Декаметровыми радиоволнами называются электромагнитные волны длиной от 10 до 100 метров, что соответствует частотам от 3 до 30 МГц. Различают два механизма распространения декаметровых радиоволн:
• поверхностной волной, за счет дифракции на сфере Земли;
• пространственной волной при ионосферной рефракции.
В первом случае дальность действия радиолокационной станции может достигать 300 – 400 км, во втором – 3000 – 4000 км. Независимо от того, какой тип распространения радиоволн используется в РЛС, одновременно могут иметь место оба механизма распространения. Поэтому и зондирующие сигналы, и устройства их обработки должны обеспечивать однозначность измерений по дальности, помехоустойчивость к пассивным помехам. Мы будем рассматривать РЛС с поверхностным типом волны.
Физические принципы мониторинга морской поверхности загоризонтной РЛС поверхностной волны декаметрового диапазона
Использование РЛС КВ-диапазона поверхностной волны позволяет решить задачу контроля движения судов, ледовой обстановки и метеоусловий, включая определение кромки ледового покрова, степень волнения моря практически в любом прибрежном районе в реальном масштабе времени.
В число оцениваемых с помощью КВ РЛС гидрофизических и метеорологических параметров входят: направление и сила ветра у поверхности моря, направление распространения и средняя высота морских волн, степень волнения, скорость и направление поверхностных течений. Специфический характер спектра отраженного морем сигнала позволяет с высокой достоверностью обнаруживать границы типа « лед-море » и измерять дрейф льдин, а по интенсивности отраженных сигналов определять характер ледяного покрова.
На рисунке 1 представлен модельный спектр отражений от морской поверхности, изучение которого показало [ 1 ], что частотные компоненты, соответствующие узким пикам спектра в районе частоты Брегга f Бр, обусловлены так называемыми отражениями первого порядка( на рисунке соответствуют относительным частотам F отн = +,– 1). Физически это соответствует случаю, когда радиоизлучение, длиной λ, рассеивается совокупностью морских волн, имеющих пространственную протяженность между гребнями, равную λ / 2. Отражения от каждого гребня таких волн имеют разность хода равную и поэтому суммируются синфазно.
,
где g – ускорение свободного падения – длина волны радара.
Например, для несущей частоты 22 МГц Брегговские пики соответствуют частотам
Это эквивалентно радиальной скорости
где f – доплеровское смещение частоты отраженного сигнала.
Остальные компоненты спектра помех от моря обусловлены отражениями более высоких порядков, в основном второго порядка. Последнему соответствует случай, когда радиоволна последовательно отражается от двух совокупностей морских волн разной протяженности, обеспечивающих общую разность хода отраженных лучей РЛС, близкую к λ.
Резонансный характер взаимодействия радио- и морских волн и детерминированная фазовая скорость последних позволяют связать основные параметры морского волнения и возбуждающего его ветра с параметрами спектра отраженного морем сигнала. Основой для разработки методов определения состояния морской поверхности по данным КВ РЛС является теория рассеяния коротких радиоволн на взволнованной морской поверхности [ 1 ]. В аналитической форме связь характеристик сигналов, рассеянных морской поверхностью, со свойствами морского волнения выражается формулами для удельной эффективной площади рассеяния морской поверхности, полученными в результате решения электродинамической задачи о рассеянии электромагнитных волн на хорошо проводящей статистически неровной морской поверхности с малыми и пологими неровностями модифицированным методом малых возмущений.
Теория взаимодействия радио- и морских волн первого порядка описывает возникновение наиболее интенсивных пиков в доплеровском спектре отраженного морем сигнала( так называемые брегговские линии). Соотношение амплитуд этих линий для « приближающейся » и « удаляющейся » систем волн( то есть в около – f Бр и + f Бр) несет информацию о генеральном направлении распространения морских волн и ветра у поверхности моря относительно угла визирования( параметр А на риссунке 1). Как показали экспериментальные исследования, ширина брегговских линий на уровне 10 дБ несет информацию о скорости ветра, воздействующего на морскую поверхность( параметр G). Кроме того, положение брегговских линий по частоте детерминировано, любое их одновременное смещение вправо или влево позволяет делать вывод о наличии поверхностных течений, их направлении и скорости( параметр В).
Теория резонансного взаимодействия второго порядка описывает континуальный доплеровский спектр рассеянного морем сигнала, сосредоточенный вокруг брегговских линий. Этот спектр содержит основную информацию о морском волнении. Огибающая спектра справа и слева
61