Радиоисследования планет с космических аппаратов - Николай Крупенио

Поэтому, измеряя значение приведенной частоты, можно получить информацию о коэффициенте преломления радиоволн. А проведя подобные измерения в течение всего времени захода или выхода космического аппарата из-за диска планеты, можно построить высотную зависимость коэффициента преломления, по которой можно получить высотный профиль концентрации электронов в ионосфере.

Радиолокационные измерения

Метод радиолокации часто используется при определении местоположения какого-нибудь объекта. При этом передающее устройство посылает радиолокационный сигнал в направлении данного объекта, и после отражения определенная часть энергии сигнала возвращается обратно на приемное устройство.

Анализируя характер отражения и рассеяния радиолокационного сигнала некоторой поверхностью, можно получить соответствующую информацию о ее физических характеристиках.

Рассмотрим несколько подробнее схему получения информации о физических характеристиках исследуемой поверхности с помощью радиолокационных измерений. Радиолокационный сигнал, попадая на границу двух сред (например, атмосферы и самой поверхности), испытывает, как мы уже говорили, отражение, рассеяние и преломление. Пусть угол падения радиосигнала на поверхность Θ постоянен (рис. 3). Если приемник с приемной антенной совершит путь по полусфере с центром в точке 0 и будет при этом записывать интенсивность принимаемого сигнала, то интенсивность последнего будет сильно меняться в зависимости от направления его приема. Полученное таким образом трехмерное распределение интенсивности принимаемого сигнала называют индикатриссой рассеяния.

Рис 3. Схема радиолокационных измерений: 1 — космический аппарат с передатчиком; 2 — передающая антенна; 3 — облучающий радиосигнал; 4 — космический аппарат с приемником; 5 — приемная антенна; 6 — сигнал обратного рассеяния; 7 — отраженный сигнал; 8 — рассеянный сигнал; 9 — преломленный сигнал; 10 — граница раздела двух сред; А — менее плотная среда; В — более плотная среда; α — угол преломления; Θ — угол наблюдения (падения)

Наибольший но интенсивности радиосигнал в этом случае регистрируется в направлении зеркального отражения — под тем же углом Θ, но с другой стороны относительно нормали N. При отклонении угла наблюдения интенсивность отраженного сигнала резко падает. Область значений углов вблизи направления зеркального отражения, для которых характерна достаточно большая величина отраженного сигнала, зависит от степени шероховатости исследуемого участка поверхности с линейными размерами неоднородностей в десятки и сотни длин волн облучающего радиосигнала. Поэтому, измеряя ширину этой области (зоны) углов, можно получить информацию о так называемых крупномасштабных неоднородностях данной поверхности.

Поскольку реальная поверхность состоит из совокупности плоских и не плоских площадок весьма различного размера, то ширина зоны углов, для которых наблюдается значительный по интенсивности отраженный сигнал, позволяет получить лишь некоторую собирательную статистическую величину, характеризующую определенную степень неровности поверхности. Такой величиной для крупномасштабных неоднородностей (превышающих длину волны по своим размерам) является так называемый среднеквадратичный угол наклона поверхности σα. Чем больше степень неровности поверхности, тем больше значение σα.

Мы рассмотрели угловое распределение для отраженных сигналов при фиксированном угле облучения поверхности. Если угол облучения изменяется, то соответственно будет меняться форма индикатриссы рассеяния, а отраженный поверхностью сигнал будет включать и рассеянную компоненту (см. рис. 3). В радиолокации вместо индикатриссы рассеяния используется другая характеристика принимаемого излучения — диаграмма обратного рассеяния. Она представляет собой зависимость от угла наблюдения мощности сигнала, приходящего в направлении, обратном направлению облучения.

Диаграмма обратного рассеяния также зависит от степени шероховатости исследуемой поверхности. При малых значениях углов наблюдения форма диаграммы обратного рассеяния определяется теми же неоднородностями, которые характеризуют и отраженный сигнал, т. е. размер которых составляет десятки и сотни длин волн используемого радиолокационного сигнала. Однако при больших значениях углов наблюдения форма диаграммы обратного рассеяния зависит от мелкомасштабных неоднородностей, размеры которых порядка длины волны и меньше.

Таким образом, с помощью диаграммы обратного рассеяния можно получить информацию о рельефе поверхности и степени его изрезанности в более мелких масштабах. Это особенно важно при поиске лучших мест посадки автоматических станций и лучших трасс передвижения самоходных автоматических аппаратов. Например, подобные радиолокационные измерения использовались при выборе мест посадки американских аппаратов «Викинг» на поверхности Марса, когда полученная ранее информация с помощью фотографических методов оказалась неточной.

Анализ диаграммы обратного рассеяния позволяет при малых углах наблюдения Θ оценить величину среднеквадратичного угла наклона σα — той же величины, которую дает угловое распределение отраженного сигнала. Это распределение, называемое диаграммой отражения, получают при бистатической радиолокации (об этом будет сказано дальше).

Интенсивности отраженного и рассеянного сигналов зависят и от электромагнитных свойств вещества исследуемой поверхности. Если грунт поверхностного слоя планеты достаточно сухой, как, например, на Луне, Марсе и Венере, то его электропроводность относительно невелика. Поэтому характер отражения этим грунтом радиосигнала определяется эффективной диэлектрической проницаемостью вещества, из которого состоит грунт.

Отметим еще, что если бы исследуемая поверхность была идеально ровной, то отраженный сигнал существовал бы в направлении, обратном облучению, лишь когда он распространялся по нормали к поверхности. В случае гладкой поверхности коэффициент отражения радиосигнала (при моно- и бистатической радиолокации) легко определяется, если известна упомянутая выше эффективная диэлектрическая проницаемость грунта. Если же поверхность шероховата, то интенсивность принимаемого сигнала в данном направлении также рассчитывается на основании значения эффективной диэлектрической проницаемости (если учитывать при этом статистические характеристики, касающиеся свойств рельефа поверхности). Конечно, при проведении радиолокационных экспериментов решается обратная задача, и решить ее оказывается гораздо сложнее, а в ряде случаев полученное решение к тому же является и неоднозначным.

Как же решают эту задачу?

Во-первых, из эксперимента определяют диаграмму обратного рассеяния либо при малых углах облучения (моностатическая радиолокация), либо при углах, незначительно отличающихся от угла отражения (бистатическая радиолокация). Далее, учитывая форму диаграммы обратного рассеяния (или диаграммы отражения), подбирают такое значение эффективной диэлектрической проницаемости, чтобы рассчитанная интенсивность принимаемого радиолокатором сигнала соответствовала действительному. Это значение эффективной диэлектрической проницаемости и принимают за исходное.

Лабораторные исследования различных горных пород, проведенные советским ученым В. Д. Кротиковым, а позднее повторенные американцами М. Кемпбеллом и Дж. Ульрихом, показали, что для обезвоженных пород наблюдается однозначная связь между эффективной диэлектрической проницаемостью, определенной на основании радиолокационных измерений на сантиметровых, дециметровых и метровых длинах волн, и плотностью исследуемого грунта. Впоследствии эта зависимость подтвердилась результатами аналогичных исследований с использованием образцов лунного грунта, доставленных на Землю.

Это открытие заставило по-новому взглянуть на возможности радиолокационных измерений — как метода дистанционного определения плотности поверхностного слоя планет. Было проведено сопоставление результатов определения плотности, полученных как с помощью радиофизических измерений, так и другими методами. Эти результаты оказались близкими по своему значению.

И, наконец, обратимся к явлению преломления радиолокационного сигнала. Оно не учитывается при моно- и бистатичеоких радиолокациях. Однако при исследовании условий распространения ультракоротковолновых сигналов выяснилось, что данную компоненту принимаемого радиолокатором сигнала следует учитывать. В частности, его интенсивность вблизи границы раздела двух сред также в основном зависит от эффективной диэлектрической проницаемости.