Электромагнитные
волны
Характеристики волн
Для понимания сущности радиозондирования Земли необходимо опираться
на физическую модель, в нашем случае ею являются уравнения Максвелла в среде.
Сенсор, расположенный на спутнике, излучает электромагнитную волну.
Ее характеристики:
•
Длина - расстоянием между соседними пиками;
•
Частота – величина, равная с/λ, где с- скорость распространения
EM-волн в среде (в вакууме 3*108 [м/с]), а λ – длина волны;
•
Волновой вектор, который указывает направление распространения
волны;
•
Эллипс поляризации – траектория, которую описывает вектор
напряженности поля E. Без ограничения общности можносказать, что EM-волна
обладает эллиптической поляризацией, которая может вырождаться в круговую
и линейную.
Максвелловская теория утверждает, что в плоской монохроматической волне вектор магнитного поля
H и электрического E расположены перпендикулярно друг к другу (см. рис).
Классификация используемых частот
Для радиолокации используют частоты (длины волн), определенные следующим
образом:
Название |
Частота,
МГц |
Длина волны,
см |
Ka Band
|
40,000-26,000
|
0.8-1.1
|
K Band
|
26,500-18,500
|
1.1-1.7
|
Ku band
|
18,500- 12,500
|
1.7-2.4
|
X Band
|
12,500-8,000
|
2.4-3.8
|
C Band
|
8,000-4,000
|
3.8-7.5
|
S Band
|
4,000- 2,000
|
7.5-15.0
|
L Band
|
2,000-1,000
|
15.0-30.0
|
P Band
|
1,000- 300
|
30.0-100.0
|
Такой набор длин волн "удобен" тем, что посредством сканирования одного и того же участка поверхности разными блоками можно получить о нем разнообразную, информацию, скажем, как о рельефе, так и о растительности. Иными словами, поглощение и отражение волн - некоторая функция от их длин. "Снизу" длины используемых ограничены поглощением и рассеянием, о котором будет сказано ниже. "Сверху" диапазон длин волн ограничиваются по следующей причине: при разработке конкретной аппаратуры немаловажную роль играет возможность
получить хорошие направленные свойства антенны при заданных её параметрах.
Как известно, коэффициент усиления антенны равен
где S
A - геометрическая площадь раскрыва
антенны; ηs - коэффициент использования площади раскрыва.
Таким образом, уменьшать λ целесообразно также и для увеличения G при
заданных габаритах антенны.
Ka Band, K Band, Ku band и X Band используются
для радиолокаторов, расположенных на воздушных радарных системах, но первые
три блока уже довольно редки.
C Band и L Band используются для получения данных как с воздуха, так
и из космоса, тогда как S Band применяется только для зондирования со спутников.
P Band используется NASA для экспериментальных исследований.
Отражение от поверхности
В активной радиолокации Земли существенны два типа отражения: зеркальное
и диффузное. Зеркальное отражение возникает в том случае, когда линейные
размеры отражающей поверхности много больше длины волны, а сама поверхность
является гладкой (например, поверхность моря). Тут действует закон о равенстве
углов падения и отражения. Диффузное возникает тогда, когда линейные размеры
отражающей поверхности много больше длины волны, а высота неровностей сравнима
с ними. При диффузном отражении отражатель рассеивает падающую на него энергию
во всех направлениях. В отличие от зеркальной такую поверхность иногда называют
шероховатой.
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.
Поверхность считается зеркальной, если
, и диффузной, - если знак неравенства обратный (h – высота неровности,
- угол между нормалью к поверхности и направлением излучения (угол
падения) волны на поверхность).
Если линейные размеры цели малы по сравнению с длиной волны, то мощность
отражённого сигнала для тел любой формы определяется формулой Релея
где ℓ - наибольший линейный размер цели; k - множитель, имеющий размерность
Вт/см2.
Уменьшение мощности вторичного излучения (отраженный сигнал),естественно, приведёт к резкому
уменьшению дальности обнаружения цели.
Затухание волн Единственным фактором, ограничивающим укорочение
длины волны, является затухание (поглощение и рассеяние) волн в атмосфере, которое в см- и мм- диапазонах
может оказаться значительным, особенно при плохих условиях погоды. Затухание
волн см- и мм-диапазонов в атмосфере, в основном, происходит за счёт поглощения
энергии этих волн молекулами кислорода, паров воды и других компонентов
атмосферы.
Для EM-волн рассеяние в атмосфере (молекулами газов, релеевское рассеяние)
также зависит от их длин, чем они короче, тем оно слабее.
Влияние постоянного затухания на максимальную дальность действия РЛС
определяется выражение:
, где:
R’max – дальность действия РЛС с учетом затухания;
Rmax – дальность действия РЛС без учета затухания;
a - коэффициент затухания, зависящий от длины волны и от интенсивности
осадков или от водности облаков.
Представим теперь Землю как проводящее полупространство. Из электродинамики
известно, что тогда величина скин-слоя – в нашем случае слоя земли, куда
все еще могут проникать EM-волны, пропорциональна
, где
- диэлектрическая проницаемость,
- магнитная проницаемость,
- проводимость земли участка Земли,
- частота излучаемых волн. Оценочно на частотах, используемых в радиозондировании
из космоса, проникновение электромагнитного поля в почву пренебрежимо мало.
Однако наземные РЛС успешно используются для нахождения пустот, металлических
предметов и воды, расположенных на глубине порядка метра.