Рассеяние радиосигнала на шероховатых поверхностях. Диэлектрические свойства мишени радиолокационной сьемки

4.7.2.5.4. Рассеяние на шероховатых поверхностях

Характер неровностей поверхности в значительной мере определяется структурными особенностями материала. Для растительности это величина, форма, ориентация и пространственное расположение листьев, хвои, сучьев; для почв – величина, распределение и ориентация частиц; для горных пород – величина, распределение и ориентация минералов, образующих породу, а также предопределенные тектонической структурой или выветриванием текстурные особенности микрорельефа. Для водных поверхностей важны высота волн и расстояние между ними, ориентация гребней волн и полос пены на них.
Для отражения радиоволн решающее значение имеют поперечные к радиолучу и наклоненные к источнику излучения неровности поверхности, которые облучаются в момент съемки и отражают падающее радиоизлучение. По данным Сабинза [57], поперечный разрез неровностей поверхности состоит из вертикальной и горизонтальной составляющих и характеризуется определенным пространственным распределением элементов микрорельефа, а также определенными геометрическими особенностями строения индивидуальных материальных компонентов поверхности (листьев, сучьев, частиц почвы и горной породы). Им же установлено, что неровности важнейших природных поверхностей вследствие сложных особенностей их геометрии могут быть описаны математически лишь приблизительно. Основную роль для большинства поверхностей играют ориентированные поперечно к радиолучу возвышения высотой порядка первых сантиметров. Кроме того, следует различать поверхности гладкие, средней шероховатости и шероховатые, при этом важно, чтобы это разделение производилось относительно длины волны зондирующего радиосигнала. Так, например, поверхности, которые по отношению к длине волн Ка-диапазона (3 см) являются шероховатыми, по отношению к длине волн L-диапазона (25 см) гладкие. Зависимость процессов отражения от длины волны и величины неровностей поверхности схематически показана на рис. 101, составленном для угла падения 45° и длины волны 3 см.

Рис. 101. Модель отражения и рассеяния на поверхностях различной степени шероховатости для радиоволн длиной 3 см [37]. a – гладкая поверхность с зеркальным отражением, радиоэхо отсутствует; б – поверхность средней шероховатости, среднее радиоэхо; в – шероховатая поверхность с диффузным рассеянием, сильное радиоэхо.

Если радиолокационный сигнал падает под малым или средним углом на горизонтальную поверхность, которая по соотношению высоты неровностей и длины волны падающего излучения может быть описана как гладкая, то большая часть энергии сигнала отражается прочь от антенны, в направлении облучения. Соответствующие поверхности на радиолокационном снимке получат темно-серый до черного фототон. Лишь при крутом угле падения и небольшом расстоянии от надира антенна радиолокационной системы может получить значительную часть отраженного от гладких поверхностей излучения [57, 272].
Рис. 102 показывает влияние угла падения и высоты неровностей поверхности на коэффициент рассеяния q влажной почвы. С помощью микроволновой системы (1-18 ГГц), смонтированной на автомобиле, были исследованы [16] поля с одинаковой влажностью, но с различной величиной неровностей почвы. При использовании наиболее длинных волн, что способствует зеркальному отражению (L-диапазон, рис. 102, а), коэффициент рассеяния оказался очень чувствительным к углу падения в области, близкой к надиру, в то время как для полей с шероховатой поверхностью изменения угла падения почти не влияли на коэффициент рассеяния. При угле падения 5° влияние шероховатости поверхности на коэффициент рассеяния оказалось минимальным. Если длина волны падающего излучения уменьшается (рис. 102, б, 102, в), то все поля действуют как шероховатые поверхности, в том числе и относительно гладкие. Поэтому точки пересечения кривых для всех пяти типов полей смещаются в направлении больших углов падения. В Х-диапазоне точка пересечения располагается около 10°. В этом случае комбинация угла падения и длины волны оказывается при данной влажности независимой от шероховатости поверхности. Отсюда даются [16] следующие оптимальные параметры для дистанционного зондирования влажных почв: длина волны 6-7 см, угол падения 7-17° от надира, поляризация – ГГ (цитировано по [270]).

Рис. 102. Коэффициенты рассеяния влажной почвы как функция шероховатости поверхности и угла падения. Коэффициент описывает рассеяние энергии радиолуча на поверхности местности в направлении радиолокационной станции [16].

При интерпретации РЛ-снимков необходимо помнить, что отношение неровностей поверхности и длины волны зондирующего излучения для поверхностей, состоящих из различных материалов, может быть одинаковым. Такой пример описан Парри и др. в Канаде [228]. Река меандрирует в широкой пологой долине среди травянистых лугов. Как поверхность воды, так и поверхность прилегающих к ней лугов по отношению к длине волны радиолокационного сигнала (25 см) оказываются гладкими, зеркально отражающими. В этом случае не имеется контраста в отражающих свойствах таких различных материалов, как вода и трава, и на РЛ-снимках в L-диапазоне реку невозможно отличить от прилегающих лугов. По отношению к длине волны Ка-диапазона (3 см), напротив, отмечаются существенные различия в неровностях поверхностей воды, песка и луговой растительности. Соответственно оказывается различной интенсивность радиоэха, отраженного этими материалами в направлении радиолокационной антенны (особенно при ГГ-поляризации). Это показывает, что при залетах важно выбирать такую длину волны, которая может обеспечить дифференциацию на снимках интересующих исследователя объектов.
При этом поляризация также играет существенную роль. По данным Парри и др. [228], одинаково поляризованный сигнал (например, ГГ) представляет собой преимущественно результат процессов отражения от поверхности – продукт поверхностной шероховатости (микрорельефа облучаемой поверхности). Перекрестно поляризованный сигнал (ГВ), являющийся результатом деполяризации падающего сигнала, обусловлен, с одной стороны, множественными отражениями в области поверхности и, с другой – объемным рассеиванием на подповерхностных неоднородностях вещества мишени.
Более подробное рассмотрение количественных связей между радиолокационным сигналом и неровностями естественных поверхностей можно найти в работах [263, 264, 37, 272].

4.7.2.5.5. Диэлектрические свойства мишени

Кроме неровностей поверхности существенное влияние на отражающие свойства почв, горных пород, растительности и воды оказывают их диэлектрические свойства, поскольку именно они определяют характер распространения электромагнитных волн в этих материалах. Отражающие свойства материалов являются функцией их комплексной диэлектрической постоянной, суммирующей их электропроводность и магнитную проницаемость. Применительно к длинам волн, используемых радиолокацией, диэлектрическая постоянная сухих почв и горных пород располагается приблизительно между значениями 3 и 8. Эти величины недостаточны, чтобы обусловить заметную разницу отражающих свойств и соответственно заметные различия в фототоне сухих почв и горных пород. Для воды значение диэлектрической постоянной составляет около 80. Отсюда легко установить, какое влияние оказывает присутствие воды в породах и почвах на их диэлектрические постоянные и на их отражающие свойства. Согласно данным Сабинза [37], комплексная диэлектрическая постоянная почв и горных пород имеет почти линейную зависимость от их увлажнения. Различия в отражающих свойствах сухих и влажных пород и почв позволяют различать и разграничивать их на РЛ-снимках. Почвы и породы с высоким содержанием воды действуют как хорошие отражатели. Поэтому они передаются на РЛ-снимках светлым фототоном, в то время как сухим породам и почвам как плохим отражателям соответствует темный фототон. На этом основании почвы и горные породы одного и того же типа или с одинаковым характером шероховатости поверхности, но с различной влажностью могут быть опознаны на РЛ-снимках и отделены друг от друга.
Следует еще отметить, что диэлектрические свойства воды находятся в зависимости от длины волны излучения и поэтому диэлектрические свойства влажной почвы одного и того же типа варьируют в зависимости от длины волны. Так, почвы одного и того же типа (соответственно одинаковой шероховатости), но различной влажности лучше различаются на РЛ-снимках в длинноволновом L-диапазоне (длина волны 25 см), чем в коротковолновом Ка-диапазоне (длина волны 0,8 см). С другой стороны, комплексная диэлектрическая постоянная зависит также и от вида почв, причем различия в диэлектрических свойствах почв с повышением их влажности проявляются отчетливее. Более подробное обсуждение взаимодействия между микроволновым излучением и почвами различной влажности можно найти в работах [187, 218, 314, 272].
Согласно данным лабораторных исследований [272], значения диэлектрической постоянной возрастают в зависимости от влажности почвы сперва относительно медленно, но за определенным значением заметно быстрее. Эта двойная линейная зависимость диэлектрической постоянной от влажности почвы привела Шмугге и др. [272] к выводу о различном поведении воды в почве. Если почва содержит небольшое количество воды, то последняя тесно связывается с частицами почвы. В этих условиях молекулы воды не могут свободно двигаться, и диэлектрические свойства связанной воды приближаются к свойствам льда. Если же слой воды вокруг частиц почвы будет более толстым, то связь воды с ними ослабевает и молекулы воды начинают вести себя, как и в жидкой воде. Этим и объясняется относительно быстрое изменение диэлектрических свойств почв с возрастанием их влажности. Переход от одного состояния к другому зависит от структуры почвы и от величины ее частиц [312]. Важным параметром в этой связи являются также количество и объем пор (пористость) почв и горных пород.