Рассеяние электромагнитных волн миллиметрового диапазона природными и антропогенными объектами

УДК 621.537 
ББК 32.842 
         П12 
 
 
Рецензенты:  
  д-р техн. наук, проф. Н.А. Бей;  
д-р техн. наук Э.П. Спирин  
 
 
Павельев В. А.  
Рассеяние электромагнитных волн миллиметрового 
диапазона природными и антропогенными объектами /  
В. А. Павельев, Д. В. Хаминов ; под ред. д-ра техн. наук 
В. Л. Cолунина. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2009. –  277, [3] с. : ил. 

  ISBN 978-5-7038-3232-5 

В книге собраны и систематизированы материалы отечественной и зарубежной литературы по исследованию отражающих характеристик широкого класса земных подстилающих поверхностей 
(ПП) природного (естественного) и антропогенного происхождения, 
а также объектов местности в 8-мм диапазоне электромагнитных 
волн (ЭМВ). Приведены данные о средних значениях удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) для основных элементов 
ландшафта во всем диапазоне зенитных углов, зависимости изменения УЭПР от физических характеристик ПП, дана методика априорного определения УЭПР по таким информационным материалам, 
как топографические карты, фотоснимки, климатические и погодные сводки. Рассмотрены вопросы по определению эффективной 
площади рассеяния (ЭПР) для ряда антропогенных объектов, находящихся на земной поверхности. 
Приведенные эмпирические модели можно использовать для 
прогнозирования поведения УЭПР и ЭПР при изменении параметров поверхностей под влиянием сезонных и погодных условий. 
Для специалистов, занимающихся вопросами мониторинга 
земной поверхности, проектированием радиотехнических систем 
навигации и наведения в миллиметровом диапазоне. 
 
                                                    УДК 621.537 
                                                                                                         ББК 32.842 

 
                                  © Павельев В.А., Хаминов Д.В., 2009 
 
 © Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3232-5                                        им. Н.Э. Баумана, 2009 

П12 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..................................................................................... 
7 
Список основных условных обозначений..................................... 10 
Список основных сокращений ...................................................... 12 

1. Специфика рассеяния электромагнитных волн  
    8-мм диапазона природными и антропогенными  
    элементами ландшафта ...........................................................  13 
1.1. Особенности взаимодействия ЭМВ 8-мм диапазона  
       с элементами ландшафта .....................................................  13    
1.2. Классификация элементов ПП ............................................ 19 
1.3. Требования к базе данных по УЭПР и ЭПР........................ 22 

2. Фоновые подстилающие поверхности .................................. 25 
2.1. Основные характеристики ПП ............................................ 25 
2.2. Информационные материалы о местности ........................  29 
2.3. Теоретические модели представления УЭПР ПП .............  32 

3. Опорные поверхности – основа представления  
    удельных эффективных площадей рассеяния  
    подстилающих поверхностей ................................................. 38 

4. Отражающие свойства опорных подстилающих 
    поверхностей .............................................................................. 42 
4.1. Антропогенные ПП ..............................................................  42 
4.2. Почвы ..................................................................................... 53 
4.3. Гидрогенные поверхности: вода, лед, снег ........................ 64 
4.4. Растительные покровы ......................................................... 94 
4.5. Аналитическое представление УЭПР ПП .......................... 124 
4.6. Оценка точности представления УЭПР ПП........................ 130 
4.7. Флуктуации сигналов от разных типов ПП ........................ 132 

5. Сезонные и погодные вариации удельной  
    эффективной площади рассеяния ......................................... 135 

Оглавление 
6 

5.1. Сезонные изменения элементов ландшафта  
       для средней полосы .............................................................. 135 
5.2. Влияние снежного покрова на УЭПР.................................. 136 
5.3. Кратковременные вариации УЭПР ..................................... 143 

6. Контрастные характеристики удельной эффективной  
    площади рассеяния подстилающих поверхностей ............. 150 
6.1. Способы представления контрастных  
       характеристик УЭПР............................................................. 150 
6.2. Сезонные изменения контрастов ......................................... 158 

7. Отражающие свойства антропогенных объектов............... 162 
7.1. Определение и классификация АО ..................................... 162 
7.2. Элементы АО, определяющие их ЭПР................................ 163 
7.3. Формирование данных по ЭПР АО на основе натурных,  
       теоретических и модельных экспериментов....................... 165 
 7.4. Параметры представления ЭПР АО ................................... 172 

8. Эффективная площадь рассеяния основных типовых 
    антропогенных объектов ......................................................... 176 

8.1. Автомобили ........................................................................... 177 
8.2. Железнодорожный подвижной состав ................................ 181 
8.3. Воздушный транспорт .......................................................... 183 
8.4. Водный транспорт ................................................................ 194 
8.5. Другие локальные объекты .................................................. 198 
8.6. Линейные протяженные объекты ........................................ 204 
8.7. Объекты с вертикальной ориентацией ............................... 211 
8.8. Площадные объекты ............................................................. 214 
8.9. Сводные таблицы ЭПР и УЭПР АО .................................... 218 

9. Анализ контрастов антропогенных объектов  
    на фоне различных подстилающих поверхностей .............. 225 
Заключение....................................................................................... 230 
Литература ....................................................................................... 234 
Приложения...................................................................................... 240 
П1. ЭПР простых тел.................................................................... 240 
П2. УЭПР для ЭМВ диапазона 0,3…3,2 см ............................... 253 
П3. Шероховатые уголковые отражатели.................................. 260 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В работе представлены отражающие свойства подстилающих (фоновых) поверхностей (ПП) и ряда объектов  
местности антропогенного происхождения применительно к  
8-мм диапазону электромагнитных волн (ЭМВ) для однопозиционных радиолокационных станций, реализованные в виде каталогов удельных эффективных площадей рассеяния 
(УЭПР) и эффективных площадей рассеяния (ЭПР). Актуальность появления этих материалов диктуется развивающимися в последнее время такими концептуальными областями знаний, как дистанционное зондирование (ДЗ) земной 
поверхности с летательных аппаратов (ЛА) и математическое 
моделирование в решении широкого спектра научных и прикладных задач, информационными параметрами которых  
являются характеристики рассеяния миллиметровых волн 
различными подстилающими поверхностями. Из них наиболее важными можно считать: 
1) дистанционный многопрофильный мониторинг, обеспечивающий контроль состояния сельскохозяйственных угодий, лесов, коммуникаций, последствий природных и антропогенных катаклизмов и многое другое; 
2) обеспечение задач навигации ЛА и судов по информативным элементам местности; 
3)  расчет и обоснование энергетических и информационных параметров радиолокаторов (РЛ) земного обзора и систем  связи в этом диапазоне радиоволн. 
Реализация задач математического и полунатурного моделирования с использованием параметров земной поверхности и объектов на ней, позволяющая существенно сократить 
затраты на исследования и разработку различных комплексов, также требует знания отражающих характеристик мест

Предисловие 
8 

ности. Однако, как показывает анализ, приводимые в литературе данные по отражающим характеристикам различных 
ПП и объектов часто весьма противоречивы и не позволяют 
использовать их для расчетов контрастов радиояркостного 
изображения местности и определения параметров РЛ. 
Наличие значительных расхождений в приводимых данных обусловлено большим разнообразием условий, в которых 
проводились измерения отражающих характеристик того или 
иного объекта или поверхности (погода, влажность, структура, угол, под которым проводилось облучение, и многое другое). В большинстве своем эти условия вообще не указывались в описаниях экспериментальных результатов. 
Кроме того, большое разнообразие и сложность структуры 
земной поверхности, наличие растительного покрова не позволяют получать точные решения поставленных задач расчетными методами электродинамики, в связи с чем приходится 
использовать экспериментальные данные, в ряде случаев аппроксимируя их из других диапазонов ЭМВ. Обширная литература по определению УЭПР и ЭПР (см., например [7, 21, 23, 
36, 45, 50, 54, 65, 66]) в большинстве случаев не позволяет 
пользователю провести априорную оценку средних значений 
УЭПР для конкретного участка местности с заданным набором объектов ландшафта и определить с требуемой точностью 
радиоконтрасты объектов на местности.   
В настоящей книге сделана попытка свести воедино весь 
имеющийся у авторов материал как по УЭПР элементов  
местности, так и ЭПР отдельных объектов антропогенного 
происхождения и их радиоконтрастам в широком диапазоне 
углов зондирования и вида поляризации. Наличие такого материала позволит с большой достоверностью давать оценку 
информативности местности и контрастности находящихся 
на ней объектов с учетом погодных и сезонных условий. 
Материал книги разделен на два больших подраздела, что 
связано со спецификой отражающих объектов. 
В гл. 2–6 приведены данные о средних значениях УЭПР 
ПП для основных элементов ландшафта во всем диапазоне 
зенитных углов, полученные из литературных и экспериментальных источников, и зависимости изменения УЭПР от фи

Предисловие 
9 

зических характеристик ПП. Дана методика априорного определения УЭПР при наличии таких информационных материалов, как топографические карты, фотоснимки, климатические 
и почвенные каталоги, а также метеорологические данные. 
В гл. 7–9 приведены значения ЭПР типовых объектов местности антропогенного происхождения для различных углов 
облучения, полученные на основе использования натурных и 
модельных исследований и теоретических зависимостей с 
учетом конструктивных характеристик этих объектов. 
Данные экспериментов и эмпирические закономерности 
позволили откорректировать параметры многочисленных 
теоретических расчетов по отражающим свойствам тех или 
иных объектов. 
В приложении П1 приведены формулы для расчета ЭПР 
простых тел, в приложении П2 кратко рассмотрены отличия 
УЭПР для диапазонов 3,2, 2,0, и 0,3 см относительно диапазона 0,86 см. В приложении П3 приведена методика расчета 
УЭПР шероховатых уголковых отражателей (ШУО), из которых состоит большое число антропогенных объектов. 
Авторы выражают глубокую признательность рецензентам – доктору технических наук, профессору Н.А. Бею и доктору технических наук Э.П. Спирину за творческое обсуждение содержания книги и сделанные ценные замечания, а также благодарят В.В. Бурова, Н.К. Михайлова и Е.Г. Щукину 
за помощь в оформлении материалов книги. 
 

 

СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 

D – расстояние до объекта 
ϑ – угол, отсчитываемый от вертикали (угол зондирования, зенитный угол) 
ψ – угол, отсчитываемый от горизонтальной  плоскости 
(угол скольжения, угол места) 
ϕ – азимутальный угол 

⊥
ϕ  – угол в азимутальном направлении между максимумом отражения и направлением зондирования 

p
r
S
l lϕ
=
 – площадь элемента разрешения радиолокатора 

lr – размер элемента разрешения в радиальном направлении 
lϕ – размер элемента разрешения в азимутальном направлении 
L – длина антропогенного объекта  
В – ширина антропогенного объекта 
Н – высота антропогенного объекта и неровностей у подстилающей поверхности  
h – СКО неровностей подстилающей поверхности 
σ – эффективная площадь рассеяния  
σ0 – удельная эффективная площадь рассеяния 
Iизл – интенсивность излученной волны 

oтp
I
  – интенсивность отраженной волны 

2
0
K
–  энергетический коэффициент отражения при нор
мальном падении электромагнитной волны 
f – частота электромагнитной волны 

Список основных условных обозначений 
11

λ – длина электромагнитной волны 
Λ – пространственная длина волны различных подстилающих поверхностей с периодической структурой 
G – величина волнения моря в баллах, коэффициент усиления антенны  

h
σ – мелкомасштабные средние квадратичные отклонения поверхности от средней линии 

к
h
σ
– крупномасштабные средние квадратичные откло
нения поверхности от средней линии 
lxy – мелкомасштабный радиус пространственной корреляции 
lxy
 
к – крупномасштабный радиус пространственной корреляции 
tgβ– тангенс средних квадратичных отклонений углов 
наклона поверхности 
(
)
xy
R l
– автокорреляционная функция неоднородностей 

поверхности 
ρ  – плотность вещества 
m – удельная масса единицы поверхности (объема) 
ε  – комплексная диэлектрическая проницаемость, ε = 

1
2
j
= ε + ε  

1ε  – действительная часть ДП, определяющая отраженный сигнал 

2
ε  – мнимая часть ДП, связанная с потерями электромагнитного излучения в данном материале 

2
1
tg
/
δ = ε
ε – тангенс угла потерь 
w – влажность, водность 
wv – влажность объемная 
wva – влажность абсорбционная 
ξ – коэффициент затухания (поглощения, ослабления) в 
среде