Николай Крупенио - Радиоисследования планет с космических аппаратов
Это открытие заставило по-новому взглянуть на возможности радиолокационных измерений — как метода дистанционного определения плотности поверхностного слоя планет. Было проведено сопоставление результатов определения плотности, полученных как с помощью радиофизических измерений, так и другими методами. Эти результаты оказались близкими по своему значению.
И, наконец, обратимся к явлению преломления радиолокационного сигнала. Оно не учитывается при моно- и бистатичеоких радиолокациях. Однако при исследовании условий распространения ультракоротковолновых сигналов выяснилось, что данную компоненту принимаемого радиолокатором сигнала следует учитывать. В частности, его интенсивность вблизи границы раздела двух сред также в основном зависит от эффективной диэлектрической проницаемости.
Моностатическая радиолокация. При осуществлении мягкой посадки автоматической станции на поверхность планеты необходимо проводить непрерывные измерения скорости движения и высоты полета автоматической станции. Эти данные поступают в бортовую систем}- управления станции при режиме активного управления посадкой пли при изменении режима работы корректирующих двигателей.
Измерения высоты полета и скорости движения обычно производятся с помощью радиолокационных высотомеров (рис. 4) и соответствующих датчиков скорости, в основе которых лежит принцип радиолокационного определения смещения частоты за счет эффекта Доплера. Однако эти приборы можно использовать не только по их прямому назначению, но и для исследовательских целей, т. е. для изучения физических характеристик поверхности планеты. Впервые радиовысотомер автоматической станции был использован для исследовательских целей при полете «Луны-9».
Рис. 4. Общий вид радиовысотомера автоматической станции «Луна-16», работающего в режиме приема—передачи
Интенсивность сигнала, поступающего на вход радиовысотомера, зависит от трех групп величин: энергетических характеристик прибора (мощности передатчика, характеристик антенны и т. д.), так называемой геометрии эксперимента (высоты полета, углов наблюдения) и физических характеристик отражающей поверхности. Первые две группы параметров определяются либо путем калибровки, проводимой до эксперимента, либо с помощью телеметрических измерений, осуществляемых в ходе эксперимента. Это позволяет вычислять физические характеристики поверхности по величине интенсивности принимаемого сигнала (т. е. при известных величинах первых двух групп параметров).
По интенсивности сигнала, поступающего при моностатической радиолокации на вход приемника (высотомера), определяется так называемая удельная эффективная площадь рассеяния — величина, характеризующая переизлучение радиосигнала в обратном направлении единичной площадкой поверхности. Важность определения этой величины в том, что она не зависит от высоты полета и ее можно многократно получать во время спуска космического аппарата. Кроме того, поскольку космический аппарат во время спуска испытывает колебания относительно своего центра тяжести, то вычисляемая удельная эффективная площадь рассеяния измеряется при различных углах падения радиолокационного сигнала, а это и позволяет, в конечном итоге, определить диаграмму обратного рассеяния.
Отметим также, что при углах падения Θ ≈ 0° удельная эффективная площадь рассеяния определяется коэффициентом отражения, вычисленном для случая облучения поверхности по нормали к ней. Таким образом, по интенсивности сигнала, поступающего на вход приемника, и по характеру ее изменения (в ходе эксперимента) можно найти коэффициент отражения радиосигнала поверхностью, а также и степень ее шероховатости. Наконец, используя подобный метод измерения, легко определяются эффективная диэлектрическая проницаемость и плотность грунта.
Бистатическая радиолокация. При бистатической радиолокации приемник может принимать не только прямой сигнал передатчика, но и сигнал, отраженный поверхностью планеты. Исходной информацией для анализа характеристик отражения поверхности являются спектр отраженного сигнала и отношение интенсивностей прямого и отраженного сигналов.
Для бистатических радиолокационных экспериментов главным образом используют искусственные спутники Луны и планет, так как в этом случае могут быть проведены многократные измерения.
Бистатическая радиолокация обычно выполняется но следующей схеме. На борту искусственного спутника располагается передатчик, который генерирует модулированные либо монохроматические сигналы.
Чаще всего этот передатчик является элементом системы передачи телеметрической, телевизионной и другой информации с КА на наземный пункт приема. Прием прямого сигнала и сигнала, отраженного поверхностью планеты, производится на наземном пункте, где устанавливается аппаратура для анализа спектра отраженного сигнала.
Бистатическая радиолокация также может проводиться и с использованием радиоаппаратуры двух космических аппаратов. В экспериментах по бистатической радиолокации часто используются антенны с широкой и круговой диаграммами направленности (рис. 5).
Рис. 5. Схема бистатической радиолокации Венеры: 1 — передающая антенна искусственного спутника Венеры; 2 — приемная антенна Центра дальней космической связи; 3 — приемная антенна радиолинии «космический аэростат — искусственный спутник Венеры»; 4 — прямой сигнал; 5 — передающая антенна аэростата; 6 — отраженный сигнал; 7 — поверхность Венеры
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.
