоне Френеля, и отраженный луч сохраняет ту же фазу, которая имеет место для гладкой поверхности. Вместе с тем коэффициент отражения при этом меньше, чем коэффициент Френеля )7, и он флуктуирует при изменении взань[ного положения падающего луча и отражающей поверхности. Модули этих коэффициентов связаны соотношением )г, = гЯ. Анализ методом Кнрхгофа в предположении, что неровности имеют гауссовский закон распределения вероятностей, позваляет получить дисперсию коэффициента зеркального от.
ражения г, в виде ~, т= ехр [ — (4па„соз 071)'1, (3.7.19) где о„ вЂ” среднее квадратическое отклонение неровностей от среднего значения. Анализ экспериментальных данных, проводимый в разное время, показывает, что они в достаточной степени удов. летворяютформуле (3.7.19). При этом дисперсия коэффициента зеркального отражения г,' спадает более чем на 5О4 при а„) 0,141/соз О. Поэтому при вертикальном зондировании 179 4б бг (О = О) на сантиметровых волнах когерентная составляющая ощутима лишь для очень малых значений и„. Она становится значительной лишь прн 0-~-90'.
Аналогично вводится коэффициент отражения для диффузной составляющей в направлении зеркального отражения )тд — гдЯ. Как показывают экспериментальные данные для земной и морской поверхностей, большинство значений гд — — 0,2 ... 0,4. Соотношение между средними квадратическими значениями р' г', и ~у гдз и параметром неровности поверхности (оа7д) соз 8 показано на рис. 3.29. Как видно, для достаточно гладкой (по критерию Рэлея) поверхности, когда о„соз 0 (0,113,, к~г," > р' гдз, а при о„соз 8 > 0,111 имеем г' гд > 1' г,'- (~ гд' ж 0,4 при больших шероховатостях). При оценке результирующей диффузной составляющей, попадающей на цель после отражения от земной поверхно- сти не только в зеркальном 7,б направлении, но и по другим направлениям диффузно рас- у~~, ~.
б~аггзб~у сеянных лучей (рис. 3.30), 4б д пр ,'+где= = сопз1. При этом для шерр роховатых поверхностей результирующая волна, отраженная от земной поверхности к цели, не зависит от б шероховатостей. Она являет- 449 4бб 4гг 4'бЮг"-гб ся преимущественно диффузРнс. 3.29. Заввснмосгь козффн- ной и заметно меньше Волны, ннентов отраженна ддя зер- непосредственно попадающей кальной н диффузной состав- на цель. Наличие у цели пряляющнк ат угла падения н на мой и зеркально отраженной раметра неровностей волн приводит к интерферен- ционным явлениям что иллюстрирует множитель земли (см. $ 3.7), а третья — диффузная составляющая делает множитель земли флуктуирующим. Следует, кроме того, отметить, что зеркально отраженная волна заметно меньше деполяризована, чем диффузная. 8.
Особенности отражения от слоистых земныд покровов. Некоторые слоистые земные покровы, например пресноводный лед, могут внести погрешность в показание бортового радиолокационного высотомера, так как основная доля 1вв сигнала будет отражаться не от границы воздух — лед, А от границы лед — вода. Слой льда является диэлектриком с до" статочно малыми потерями (например, для Х = 3 см удельное затухание à — 1 дБ/м).
Вместе с тем морской ледобладает значительными потерями, вызванными наличием ячеек, заполненных рассолом, так что в 3-см диапазоне Г ж ж 100 дБ/и и выше. Потери падают до нескольких децибел на метр при переходе в метровый диапазон волн. Аналогич- «а вел' лге иг ла лане логе/ Рнс.
3.38. Распространение в направлении пели ириного, зеркально отраженного н Хнффузно-рассеанного лучеа Рис. З.З!. Отражение плоскоа волны от слоя тн -1 — а ге, а /(= И~ — т+(1 — % т) е х — 1 — Л7е, х ят ,е (1+ 01 — ) = Ф~ -т+ -1 — За "1 е', тл + (1 — Ят~ -т) Яз — з е 181 (3.7.20) но обстоит дело с такими покровами, как мерзлые почвы, торф и др. Это открывает перспективы для нового направления — подповерхностной радиолокации. На рис. 3.31 схематически показан путь распространения волн при переходе из воздуха (/) в слой (2) и отражении от среды (3). Если принять амплитуду падающей волны за единицу, а затухание в слое достаточно большим, что позволяет пренебречь многократными отражениями (т.
е. учесть только волну, прошедшую через границу: 1 — 2, прошедшую через слой 2, отраженную от границы 2 —,3, вновь прошедшую через слой 2 и вышедшую через границу 2 — 1 наружу), то комплексная амплитуда отраженной вол- ны где А'„, =- ($' е — ~/ е„)/(~э„+ $' е„) — коэффициенты отражения Френеля на границе соответствующих сред (щ=12гп= 23),а Уе,= Ке1' е,+11ш г' е,— квадратный корень из комплексной диэлектрической проницаемости слоя, называемый комплексным показателем преломления.
Первое слагаемое в (3.7.20) — комплексная амплитуда сигнала, отраженного от верхней границы слоя, а второе— от нижней границы слоя. Экспоненцнальный множитель характеризует двукратное распространение в слое толщиной И, причем происходит временное запаздывание на 2Й/а, где а =с/цеУе, — скорость распространения волн в слое. Например, для пресноводного льда на сантиметровых и дециметровых волнах ец =,3,2, т. е. Йе~ е„=''1,79, причем Яе~ е„растет при увеличении солености и уменьшении частоты. Мнимая часть 1ш У е,, определяет коэффициент затухания в слое а = 2п 1ш$ е,/Х, причем удельное затухание Г = 8,68а дБ/м.
3.6. ПОВЕРХНОСТНО-РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ЦЕЛИ 1. Удельная эффективная отражающая площадь. К поверхностно-распределенным целям относятся различные участки земной поверхности (лес, кустарник, пашня, водная поверхность и т. д.). Важным показателем таких целей является удельная ЭОП, т. е. ЭОН, приходящаяся на единицу поверхности (размерность (мэ/мЧ). Если считать, что отдельные элементарные отражатели распределены по площадке 5 равномерно и однородно, то а „(О) = а„(0)/8. (3.8.1) В общем случае произвольного распределения элементарных отражателей можно пользоваться формулой (3,8.2) ат„(0) = оац/ао. Обычно пользуются усредненным значением удельной ЭОП в пределах облучаемой площадки.
При заданной площадке 8 функцию а„„(0), как и а„(0), следует рассматри- 182 вать как диаграмму обратного рассеяния (ДОР). Согласно (3.!.2) и (3.8.!) имеем П,о,„(В)3 4иЕЮ (3.8.3) Пользуются также другим параметром — ЭОП, приведенной к единице проекции отражающей площадки на плоскость, перпендикулярную падающему лучу, т. е. к 5 соз О. Соответственно у(0) = од(0)(В 0 = а„д(0)( О. (3.8,4) Таким образом, пд (0) = Зу (0) соз О. (3.8.5) Подставляя в (3.8.4) о (0) из (3.8.3), получаем у (О) = = Пр(Пр „„где Пр „, — — Ъц5 соз О/4пПз — плотность потока мощности у РЛС при идеальном изотропном рассеянии падающей на цель мощности Рд ддд — ПдВ соз О. Таким образом, у (9) — это отношение плотйости потока мощности, отраженного целью в направлении РЛС, к плотности потока мощности от идеально отражающего изотропного отражателя. Отношение у (О) называют поэтому коэффициентом обратного отражения, он, как и величина а„„(0), может'быть больше единицы, 2.
Закон Ламберта устанавливает зависимость изменения силы света излучающей или рассеивающей поверхности от направления, в котором производится наблюдение. При этом сила света в направлении, составляющем угол О с нормалью к поверхности (угол падения), 1э = 1, соз О, где 1, — сила света в направлении к поверхности (О 0). Иначе говоря, сила света наблюдаемая в нормальном направлении, максимальна, а в направлении касательной к поверхности равна нулю. Яркость площадки 3 в направлении 0 равна В = 1э/5 соз О = — 1,(Б, т. е. не зависит от направления. Поверхности, подчиняющиеся закону Ламберта, названы в оптике диффузно-светящимися. Характер отражения радиоволн от шероховатых поверхностей с неровностями, размеры которых сравнимы с длиной волны или больше нее, близок к описываемому законом Ламберта.
При этом если П „— плотность потока мощности плоской волны, падающей под углом 0 к поверхности (рис, 3.32), то плотность потока мощности, отраженной в том же направлении волны (у РЛС), равна П,=П,„. О, |вз (3.8.6) где Пр — максимальное значение плотности потока мощности (при О = 0). Зависимость (3.8.6) не нарушается и для двухпозиционной РЛС, когда угол падения О = О, а прием осуществляется в любых направлениях (диаграмма рассеяния — ДР). Если падающая волна направлена под углом, то форма ДР сохраняется, но мощность, падаюшая на 1э поверхность, уменьшается в соз 0 раз. Из соотношения оч (0) = 4л0' — ~ = 4лбз ~ соз 0 и„ и„ (3.8.7) следует, что если при изменении угла падения О плотность потока мощности П„сохраняется постоянной, то оч (0) соз О.
Если же при изменении угла падения О постоянной остается падающая на площадку 5 мощность Рч,д — — П„5 Х х соз О, то „~В) 4 Π— ~ "' — -4В'~ ~В, ~ЗВВ) Рц пад(5 соз 0 Рц аах т. е. а„ (О) соз' О. Следствием закона Ламберта (3.8.6) является постоянство коэффициента обратного отражения у (О). Действительно, так как согласно (3.8.3) и (3.8.4) Пр —— Прфу (О) Х Х соз 014пР', то для выполнения условия диффузного отражения (3.8.6) требуется, чтобы коэффициент обратного отражения у (0) = у~ = сопз1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
