Измерение обратного отражения рупорными антеннами с дифракторной развязкой

Коэффициент обратного рассеяния является основным параметром, содержащим информацию о зондируемом объекте, в частности почвенно-растительных средах.

В настоящее время разработано много моделей в основном в эмпирических или полуэмпирических видах [1–4]. Объясняется это большой сложностью и многофакторностью земных покровов. Однако во многих случаях, например, при небольших значениях глубины проникновения поля в среду, почвенный покров можно считать однородным. В этом случае можно получить строгое выражение для коэффициента обратного рассеяния и обобщить его на случай неровной поверхности.

Если в плоскости падения электромагнитной волны лежит вектор E (ТМ-мода), то коэффициент обратного рассеяния имеет вид

a (q)= Mb/V li2l ■ + где F(φ1) – диаграмма направленности; G – коэффициент усиления антенны радара; VL (ф), V (ф) - коэффициенты Френеля:

_х  Z ^! cosф, - Z ^! cosф₇

V ! ^{( ф} 1 ) = ~-----

Z 1 cos ф 1 + Z ₂ cos ф ₂

Z

Z 1^{1 cos} ф 1 ^- Z 2^cos ф 2

М |^{( ф} 1 ) =                „и ,

Z 1| cos ф 1 + Z 2 cos ф 2

||

Z 1

^k 1 = ^k 0 ^1 ^k 2

to

c

^+[ 1 - 1 ^/2< ^ф ) ]

1 + sin ф ) + 48m 2 ф

«W | , (1)

GFЫ V (0)

V 2 (0) e -kh +[ 1-^(0) ] e -kh² ’

и если вектор H лежит в плоскости падения (ТE-

мода), то

a hh ( Ф 1 ) = 201g { a [ V 2 ( Ф ) e k ^ф 1 +

где ф - угол падения на поверхность раздела сред (угол между осью диаграммы направленности и нормалью к поверхности; ф ₂ - угол преломления. Параметры h 1 и h 2 в формулах (1), (2) – это границы излучающих объемов в средах 1 и 2. Они определяются из уравнений энергетического баланса в первой и второй средах. Приближенно, при 2 < s' _1i2 <  10 h 1, ₂ =------- , ^ ------ . Здесь е' 1,2 и е " 1,2 , дейст-

V2Л-^^Е‘,2 + £[,2 - £1,2

+ [1 — К2(Ф1)]

e

ГТ/2У

-2 i^h ? / 1— ~ sin ² ф ' ' V I k 2 )

cos ² ф

a±

GF (Ф1) VL( 0)

V ²(0) e ’ ^ik 1 h + [ 1 - V |² (0) ] e ’ ^{ik 2 h 2} ,

вительная и мнимая части диэлектрической проницаемости; X - длина волны в вакууме. Формулы (1) и (2) приближенно обобщаются на случай неровной границы раздела сред, умножив коэффициенты Френеля на exp(- k A cos ф ₂); А - СКО неровностей.

Для пояснения физического механизма, лежащего в основе получения формул (1) и (2), приведем рис. 1.

Рис. 1. Cхема формирования радиолокационного отражения

Рис. 2. Установка для измерения обратного отражения почвенного покрова

Рис. 3. Зависимость коэффициента обратного рассеяния почвенного покрова от угла падения

В соответствии с рис. 1, волна, излученная радаром А, падает в направлении АО на границу x O y . В точке О одновременно возбуждаются волны, отраженные в направлении ОВ и преломленные в направлении ОС. Своим полем эти волны возбуждают (поляризуют) среды 1 и 2, в результате образуются пере-излученные (встречные) волны, распространяющиеся по тем же траекториям, только в обратном направлении. Таким образом, в сторону радара А приходят две обращенные волны, которые и образуют обратное или радиолокационное отражение.

В данной работе проведено измерение коэффициента обратного рассеяния реальной почвы. Общий вид установки приведен на рис. 2.

Измерения проводились с помощью рупорных антенн П6-23 шириной диаграммы направленности Δθ = 27º, коэффициентом усиления G = 13 дБ. Раскрывы апертуры антенн 1 и 2 лежат в одной плоскости и для дополнительной электромагнитной развязки применен дифракционный элемент в виде прямоугольной проводящей пластины 3, размеры которой выбирались в соответствии с размерами апертуры и длины волны. Одна из антенн подключалась к генератору, другая к приемному устройству. Измерения проведены при частоте сигнала f = 1,5 ГГц.

При расчетах коэффициента обратного рассеяния по (1) и (2) диэлектрическая проницаемость почвы принималась как ε = 16,5 – i 0,099, что соответствует смеси содержанием 50 % песка влажностью 15 и 50 % глины влажностью 15 %. Поверхность раздела сред считается шероховатой со среднеквадратическим отклонением неровностей Δ = 0,001 6 м.

Теоретические (сплошные и штрихпунктирные линии) и измеренные (треугольные и точечные символы) значения коэффициентов обратного рассеяния показаны на рис. 3. Здесь по оси ординат отложены относительные значения коэффициента обратного рассеяния σ / σ 0 , дБ, где σ 0 соответствует обратному отражению от металлической поверхности при ϕ = 0. По оси абсцисс отложены значения углов падения ϕ в градусах.

Данные 1 относятся к вертикальной поляризации, данные 2 – к горизонтальной поляризации. Из рис. 3 следует, что при 0º < ϕ < 30º экспериментальные и расчетные данные согласуются, при ϕ > 30º наблюдаются расхождения. Данное расхождение связано с недостаточным динамическим потенциалом аппаратуры.