Из-за трудностей точного расчета поглощения широкое распространение в научно-технической литературе получили полуэмпирическис методы определения ослабления в парах воды и в кислороде, предложенные впервые А.Ю. Зражевским и позднее Г. Либе и хорошо согласующиеся с экспериментом. Согласно результатам работ величины поглощения в парах воды и в кислороде могут быть представлены в виде аналитических соотношений:
w<57 ГГц
w<63 ГГц
где и коэффициенты поглощения в парах воды и в кислороде, [дБ/км] соответственно;
w - частота излучения, [ГГц]; р - влажность воздуха
при температуре воздуха 20°С [г/м3].
Заметим, что в экспериментальных исследованиях молекулярного поглощения вплоть до последнее времени отсутствовала статистика различных уровней этого поглощения. Накопление этой статистики представляет собой весьма трудоемкую задачу из-за крайне сильной изменчивости значений влажности и ее зависимости от климатических условий.
В настоящее время удельное ослабление в дождях теоретически изучено достаточно полно путем строгого решения задачи о дифракции электромагнитной волны на водяной сфере в случае ансамбля частиц с заданным распределением их по размерам.
При расчетах ослабления в ансамбле капель дождя для реальных значений комплексного показателя преломления воды, заимствованных из результатов экспериментов, факторы эффективности ослабления, рассеяния и поглощения могут быть представлены в виде бесконечных рядов, число членов которых должно иметь порядок X.
Ослабление в сухом снеге не поддается строгой теоретической оценке; однако известно, что оно примерно вдвое меньше, чем в дождях с интенсивностью менее 5 мм/ч. В мокром снеге ослабление оказывается в 2-3 раза больше, чем в дожде той же интенсивности, причем оно не поддается достаточно падежной теоретической оценке. Расчет ослабления в туманах и облаках проводится в приближении однократного рассеяния для различных функций распределения капель по размерам, при этом выполненные расчеты ослабления были проверены на экспериментах в камерах искусственных туманов.
Так как ослабление в этих случаях зависит от частоты и температуры окружающей среды, то для Оперативных оценок ослабления в мелкокапельных гидрометеорах рекомендуется пользоваться приближенной формулой:
где ослабление [дБ/км]; w - частота излучения; T - абсолютная температура [К]; q – водность тумана или облака [г/м3 ].
Заметим, что существующие методы оценки основных компонентов ослабления в атмосфере являются лишь первым приближением к действительности, поскольку атмосфера является постоянно меняющейся средой, и распространение ММ-радио-волн происходит, вообще говоря, в неоднородной атмосфере, поскольку ее параметры изменяются вдоль траектории распространения с высотой над земной поверхностью и во времени. Таким образом, в настоящее время возможно определение средних удельных значений ослабления, зависящих от различных параметров атмосферы, а также вероятности появления этих значений.
Дальность обнаружения объектов в реальной атмосфере.
Используя уравнение радиолокации в поглощающей среде, можно оценить дальность действия РЛС в дожде с учетом молекулярного поглощения
П = П0 - 2q - 2L - 2l/ - 2Sэ + s
где потенциал
П0 = Рпер/Рпр.пер;
q — отношение сигнал шум;
l - относительная длина волны к 1 мм;
L — потери в трактах;
Sэ - относительная эффективная площадь антенны к 1 м ;
s - эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) объекта к 1 м2.
Эффективные коэффициенты отражения и рассеяния радиоволн земной поверхности
Для успешного функционирования радиолокационных средств ММ диапазона необходимы данные о реальных эффективных коэффициентах отражения этих волн объектами и подстилающими поверхностями . В случае достаточно гладких по Рэлею (зеркальных) диэлектрических или металлических поверхностей нетрудно воспользоваться формулами Френеля и рассчитать зависимости модуля и фазы отраженных волн при горизонтальной и вертикальной поляризациях излучения как на дециметровых, так и на сантиметровых волнах. Однако в случаях неровной и шероховатой поверхности расчет эффективных коэффициентов отражения (рассеяния) сопряжен с немалыми математическими трудностями. По современным представлениям рассеивающие неровности могут быть разделены на три категории. Согласно критерию Рэлся для этих поверхностей существует три метода описания эффекта рассеяния радиоволн. Это метод возмущений, для которого характерны относительно небольшие неровности поверхности по сравнению с длиной волны, когда параметр p=2kssinq, где k=2л/l, l - лина волны, s - днеквадратическос отклонение высоты неровности, q - угол места антенны. Метод касательной плоскости, когда р»1 имеют место крупные размеры неровностей, причем задача об отражении решается в приближении геометрической оптики с использованием статистики точек зеркального отражения на случайно-шероховатой поверхности. В случае комбинации крупных и мелких неровностей, когда р=1 можно пользоваться двухмасштабной моделью отражения. В основе этой модели лежит предположение о том, что реальная поверхность является суперпозицией сглаженной поверхности и малых нормальных ее возмущений. Влияние крупных неровностей оценивается нулевым приближением метода касательной плоскости, влияние же мелких - первым приближением метода возмущений. Предполагается также, что оба типа неровностей статистически независимы, а рассеянные поля при этом некогерентны.
Ввиду особых трудностей исследования моделей шероховатых поверхностей в короткой части диапазона ММ-радиоволн можно ограничиться изложением результатов многолетних экспериментов приема рассеянных сигналов как от объектов наблюдения, так и от реальных подстилающих поверхностей. Такие данные к настоящему времени появились в литературе и были получены рядом НИИ (НИРФИ, ИПФ АН, ИРЭ РАН и ИРЭ АНУ).
Экспериментальные зависимости удельных ЭПР земной поверхности, покрытой травой, от угла места и длины полны излучения для случая ВП возрастают на ММ-волнах на 6.. 15 дБ в зависимости от угла с укорочением длины волны ЭПР.
Вероятность того, что значение ЭПP равно или меньше заданного, существенно зависит от высоты неровностей земной поверхности. Характер изменчивости удельной ЭПР различных видов земной поверхности может быть аппроксимирован формулой:
s0=-20 + 10lg q/25 – 15lg l
В настоящее время на ММ-волнах изучено воздействие ветра на ЭПР покровов с растительностью, а также получены данные о зависимости удельной ЭПР от времени суток и сезона.
6.2 Эффективные поверхности рассеяния объектов
Практический интерес представляют результаты измерений в короткой части ММ диапазона радиоволн неподвижных и находящихся в движении объектов. В качестве исследуемых объектов использовались бронетанковая, автотракторная техника и автомашины.
Анализ результатов измерений с использованием РЛС ММ диапазона для ряда длин волн позволяет сделать следующие заключения.
Для подвижных объектов, использующих гусеничную или колесную технику, ЭПР на длинах волн <3 см практически не зависит от длины волны. Более того, с вероятностью 0,9 в короткой части диапазона ММ волн эти ЭПР оказываются порядка величин, характерных для более длинных волн. Так, среднее значение ЭПР танка на l=8 мм s~9м , в короткой части ММ-волн s~10 м2.
В короткой части ММ-волн по сравнению с длиной волн 3 см и 8 мм появляется превосходная возможность обнаружения неподвижных объектов с работающим двигателем. Оценка работоспособности системы селекции движущихся целей с помощью РЛС на волнах 3 мм, 8 мм и 3 см показывает, что в первом случае амплитудные пульсации сигнала от объекта почти на 30 дБ больше, чем на волне 3 см. Для обнаружения объектов на остановке с работающим двигателем и для сопровождения медленно двигающихся объектов со скоростью 5 км/ч и менее необходимо применение когерентной обработки сигналов, что требует кратковременной стабильности генератора передатчика не хуже 10-9.
Возможность обнаружения неподвижных объектов на коротких ММ-волнах зависит, как это и следовало ожидать, только от разрешающей способности РЛС, удельных ЭПР объектов и фонов. Теоретические исследования радиолокационных контрастов проводились для объекта типа танка, для чего определялась величина контраста излучения К по отношению: где s0 и sЗП - ЭПР объекта и земной поверхности соответственно [м]; j - ширина диаграммы направленности антенны РЛС [град]; tи - длительность импульса передатчика РЛС [мкс]; D0 - дальность от РЛС до объекта.
Радиоконтраст существенно зависит от фона окружающей местности. Таким образом, при обнаружении неподвижных объектов на фоне подстилающей поверхности РЛС в коротковолновой части ММ диапазона волн могут иметь преимущество по сравнению с РЛС на сантиметровых волнах.
Результаты экспериментов показали, что на коротких ММ-волнах точность пеленгации объектов и определения координат увеличивается примерно в 1,5 раза. Оценка ошибок измерений пеленга позволила установить, что на трассе длиной 10 км составляющая из-за колебаний углов прихода не превышает 0,1 делений угломера (Д.у.), из за многолучевого распространения над поверхностью раздела — не более 1 д.у., из-за неровностей поверхности объекта типа танка - не более 0,3 Д.у., из-за аддитивных помех - не более 1 д.у. (одно деление угломера равно 3,6 угловых минуты) ,
Результаты экспериментов по пеленгации объекта типа танка на коротких ММ-волнах и на волне 3 см показывают, что на дальностях 500...3000 м вероятность пеленгации на ММ - волнах в 1,5...1,8 раза больше, чем на волне 3 см.
Таким образом, приведенные выше результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают перспективность применения короткой части ММ диапазона волн для создания базовых средств обнаружения наземных объектов, разведки и высокоточной аппаратуры наведения летательных аппаратов. Яркостные температуры фонов и объектов. Впервые интерес к собственному излучению земных покровов возник еще в начале 70-х годах, когда была практически доказана возможность дистанционного измерения температуры земной поверхности как с борта летательных аппаратов, так и с ИСЗ сначала в ИК, а затем и в радиодиапазоне волн.
Последующие исследования основных характеристик различных покровов и атмосферы на сантиметровых и ММ-волнах проводились в СССР, США и ряде европейских стран, результатом которых явилось развитие практических применений по наблюдению в глобальном масшабе за Землей как за планетой (наблюдение облачности, морских волнений, слежение за состоянием посевов, картирование сельскохозяйственных угодий, поиск полезных ископаемых и др.). Параллельно с этим происходило развитие и создание пассивных радиолокационных устройств (ПРЛУ), в которых для индикации объектов или местности используются только характеристики собственного изучения.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
