2.7. Отражение радиоволн от земной и водной поверхностей

Характер отражения радиоволн от какой-либо поверхности зависит от ряда факторов, как то: электрических свойств поверхности, степени ее неровности, поляризации падающей волны, угла падения и, наконец, длины волны.

Различают два вида предельных отражений: зеркальное и диффузное.

При зеркальном отражении угол отражения равен углу падения. Такой вид отражения имеет место при отражении от гладкой поверхности. Однако и при отражении от неровной поверхности в определенных условиях также может возникнуть зеркальное отражение.

Пусть на отражающей поверхности имеется неровность высотой h (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Возникновение разности хода радиолучей за счет разной высоты точки отражения

Тогда разность хода лучей, отразившихся от вершины неровности и от гладкой поверхности, у основания неровности будет

а сдвиг фаз полей указанных лучей будет

Если то по аналогии с оптикой такой разностью фаз можно пренебречь и считать реальную поверхность гладкой.

Таким образом, при

будет иметь место зеркальное отражение.

Диффузное отражение возникает при отражении от поверхности с неровностями, соизмеримыми с длиной волны. В этом случае падающая волна рассеивается во всех направлениях, в том числе и обратно к радиолокатору (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Диффузное рассеяние

В сантиметровом диапазоне зеркальное отражение возникает сравнительно редко, при отражении от таких поверхностей, как спокойная водная поверхность, бетонированные дорожки аэродрома и т. п.

Отражение от суши происходит, как правило, диффузно.

Зависимость характера отражений радиоволн от свойств земной и водной поверхностей лежит в основе принципа действия самолетных радиолокаторов обзора земной поверхности. Гладкая водная поверхность изображается на экране индикатора такого радиолокатора в виде темной области, так как от такой поверхности имеет место зеркальное отражение.

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 сооружения на суше, дают отметки на экране в виде ярких пятен, по положению которых можно судить о дальности и азимуте целей.

Перейдем теперь к определению величины эффективной площади рассеяния земной поверхности.

Прежде всего необходимо найти величину того участка поверхности, который участвует в формировании отраженного сигнала. Дело в том, что самолетные радиолокаторы обзора земной поверхности, как и всякие другие радиолокаторы, обладают разрешающей способностью по дальности и по направлению. Поэтому не вся поверхность земли или моря, над которой летит самолет, участвует в образовании отраженного сигнала, а только небольшая часть ее. Так при импульсном методе обнаружения входной сигнал в любой заданный момент времени определяется мощностью, рассеиваемой участком поверхности с размерами a и b (рис. 2.19), причем

где θ - ширина диаграммы направленности на уровне 0,5 по мощности,

τ - длительность импульса.

Рис. 2.19. К определению эффективной площади рассеяния поверхностных распределенных целей при импульсном методе обнаружения

Этот участок поверхности условимся называть отражающей площадкой.

Мощность, падающая на отражающую площадку, равна

Часть этой мощности будет переизлучаться в пространство, а остальная часть будет расходоваться на тепловые потери.

Переизлучаемую мощность, т. е. мощность вторичного излучения, можно представить как

где k - коэффициент рассеяния.

Для земной поверхности значение коэффициента k ориентировочно равно 0,01.

Входной сигнал, формируемый отражающей площадкой, является фактически суммой большого числа сигналов, отраженных от множества элементарных рассеивателей, расположенных в пределах отражающей площадки. Поэтому поверхность земли или водную поверхность следует рассматривать как поверхностную распределенную цель. Поскольку фазовые соотношения между отдельными составляющими отраженного сигнала все время меняются как за счет движения самолета, так и за счет движения самих элементарных отражателей, вызванного ветром, то входной сигнал будет флюктуировать.

Следовательно, эффективная площадь рассеяния поверхностной распределенной цели является величиной случайной.

Среднее значение S₀ такой цели в соответствии с формулой (2.6) будет равно

Что касается значения коэффициента направленного действия, то при отражении от гладкой поверхности, когда имеет место зеркальное отражение D = 0. При отражении от неровной поверхности, т. е. при диффузном отражении, можно в первом приближении принять D = 1. Тогда с учетом того, что ξ = 1

Из полученной формулы видно, что эффективная площадь рассеяния поверхностных целей зависит не только от рассеивающих свойств поверхности, но и от наклонной дальности, угла места отражающей площадки и параметров радиолокатора.

Итак, при D ≠ 0 на входе приемника радиолокатора имеется сигнал, отраженный от поверхности земли или моря. Поскольку этот сигнал флюктуирует, то на экране индикатора создается светлый фон, мешающий наблюдать такие цели, как например корабли или промышленные сооружения.

Так как размеры указанных целей обычно значительно меньше размеров отражающей площадки, то такие цели принято называть точечными. Для улучшения наблюдаемости точечных целей необходимо уменьшать эффективную площадь рассеяния поверхностных распределенных целей, что, как видно из формулы (2.55), можно достичь за счет повышения разрешающей способности радиолокатора.

Отсюда очевидны все достоинства работы импульсами малой длительности и применения антенн с узкой диаграммой направленности.

Определив S‾₀, можно найти вид диаграммы направленности в вертикальной плоскости антенны самолетного радиолокатора обзора земной поверхности, при котором будет обеспечена неизменность средней мощности сигнала, отраженного от однородной поверхности земли.

Согласно формуле (2.5)

Из теории приемных антенн известно, что

Следовательно,

Самолетные радиолокаторы обзора земной поверхности выполняются с одной антенной. Поэтому G₁ = G₂ = G.

Тогда

Здесь под G имеется в виду коэффициент усиления антенны в заданном направлении.

Величину G можно представить в следующем виде:

где f(β) - диаграмма направленности в вертикальной плоскости. Тогда

Подставляя в это выражение значение S‾₀ из формулы (2.55) и заменяя

получаем

Из выражения (2.56) видно, что средняя мощность отраженного от поверхности земли сигнала не будет зависеть от расстояния до отражающей площадки при

Не следует упускать из виду, что приведенные определения S‾₀ и f(β) справедливы только при импульсном методе обнаружения.

Аналогичным образом могут быть определены S‾₀ и f(β) и при других методах обнаружения.