Файл: Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие.pdf

Параметры сг0 и Крор для реальных поверхностей имеют характер статистиче­ ски распределенных величин. Средние значения и закон распределения этих па­ раметров зависят от статистических характеристик неровностей поверхности, угла падения, поляризации и длины волны, а также от комплексной диэлектрической проницаемости объекта. Определение сг0 и Крор для неровных поверхностей при учете различных факторов связано с указанной в главе 11 проблемой рассеяния радиоволн статистически-неровными поверхностями. Ее решению с той или иной степенью приближения посвящено в последние годы большое число работ [29, 32,

56, 57. 58, 59, 60].

Характерной неровной поверхностью является поверхность моря при волне­ нии. Для подобных поверхностей, имеющих только пологие неровности с разме­ рами, превышающими длину падающей волны, на основании метода Кирхгофа при нормальном (гауссовом) законе распределения неровностей можно найти среднюю удельную эффективную площадь [32, 58]:

где tu — радиус корреляции крупных неровностей поверхности, характеризующий продольный среднестатистический размер отдельной неровности; 6ь — среднеквад­ ратичное отклонение высоты крупных неровностей.

Смысл радиуса корреляции і неровностей поверхности связан с определением

нормированной автокорреляционной функции. Согласно теории вероятностей эту функцию можно записать в виде

h k ( x ) h k { x + Ах )

Н ( \ х ) = -------------------------------------------- ,

ьк

где h k (x ) — высота крупной неровности как случайная функция от х ; в формуле

неровностей, которые перпендикулярны к направлению распространения падаю­ щей волны.

На основании (15.28) можно сделать вывод, что радиолокационная площадь рассеяния поверхностей с большими'пологими неровностями не зависит от длины волны и в сильной степени уменьшается с уменьшением угла скольжения (из-за экспоненциального множителя). Физически это объясняется тем, что при скользя­ щих углах облучения на поверхности резко уменьшаются количество и размеры площадок, расположенных перпендикулярно к направлению облучения.

437

В случае поверхностей с пологими шероховатостями, имеющими высоты много меньше длины радиоволны при ее горизонтальной поляризации, для <т0 получено следующее приближенное решение [32, 58]:

Из выражения (15.29) видно, что интенсивность поля радиолокационного рас­ сеяния рассматриваемой неровной поверхности зависит от длины волны как 1/Я4. Кроме того, из сравнения формул (15.29) и (15.28) следует, что интенсивность рассеяния волн на мелких неровностях уменьшается с уменьшением угла сколь­ жения менее резко, нежели при рассеянии на крупных неровностях.

В действительности почти все реальные поверхности содержат крупные и мелкие неровности. В этом смысле представляет интерес морская поверхность, состоящая из волн зыби, на которых располагаются ветровые волны. На этих волнах в свою очередь располагаются мелкие капиллярные волны. Типичные за­ висимости сГо=f (Ѳ) при различных состояниях морской поверхности, определяю­ щихся скоростью ветра и, приведены на рис. 15.11 [59, 60]. При этом зависимости 0о—/(0) при вертикальной поляризации показаны сплошными и штриховыми ли­ ниями, а при горизонтальной поляризации — штрихпунктирной линией.

ö0,dS

Рис. 15.11

Из рассмотрения приведенных кривых следует, что при облучении поверхно­ сти моря против ветра под углами Ѳ = 0°Ч-45° значения 0О больше, чем при облу­ чении этой же поверхности в направлении ветра. Это связано с различием формы поверхности в этих направлениях, т. е. с различием параметров б и

Из экспериментальных данных по рассеянию радиоволн морской поверхностью следует также, что в области углов скольжения 0 = 90°—45°, величина Оо подчи­ няется в основном зависимости (15.28), в области же углов скольжения 0 = 45°Ч- -Ь0° — зависимости (15.29).

При выводе формулы (15.29) предполагалось, что неровная поверхность иде­ ально проводящая. В действительности же морская вода характеризуется конеч­ ной комплексной диэлектрической проницаемостью, зависящей от длины волны. Вследствие этого, а также других неучтенных факторов влияние длины волны па

438

При ЛЗгІбО м рассеяния от морских волн в радиолокационном направлении прак­ тически нет.

Необходимо отметить, что в формулах (15.28) и (15.29) не учитываются осо­ бенности радиолокационного рассеяния на шероховатых поверхностях волн раз­ личной поляризации. Экспериментально показано (см. рис. 15.11), что при рассея­ нии радиоволн вертикальной поляризации на слабо взволнованной морской по­ верхности II Ѳ = 0°-^45о величина ст0 на 5 -М О дб выше, чем при горизонтальной поляризации. В случае сильного волнения моря величина Сто примерно одинакова при обоих видах поляризации.

Величины сто и К^ор значительно зависят от степени шероховатости. Поэтому земные неровные поверхности подразделяют па две категории: слабошероховатые (называемые также квазигладкими) и силыюшероховатые (называемые также неровными).

К слабошероховатым относят поверхности с непрерывной структурой, у ко­ торой среднеквадратичное отклонение высоты неровностей меньше длины волны (6< л ). В сантиметровом диапазоне это будут дороги с асфальтовыми и бетонны­

участки местности, заросшие травой, пашню, лес и другие растительные массивы. Для слабошероховатых поверхностей имеет место существенная зависимость <То от 0, определяемая формулой (15.29). В случае же силыюшероховатых поверх­

ностей do слабо зависит от 0 и %.

§ 15.4. РАД И О Л О К А Ц И О Н Н О Е РАССЕЯ Н И Е УКВ О БЪ ЕМ Н О -РАСП РЕД ЕЛ ЕН Н Ы М И ОТРАЖ АТЕЛЯМ И

На пути распространения радиоволн могут встретиться области, заполненные большим числом малых отражающих частиц, например гидрометеорами (дождь, град, снег, облака, туман), пылью, поднятой ветром с земной поверхности, ме­ таллическими отражателями в виде лент из фольги, игл и др. Радиоволны санти­

но. Отражение радиоволн от частиц, распределенных по объему отражателей,

в данном случае является помехой, так как маскирует полезный сигнал, отражен­ ный от самолета.

Отражение электромагнитных волн от гидрометеоров может быть использова­ но в метеорологии для определения местоположения и интенсивности гидрометео­ рологических образований и направления их перемещения. В этом случае оно играет роль полезного сигнала.

Для вычисления результирующего сигнала необходимо знать одновременно отражающий объем, в пределах которого сигналы, отраженные от элементарных

439

где Q — телесный угол антенного луча, который выражается через эффективную площадь А а или коэффициент направленного действия антенны D следующим об­ разом [24]:

X2 4л

= ~ о "

Чтобы найти величину аэ отражающего объема V при заданных законах рас­ пределения размеров и числа частиц, пользуются обычно практически допустимым предположением, что частицы находятся на расстояниях друг от друга, при кото­ рых можно пренебречь их взаимным влиянием на процессы отражения радиоволн. При этом условии поле волны, отраженной областью, находят как результат су­ перпозиции полей волн, отраженных отдельными частицами.

Вид выражений, связывающих эффективную площадь рассеяния объема V с эффективной площадью рассеяния отдельных частиц и законом распределения их размеров и числа, зависит от корреляционных связей сигналов, отраженных ча­ стицами рассматриваемого объекта. Возможны два крайних случая:

1) сигналы от частиц не когерентны (аэ.Нц); это наблюдается тогда, когда частицы хаотично движутся относительно друг друга, так что расстояние между ними за время импульса изменяется больше чем па длину волны;

2) сигналы от частиц когерентны; это будет тогда, когда взаимное располо­ жение частиц не изменяется в течение времени наблюдения.

При некогерентном отражении полную мощность электромагнитных колеба­ ний, отраженных частицами рассматриваемой области, находят как арифмети­

т=1 °ІПІП

где n(r) — число частиц в единичном объеме, находящемся на расстоянии г от радиолокационной станции; Ост.ик — среднестатистическая площадь рассеяния частицы при некогерентном отражении волн частицами, равная

Здесь р(Оі) и p(di) — соответственно плотности распределения эффективной пло­ щади рассеяния и диаметра (размера) частицы.

Из (15.32) следует, что под среднестатистической площадью рассеяния пони­ мается такая эквивалентная площадь рассеяния частицы, при которой мощность, создаваемая в точке приема единицей объема с одинаковыми частицами, равна

440