Николай Крупенио - Радиоисследования планет с космических аппаратов

Как показали расчеты и экспериментальные измерения в метровом и дециметровом диапазонах, область на поверхности, участвующая в формировании отраженного сигнала, находится вблизи точки зеркального отражения. Эта точка на поверхности определяется из известного условия геометрической оптики — равенства угла отражения углу падения. Причем это условие выполняется не только для гладкой отражающей поверхности, но и для шероховатой, на которой характерные размеры неровностей существенно превышают (больше чем на порядок) используемую длину волны.

Мощность отраженных от поверхности планеты сигналов в основном определяется суммой однократных отражений от отдельных участков поверхности. Однако некоторую роль играют и многократные отражения, особенно в районах со сложным рельефом. При однократном отражении вклад одинаковых по размеру участков поверхности, но находящихся на разном удалении от расчетной точки зеркального отражения, различен. Больший вклад создают участки, расположенные ближе к точке зеркального отражения.

Если поверхность в районе расчетной точки зеркального отражения гладкая, то размеры области, создающей отраженный сигнал, будут определяться интерференцией (наложением) падающей на поверхность и отраженной от нее волн. Применительно к размерам Луны и для высот полета Н ≈ 100 км и углов падения Θ ≈ 60° линейный размер такой области составит величину около 1 км.

В случае неровной поверхности размер области, участвующей в формировании отраженного сигнала, существенно возрастает. Проведенные расчеты и выполненные эксперименты по бистатической радиолокации Луны показали, что размеры зоны формирования отраженного сигнала в метровом диапазоне возрастают в 10 и более раз по сравнению с размерами зоны, рассчитанной для гладкой модели поверхности. Для неровной поверхности размер зоны отражения определяется двумя величинами: расстоянием от КА до расчетной точки зеркального отражения и среднеквадратичным углом наклона поверхности, о котором мы уже рассказывали выше.

В результате обработки бистатических радиолокационных экспериментов могут быть получены два параметра: среднеквадратичные углы наклона поверхности и эффективная диэлектрическая проницаемость вещества поверхностного слоя. Первый параметр непосредственно определяется либо из частотного спектра отраженного сигнала при непрерывном излучении, либо из формы отраженного импульса при импульсной модуляции бортового передатчика. Для определения второго параметра обычно требуется измерение энергетического соотношения между прямым и отраженным сигналами. Значение же величины эффективной диэлектрической проницаемости может быть получено только путем сопоставления результатов эксперимента с модельными расчетами, в которые входят определенные значения σα и вариации значений ε для данного пространственного расположения передатчика, планеты и приемника.

Для разделения на наземном пункте прямого и отраженного сигналов используют либо их частотные различия за счет эффекта Доплера, либо временные различия их поступления на вход приемного устройства, так как отраженный сигнал всегда запаздывает относительно прямого. После разделения сигналов производится сопоставление их мощностей и затем уже анализ спектра отраженного сигнала.

Обычно бистатическая радиолокация проводится с помощью бортового передатчика, излучающего немодулированный сигнал, с последующим спектральным анализом отраженного сигнала.

Для повышения разрешения на поверхности в экспериментах по бистатической радиолокации (так же, как и в моностатической радиолокации) используется модуляция сигнала передатчика. Модуляция может быть либо импульсной, либо частотной.

В методе с импульсной модуляцией для коротких по длительности импульсов размер зоны отражения на поверхности будет зависеть от длительности импульса и угла падения радиоволн. Так, при длительности импульса в 10 мкс и угле падения Θ = 60° ширина зоны облучения поверхности составит 7,3 км. При сокращении длительности импульса в 10 раз соответственно сократится и зона облучения.

При использовании частотной модуляции (обычно с периодическим линейным изменением частоты во времени) разрешение по дальности (в направлении падения) будет зависеть от диапазона изменения частоты передатчика. Чем в большем диапазоне изменяется частота передатчика, тем больше может быть получено разрешение по дальности.

Использованием модуляции бортового передатчика с одновременным анализом на наземном пункте приема мгновенных спектров отраженных сигналов позволяет осуществить бистатическое радиолокационное картографирование поверхности, которое напоминает частотно-временное картографирование, проводимое при наземных радиолокационных исследованиях Луны и планет. Однако при прочих равных условиях проведение бистатической радиолокации с модулированным сигналом требует наличия передатчика большей мощности, чем при радиолокации с немодулированным сигналом. Поэтому эти виды бистатической радиолокации только начинают находить применение в планетных исследованиях.

К настоящему времени космические аппараты побывали на поверхности Луны, Марса и Венеры, исследовали с пролетной траектории или с орбиты искусственных спутников Луну, Венеру, Меркурий, Марс и Юпитер. С помощью большинства этих космических аппаратов проводились и радиофизические эксперименты.

Рассмотрим некоторые их результаты.

Из-за своей относительной близости к Земле Луна наиболее полно была изучена как наземными, так и космическими средствами, в том числе и радиофизическими методами.

Одним из первых радиофизических методов при исследовании Луны стала применяться радиолокация. На рис. 6 представлены результаты определения характеристик отражения грунтом поверхностного слоя Луны, полученные с помощью американских станций «Сервейер-6 и -7». Их сопоставление показывает, что горный (материковый) район в окрестностях лучевой системы кратера Тихо («Сервейер-7») создает значительно более широкую диаграмму обратного рассеяния, что соответствует большей степени шероховатости рельефа по сравнению с рельефом морского района.

Рис. 6. Удельная эффективная площадь рассеяния Луны по данным: а) «Сервейера-6» и б) «Ссрвейера-7»

В табл. 1 приведены результаты обработок проведенных моностатических радиолокационных экспериментов. Данные этой таблицы, в частности, показывают, что в районах, исследованных группой ученых Института космических исследований АН СССР с помощью автоматических станций серии «Луна» (на длине волны 3 см), в слое толщиной до 50 см эффективная диэлектрическая проницаемость варьируется от 1,7 до 5,7, что соответствует плотности грунта ρ = 0,68 — 2,63 г/см 3. Значения среднеквадратичных углов наклона в этих районах изменяются от 8,5 до 13,5°.