Анализ особенностей отражения радиоволн от различных сред при проведении радиозондирования окрестности объекта ядерной технологии

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5

УДК 621.371

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 гг.», государственный контракт № 07.514.11.4115.

Пукалов М.А., Тишин В.М.

АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ОТРАЖЕНИЯ РАДИОВОЛН ОТ РАЗЛИЧНЫХ СРЕД ПРИ ПРОВЕДЕНИИ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ ОКРЕСТНОСТИ ОБЪЕКТА ЯДЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Рассмотрены зеркальное, диффузное и резонансное отражения радиоволн, возникновение которых возможно при проведении радиозондирования окрестности объекта ядерной технологии.

Отражение радиоволн - отражение волн электромагнитной природы в диапазоне от сверхдлинных волн вплоть до границы светового диапазона. Как и в случае световых волн, отражение обусловлено резким (в пределах длины электромагнитной волны) изменением макроскопических параметров среды, характеризующих распространение радиоволн: диэлектрической и магнитной проницаемостей. Для отражения радиоволн справедливы все общие закономерности отражения волн. В случае отражения радиоволн от резкой границы протяженных объектов с гладким покрытием (диэлектрические и металлические покрытия, снежная, водная и другие поверхности) имеет место зеркальное отражение радиоволн которое описывается формулами Френеля. При наличии шероховатостей отражающей поверхности происходит диффузное отражение. При размере тела меньше длинны волны (L>^) отражается малая часть энергии волны (частичное отражение радиоволн) [1].

На использовании зеркального, диффузного и частичного отражения радиоволн основаны радиолокация, радиозондирование и дальнее тропосферное распространение. Зеркальное отражение радиоволн наблюдается в параболических антеннах, радиовысотомерах, ионозондах и т.д. Диффузное отражение радиоволн происходит, например, при радио-

81

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5

локации планет с космических аппаратов. Отражение радиоволн от движущихся объектов сопровождается изменением частоты отраженной волны. Этот эффект широко используется для определения скорости отражающих объектов.

Эффективное отражение радиоволн происходит от объемных неоднородностей в среде размером l~X, что встречается в практике исследования атмосферы (отражение санти-, мили- и субмиллиметровых волн от частиц пыли, осадков и аэрозолей). Аналогичный эффект возникает в среде с непрерывным заполнением слабыми неоднородностями диэлектрической либо магнитной проницаемости. При этом основную роль играет отражение радиоволн от дифракционной решетки, образованной неоднородностями среды. На этом эффекте основан так называемый метод частичных отражений для исследования атмосферных и ионосферных неоднородностей. Причем для увеличения эффективности отражения радиоволн используют искусственно созданные дифракционные решетки с тем же пространственным периодом (при радиоакустическом зондировании атмосферы и некоторых других исследованиях нижней ионосферы).

Отражение радиоволн сильно зависит от геометрических характеристик и резонансных свойств отражающего объекта. Например, тонкая диэлектрическая (или магнитная) пластина толщиной d порядка длины падающей волны в зависимости от соотношения d и X может дать либо полное отражение, либо полное прохождение радиоволны [2]. На этом эффекте основаны селективные по частоте запирающие либо согласующие устройства. Последовательное многократное отражение радиоволн от поверхности Земли и ионосферы является основой загоризонтной радиолокации и радиосвязи. В то же время многократные отражения радиоволн в городах вносят помехи для телевидения и радиовещания. На отражении радиоволн от ионосферы существенно сказывается плазменный резонанс, который возникает, когда частота радиоволн приближается к плазменной частоте электронов ионосферной плазмы. В области плазменного резонанса происходит взаимодействие падающей волны с собственными колебаниями ионосферы, что приводит к модификации коэффициента отражения радиоволн, резко усиливаются нелинейные эффекты. Нелинейное отражение радиоволн сопровождается дополнительной амплитудной и фазовой модуляцией, изменением диаграммы направленности отраженного пучка радиоволн, аномальным поглощением.

При описании явлений отражения радиоволн часто используют методы и терминологию, заимствованные из оптики. Радиоволны и световые волны имеют одну и ту же электромагнитную природу. Поэтому из-

82

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5

вестные из оптики законы отражения полностью справедливы и для радиоволн. Световые и радиоволны отличаются только длиной волны: длина радиоволны в десятки и сотни тысяч раз больше, чем световой. Во столько же раз должны быть больше размеры объектов (линз, зеркал, целей и др.), чтобы радиолокационные явления были точной масштабной моделью оптических. Различают зеркальное, диффузное и резонансное отражения радиоволн.

Зеркальное отражение возникает в том случае, когда линейные размеры отражающей поверхности много больше длины волны, а сама поверхность является гладкой. Условия зеркального отражения можно представить в виде системы неравенств

1>>X;

h<<X,

где I - наименьший линейный размер цели, X - длина волны, h -высота неровностей поверхности [3].

При зеркальном отражении в соответствии с законами геометрической оптики угол отражения в равен углу падения а (рис. 1); отраженный луч CF лежит в плоскости, содержащей в себе нормаль к зеркалу СВ и падающий луч АС.

Рис. 1 - Зеркальное отражение

После отражения от плоской зеркальной поверхности плоская волна (АЕ) также остается плоской (FK), что видно из равенства путей ACF=EDK (рис. 1). Сферическая волна после отражения от плоского зеркала остается сферической (рис. 2) и радиус ее после отражения продолжает возрастать по тому же закону (R2>R^. Таким образом, отраженный сигнал от зеркальной поверхности получается только в том случае, когда эта поверхность перпендикулярна направлению на передатчик; в

83

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5

противном случае все отраженные лучи будут уходить в сторону и к передатчику не возвратятся. Поэтому зеркально отражающая поверхность (спокойное озеро, река, шоссе) обычно на экране РЛС выглядит темной.

Если зеркало сферическое (рис. 3), то плоская волна АВ после отражения оказывается сферической CD (с точностью до эффектов сферической аберрации, выражающихся в том, что лишь от малой площадки сферы обратные продолжения отраженных лучей можно считать сходящимися в точке 0). Сферичность Земли, как отражателя, уменьшает плотность потока отражаемой энергии по сравнению с плоским отражателем.

Диффузное отражение возникает в том случае, когда выполняются соотношения 1>>А,; h>A,

При диффузном отражении отражатель рассеивает падающую на него энергию во всех направлениях (рис. 4 - 6). В отличие от зеркаль-

84

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5

ной, такую поверхность иногда называют матовой, шероховатой. Для матовой поверхности законы отражения установлены Ламбертом. Они справедливы для дальней зоны, т.е. для таких расстояний, при которых угловые размеры отражателя близки к нулю. Законы Ламберта иллюстрируются рис. 4 и 5. Если поток излучения падает нормально к матовой поверхности, то мощность вторичного излучения под углом у к нормали пропорциональна cos^ (рис. 4): P =p,cosy

В полярной системе координат косинусоида (ее половина, соответствующая верхней полусфере) изображается шаром. Физический смысл тривиален: в направлении у размер I проектируется как I cosy, при этом пропорционально cos^ в направлении у убывает размер излучающей площадки и мощность излучения.

Рис. 4 - Диффузное отражение при потоке излучения нормальном к поверхности

Рис. 5 - Диффузное отражение при потоке излучения под углом к поверхности

85

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5

Если поток излучения падает под углом а к поверхности (рис. 5), то p = Pi cosy, где Pi = P0cosa. Следовательно P =p cos«cosy, где P0 - мощность излучения, которую принимал бы приемник, находящийся в «зените», если бы площадка облучалась тоже с «зенита». Физический смысл состоит в том, что с увеличением а уменьшается перехватываемый поверхностью падающий поток, отчего уменьшается ее освещенность и, как следствие, яркость. Это уменьшение излучаемой мощности на рис. 5 условно отмечено уменьшением радиуса сферы.

Отражающая по Ламберту поверхность является идеализацией, к которой можно приблизиться искусственно, но которая не существует в естественных условиях. На практике размеры неровностей у одной и той же поверхности могут иметь широкий диапазон значений, поэтому реальные поверхности обычно дают смешанное отражение, в котором есть и диффузная и зеркальная компоненты (рис. 6).

Рис. 6 - Отражение от реальной поверхности

Диффузно отражающая поверхность создает вторичное излучение во всех направлениях, в том числе и в сторону радиолокатора. На экране РЛС такая поверхность изображается светлой, причем интенсивность свечения будет зависеть от угла падения радиоволны. Для земной поверхности наиболее характерным является диффузное отражение (в основном, за счет растительности) [4].

Условия для определения зеркально и диффузно отражающих поверхностей являются несколько расплывчатыми. Очевидно, что поскольку высота неровностей h может принимать любые промежуточные значения, то и отражательные свойства поверхностей могут быть промежуточными. Идеальное зеркало сохраняет плоскую волну идеально плоской благодаря тому, что все отраженные лучи остаются синфазными между собой. По мере роста неровностей эта синфазность постепенно разрушается и фронт волны перестает быть плоским.

Переизлучение энергии падающей волны происходит вследствие вынужденных колебаний свободных или связанных зарядов в отражателе, создающих токи проводимости или токи смещения. Можно говорить о том, что всякое тело, способное переизлучать электромагнитную

86

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 -Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5

энергию, обладает собственной частотой колебаний электрических зарядов подобно тому, как это имеет место в электрическом колебательном контуре или механической колебательной системе. Если частота колебаний первичной волны совпадает с этой собственной частотой колебаний отражателя, то имеет место явление резонансного отражения. При резонансном отражении появляется также ярко выраженная направленность вторичного излучения [5]. Для металлических отражателей, у которых отражение происходит за счет наведенных токов проводимости, явление резонанса возникает всякий раз, если имеется компонента вектора электрического поля, параллельная отражателю, размер которого кратен X/2,

т.е. h =—,п =i,2,3....

На рис. 7 и 8 представлены зависимости мощности отраженного сигнала от отношения Чя для двух случаев: при изменении X и при изменении I [6]. Во втором случае вследствие растущих размеров отражателя естественным образом растет нерезонансная компонента отраженного сигнала. Ширина пика определяется поперечными размерами отражателя: чем тоньше отражатель, тем острее резонанс.

8 =const

Ли.,

1 1 3 2 л

2 2

Рис. 7 - Зависимость мощности отраженного сигнала от отношения Ч я

при изменении X

2 2

Рис. 8 - Зависимость мощности отраженного сигнала от отношения Чя

при изменении I

Таким образом, рассмотрены особенности зеркального, диффузного и резонансного отражения радиоволн, которые необходимо учитывать при проведении радиозондирования окрестности объекта ядерной технологии.

87

Инновации в информационно-аналитических системах: сб. научн. трудов. Вып. 4 Курск: Науком, 2012. - 128 с., ил. ISBN 978-5-4297-0004-5

Библиографический список

1. Грудинская, Г.П. Распространение радиоволн// учеб. пособие /Г.П. Грудинская. - М.: Высшая школа, 1975. - 280 с.

2. Теоретические основы радиолокации. Под редакцией Я.Д. Ширмана, «Советское радио», 1970.

3. Калашников, В.С. Электродинамика и распространение радиоволн (электродинамика). / В.С. Калашников Л.Я. Родос. - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2002, 2004.- 92 с.

4. Калинин, А.И. Распространение радиоволн и работа радиолиний // учеб. пособие / А.И. Калинин, Е.Л. Черенкова. - М.: Связьиздат, 1971. - 439 с.

5. Родос, Л.Я. Электродинамика и распространение радиоволн (распространение радиоволн)// учеб.-метод. комплекс (учебное пособие) / Л.Я. Родос. - СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007. - 90 с: 40 ил., 7 библ.

6. Фок, В.А. Проблемы дифракции и распространения радиоволн: монография / В.А. Фок. - М.: АН СССР, 1970. - 518 с.

88