Файл: Белосток В.С. Распространение радиоволн (учебное пособие).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.04.2024
Просмотров: 80
Скачиваний: 1
поверхности земли малы по сравнению с длиной волны и отраже ние радиоволн происходит па сравнительно небольшом участке, земную поверхность можно считать практически гладкой и пло ской и все электрические расчеты производить по формулам, полученным для идеально гладкой и плоской поверхности (см. гл. 2). Ввиду этого необходимо рассмотреть вопрос о допу стимых неровностях местности, при которых отражающая по верхность может быть отнесена к идеально гладкой.
К рассмотрению этого вопроса мы и перейдем.
|
ЗЕРКАЛЬНОЕ И ДИФФУЗНОЕ (РАССЕЯННОЕ) ОТРАЖЕНИЯ |
|||||||||||||
Отражение |
радиоволн от |
поверхности |
земли |
происходит по- |
||||||||||
разному. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Если |
поверхность |
земли |
сравнительно |
гладкая |
|
(неровности |
||||||||
местности незначительны), то отражение |
радиоволн, |
идущих от |
||||||||||||
источника, |
поднятого |
над землей на |
высоту |
h |
(рис. |
1.10), про |
||||||||
исходит |
в |
соответствии с |
законами |
геометрической |
оптики, |
|||||||||
то есть угол падения равен углу отражения. |
При этом отражен |
|||||||||||||
ную волну |
можно |
рассматривать как |
идущую |
от |
|
зеркального |
||||||||
изображения |
источника Ль |
расположенного |
под |
отражающей |
||||||||||
поверхностью |
на |
таком же -расстоянии, что |
и настоящий |
источ |
||||||||||
ник. |
Такое отражение |
называется з е р к а л ь н ы м . |
В этом слу |
|||||||||||
чае |
в обратном направлении |
радиоволны |
не распространяются, |
и прием эхо-сигналов в точке А невозможен.
Рис. ЕЮ. Зеркальное отражение
Для воли более 3—4 м практически гладкими поверхностями являются: луга, ровное ноле, спокойная водная поверхность, бетонированные дорожки аэродрома и т. д.
Противоположностью такой зеркально отражающей поверх ности является неровная местность, представляющая собой сово купность бесконечного числа произвольно расположенных шеро ховатостей, размеры которых велики по сравнению с длиной волны. Например, для диапазона сантиметровых волн ровное
12
поле, покрытое травой высотой до |
10 см, относится к шерохова |
||||
той отражающей |
поверхности *. |
|
является |
д и ф ф у з н ы м |
|
Отражение от |
таких поверхностей |
||||
или р а с с е я н н ы м . В этом случае |
радиоволны |
отражаются |
|||
в различных направлениях, как это |
показано на |
рис. |
1.11, в том |
числе в направлении, обратном первоначальному. Поэтому прием эхо-сигналов от земной поверхности возможен и в точке А.
Рис. 1.11. Рассеяние радиоволн при отражении от не ровной земной поверхности (диффузное отражение)
Интенсивность обратного приема при диффузном отражении зависит от характера неровностей и их размеров, длины волны и угла скольжения р, то есть угла между направлением пада ющего луча и поверхностью земли **.
Зависимость |
отражающих |
свойств |
земной |
поверхности |
от |
ее |
||||||||
профиля |
и характера |
покрова используется, как известно, |
в |
са |
||||||||||
молетных |
радиолокационных |
установках |
сантиметровых |
волн, |
||||||||||
предназначенных для |
наблюдения |
за |
местностью. На |
экранах |
||||||||||
таких радиолокаторов |
получается |
некоторое |
|
подобие |
карты, с |
|||||||||
большей |
или меньшей |
точностью |
воспроизводящей |
местность, |
||||||||||
находящуюся под самолетом (рис. |
1.12). Так, |
например, |
гладкая |
|||||||||||
водная поверхность изображается |
на |
экране |
индикатора |
само |
||||||||||
летного радиолокатора в виде темной области, |
|
так |
как |
благода |
||||||||||
ря зеркальному |
отражению от поверхности |
воды |
доля |
энергии, |
||||||||||
возвращающейся в антенну радиолокатора, |
|
будет |
ничтожно |
|||||||||||
мала. Наоборот, поверхность суши при наличии |
неровностей или |
|||||||||||||
покрова в виде травы, |
кустарника, |
леса и т. п. |
видна на |
экране |
||||||||||
индикатора как |
сравнительно |
светлая |
область. |
|
Такие |
цели, как, |
например, корабли на море или различные промышленные соору жения на суше дают отметки на экране в виде ярких пятен, по
положению которых можно судить о дальности и азимуте |
целей. |
|
В природных условиях, как уже отмечалось, идеально гладких |
||
поверхностей не существует. Однако |
практически можно |
считать. |
* В данном случае под шероховатой в |
оптическом смысле поверхностью |
|
понимается плоская в среднем поверхность |
с неровностями, размеры |
которых |
несколько |
больше длины волны при случайном |
распределении размеров и |
формы этих неровностей по поверхности. |
углу места цели. |
|
** В |
радиолокации угол скольжения 3 равен |
13
что спокойная водная поверхность отражает, как зеркальная, и в обратном направлении рассеивает весьма мало. Но при волне
нии морская поверхность рассеивает |
сантиметровые волны так |
|
же интенсивно, как и суша. |
|
|
|
|
Озеро |
|
|
Г?рные |
|
|
скпоны |
Отражение |
|
|
от крупного |
|
|
сооружения |
|
|
|
'<2Z2ZZ£Qi?*>m p имения |
|
|
Огг, |
енн&х пункнюЬ |
nrrwnmrfflrrmmnm |
|
|
Cmpoemif |
|
Водная |
|
|
поА-грзностъ |
Рис. 1.12. Изображение местности на экране индикатора самолетной радиолокационной станции обзора земной поверхности
Практически важно уметь оценивать степень шероховатости поверхности, при которой еще может возникнуть зеркальное отра жение, так как только в этом случае, как было указано выше, возможен учет влияния земли на результирующее поле в точке приема.
Перейдем к оценке допустимых неровностей.
Пусть имеется плоская шероховатая поверхность земли, на которую под углом скольжения (3 падает плоская волна. Кроме того, для простоты допустим, что все неровности рассматривае мой поверхности имеют одинаковую высоту АЛ. На рис. 1.13 пунк тирной линией показана плоскость, являющаяся верхней грани цей неровностей.
Рис. 1.13. К оценке высоты допустимых неровностей
14
В создании отраженной волны будут в какой-то степени при нимать участие как нижняя (у основания неровности), так и верхняя плоскости. Волны, отражающиеся от нижней плоскости, проходят дополнительный путь ВАС - 2ДЛ sin J3, что вызывает сдвиг фаз между I и II лучами
До= 4 - - 2 A /is in p .
■ /.
Отражение, как и в оптике, считают зеркальным, если Лср<- 4 '
Следовательно, из неравенства
|
|
4тг А/; |
sin 3 < |
|
|
|
|
|
|
получаем высоту допустимых |
неровностей |
|
|
|
|||||
|
|
Л/г < |
16 sin 3 |
|
|
|
|
(1.4) |
|
при которой будет иметь место зеркальное отражение. |
|
||||||||
Пока неравенство (1.4) выполняется, |
отражение |
можно счи |
|||||||
тать зеркальным. Как |
видим, высота |
допустимых |
неровностей, |
||||||
при которой отражение |
приобретает |
зеркальный характер, |
зави |
||||||
сит не |
только от длины волны, |
но |
и |
существенно |
изменяется |
||||
с углом скольжения [3. |
|
|
|
|
|
|
|
сколь |
|
Допустимые неровности тем больше, чем меньше угол |
|||||||||
жения. |
Следовательно, |
при малых |
углах |
скольжения требования |
к неровностям понижаются, и допустимые неровности могут быть
довольно большими. Например, для |
X— 1 м при |
3- 30° |
допу |
стимая высота неровности Л/г =-0,125 |
м, а при 3 - |
■1° эта |
высо |
та Ah — 3,75 м. При длине волны А— 10 см и тех же углах сколь жения эти неровности значительно превышают допустимые, в силу чего отражение от земли не является зеркальным.
Таким образом, условие зеркального отражения легче выпол няется для пологих лучей и для более длинных волн. Понятно, что влияние неровностей земной поверхности особенно сущест венно сказывается при распространении дециметровых и санти метровых волн. В этом диапазоне зеркальное отражение практи чески не встречается.
Из оценки допустимых неровностей следует весьма важный практический вывод: при радиолокационном обнаружении низко летящих целей (угол места (3 мал) к неровностям земной поверх ности на площадке отражения РЛС предъявляются менее жест кие требования.
КОЭФФИЦИЕНТЫ ЗЕРКАЛЬНОГО ОТРАЖЕНИЯ
Рассмотрим некоторые количественные соотношения, характе ризующие интенсивность поля отраженной радиоволны.
15
Пусть на границу раздела воздух — земля |
под углом скольже |
|||||
ния 3 |
падает плоская электромагнитная волна с известной ампли |
|||||
тудой |
напряженности |
электрического |
поля Е. |
При этом |
предпо |
|
лагается, что земная |
поверхность является |
плоской и |
гладкой, |
|||
то есть имеет место |
зеркальное |
отражение*. |
Требуется |
опреде |
||
лить |
амплитуду поля |
отраженной |
волны £ от, |
а также изменение |
||
фазы колебаний ®от в процессе отражения. |
|
|
||||
Для определения амплитуды и фазы отраженной радиоволны |
||||||
вводится понятие о к о э ф ф и ц и е н т е |
о т р а ж е н и я . |
|
Коэффициент отражения (называемый иногда коэффициентом Френеля) определяется как отношение амплитуд напряженности полей отраженной и падающей волн. Этот коэффициент, в общем случае являющийся комплексной величиной, выражается фор мулой :
f = - ^ L = f e |
?0T, |
|
|
(1.5) |
Е |
|
|
|
|
где Ет, Е — комплексные амплитуды напряженности полей |
отра |
|||
женной и падающей волн; |
|
определяющий |
||
F — модуль коэффициента |
отражения, |
|||
изменение амплитуды |
поля |
при отражении, то |
есть |
|
определяющий отношение |
амплитуд |
£ от и Е > |
|
‘»от — аргумент коэффициента отражения, определяющий
сдвиг по фазе между полем падающей и отражен ной волн на поверхности земли, то есть в месте отражения. ■
Таким образом, зная коэффициент отражения F и напряжен
ность поля падающей радиоволны Е, можно определить напря женность поля отраженной волны:
£ 0T = £ f = £ F e r0T. |
(1.6) |
Коэффициент отражения F, входящий в данное выражение, может быть вычислен и проверен экспериментально.
Физически процесс отражения радиоволн заключается в том, что волны, падающие на поверхность полупроводника, возбуж дают в его толще токи, и отраженная волна представляет собой поле, созданное этими токами.
* Такое упрощение вполне допустимо, |
так как |
отражение |
радиоволн от |
|||
земной поверхности обычно происходит на |
сравнительно |
больших расстояниях |
||||
от источника |
и малую часть |
фронта сферической волны |
можно |
считать пло |
||
ской. Земная |
поверхность |
на небольшом |
участке |
тоже может считаться |
||
плоской. |
|
|
|
|
|
|
16