23.1.3. Поверхностное рассеяние

Неровные поверхности [16] земных и родных массивов Земли рассеивают электромагнитную энергию, падающую на них, как показано на рис. 23.4, а. Рассеяние происходит во всех направлениях, в результате чего возникает потеря передаваемой энергии в направлении распространения.

Рис. 23.4. Рассеяние при отражении от земной поверхности и воды: а — геометрия траектории; б - рассеяние при отражении от земной поверхности; в — рассеяние морской поверхностью. (См. [118].)

Рассеяние в этом направлении распространения обычно бывает когерентным и амплитудные векторы частично складываются синфазно. Энергия, возвращающаяся обратно направлению падающего луча и именуемая обратным рассеянием,

обычно бывает некогерентной, и поэтому складывать можно лишь энергии. Свойства шероховатых поверхностей обычно описываются безразмерной величиной поперечным рассеивающим сечением на единицу поверхности.

Рассеяние от поверхности Земли измерялось [286, 346, 349, 369] на частотах от 0,4 до как для вертикальной, так и для горизонтальной поляризаций. Результаты, полученные Грантом и Япли [118] для типичных поверхностей Земли и среднего состояния морской поверхности, показаны соответственно на рис. 23.4, б и в. Видно, что рассеяние от Земли не сильно изменяется с углом падения, а также что при нормальном падении на поверхность моря наблюдается существенно зеркальное отражение; его можно трактовать как когерентный сигнал от зеркального изображения источника.

Другие наблюдения [110] рассеяния морской поверхностью показывают: а) существует критическое значение 0, уменьшающееся при увеличении частоты, ниже которого быстро снижается; б) имеется, по крайней мере, в области более низких частот, ярко выраженная поляризационная зависимость которая, в свою очередь, зависит от степени волнения моря; в) частотная зависимость изменяется от для спокойного моря почти до для бурного моря; г) иногда рассеяние оказывается сконцентрированным вблизи верхушек волн.

Для объяснения экспериментальных результатов разработано [261, 345, 351] несколько теорий. Рассеяние изучают с помощью моделей поверхности [275], которые могут быть идеально проводящими [262], с периодическими неровностями [188], или которые имеют, например, полусферические выступы [25]. Теоретические параметры связываются затем с непосредственно наблюдаемыми свойствами поверхности Земли. В другом методе рассеивающие свойства анализируются [2, 304] для идеализированных моделей поверхностей. Для случая отражения от Земли найдены [237] точные решения для слегка неровных поверхностей, таких как шоссе, и для травяных покрытий, которые состоят из тонких проводящих цилиндров с потерями.

Рассеяние морской поверхностью было интерпретировано оптической аналогией [68] и с помощью статистического анализа [82], учитывающего автокорреляцию нерегулярностей поверхности, которые дают хорошее соответствие с формой экспериментальных кривых для больших углов склонения. Катцин [155, 156] показал, что экспериментальная кривая зависимости рассеянной мощности от дальности согласуется с явлениями интерференции, вызываемыми отражением от поверхности воды. Позднее была разработана теория, в которой предполагается, что рассеяние вызывается небольшими отдельными участками или гранями поверхности, накладываемыми на основную поверхность больших волн или зыби. На эти грани падают прямые и отраженные от поверхности волны и при малых углах падеййя между этими волнами возникает вредная интерференция. Воздействие такой интерференции зависит от

радиочастоты и высоты морских волн, и оно определяет критический угол, поляризационную зависимость, сложную частотную зависимость и выбросы при малых углах падения. В случае малых углов падения также обнаружено, что наибольшее обратное рассеяние дают те грани, размеры которых сравнимы с длиной волны, а частотная зависимость определяется распределением размеров таких граней. Изменение при больших углах в зависимости от угла падения определяется распределением углов падения для таких граней.

Рис. 23.5. Отражение неровной поверхностью моря: а — типичный спектр морских волн; б - типичный радиоспектр; в — влияние волнения меря на соотношение спектров радио- и морских волн. (См. [21])

Сигнал, рассеиваемый поверхностью моря, слегка изменяется по частоте из-за эффекта Допплера, определяемого движением морских волн [384]. Аналитическая форма записи спектра волн дается выражением [22]

где энергетический спектр; частота волн, скорость ветра. Максимум приходится на частоту Функция, определяемая уравнением (23.17), показана пунктирной линией на рис. 23.5, а. Сплошная линия относится к типичному спектру волн на воде; на практике максимум получается на частотах порядка гц при ширине полосы по уровню половинной мощности порядка гц. Вторичные выбросы обычно наблюдаются из-за локальных особенностей ветра. Разработана [22] векторная модель рассеяния морской поверхности, в которой радиосигнал представляется в виде векторной суммы прямого сигнала который предполагается постоянным по величине и по фазе, и отраженного от воды сигнала, который состоит из когерентной части С и некогерентного слагаемого Последнее разлагается на два равных независимых ортогональных гауссовских вектора, ориентированных параллельно и перпендикулярно С. Величины С

и I связаны с геометрией волн и условиями на море через параметр волнения где стандартное отклонение для водной поверхности.

Радиочастотный спектр рассеяния морской поверхностью замерялся Бэрдом и Кацем [21] при длине волн 3,2 см. Передающая антенна с шириной луча 8° освещала около 20 зон Френеля, причем приемник находился на расстоянии Типичные результаты показаны на рис. 23.5, б; характерным является то, что радиочастотные спектры оказались шире спектров морских волн и в некоторых случаях по уровню половинной мощности простирались до 1 гц. Наблюдаемые меньшие выбросы, очевидно, обязаны своим происхождением гармоникам основной частоты спектра морских волн. На рис. 23.5, в приведен график зависимости отношения от параметра волнения, где представляет частоту, при которой уровень мощности падает до определенного значения, частоту, при которой в спектре волн находится максимальный пик. Такие кривые дают возможность определить приближенную форму радиочастотного спектра, если известны геометрия волны, длина электромагнитной волны, эффективная высота волн и частота, соответствующая максимуму в спектре морских волн. Были проведены [317] измерения амплитудных и частотных спектров рассеянных поверхностью моря радиоволн на частотах вплоть до при этом указывалось на когерентность обратного рассеяния [273].