Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Рассеяние электромагнитных волн миллиметрового диапазона природными и антропогенными объектами

Покупка
Артикул: 800423.01.99
Доступ онлайн
1 400 ₽
В корзину
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.
Павельев, В. А. Рассеяние электромагнитных волн миллиметрового диапазона природными и антропогенными объектами : монография / В. А. Павельев, Д. В. Хаминов ; под ред. В. Л. Cолунина. - Москва : МГТУ им. Баумана, 2009. - 277 с. - ISBN 978-5-7038-3232-5. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1957593 (дата обращения: 23.05.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
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 отечествен-
ной и зарубежной литературы по исследованию отражающих харак-
теристик 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 эф-
фективной площади рассеяния (УЭПР) для основных элементов 
ландшафта во всем диапазоне зенитных углов, зависимости измене-
ния УЭПР от физических характеристик ПП, дана методика априор-
ного определения УЭПР по таким информационным материалам, 
как топографические карты, фотоснимки, климатические и погод-
ные сводки. Рассмотрены вопросы по определению эффективной 
площади рассеяния (ЭПР) для ряда антропогенных объектов, нахо-
дящихся на земной поверхности. 
Приведенные эмпирические модели можно использовать для 
прогнозирования поведения УЭПР и ЭПР при изменении парамет-
ров 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 подсти-
лающих (фоновых) поверхностей (ПП) и ряда объектов  
местности антропогенного происхождения применительно к  
8-мм диапазону электромагнитных волн (ЭМВ) для однопо-
зиционных радиолокационных станций, реализованные в ви-
де каталогов удельных эффективных площадей рассеяния 
(УЭПР) и эффективных площадей рассеяния (ЭПР). Акту-
альность появления этих материалов диктуется развиваю-
щимися в последнее время такими концептуальными облас-
тями знаний, как дистанционное зондирование (ДЗ) земной 
поверхности с летательных аппаратов (ЛА) и математическое 
моделирование в решении широкого спектра научных и при-
кладных задач, информационными параметрами которых  
являются характеристики рассеяния миллиметровых волн 
различными подстилающими поверхностями. Из них наибо-
лее важными можно считать: 
1) дистанционный многопрофильный мониторинг, обес-
печивающий контроль состояния сельскохозяйственных уго-
дий, лесов, коммуникаций, последствий природных и антро-
погенных катаклизмов и многое другое; 
2) обеспечение задач навигации ЛА и судов по информа-
тивным элементам местности; 
3)  расчет и обоснование энергетических и информацион-
ных параметров радиолокаторов (РЛ) земного обзора и сис-
тем  связи в этом диапазоне радиоволн. 
Реализация задач математического и полунатурного мо-
делирования с использованием параметров земной поверхно-
сти и объектов на ней, позволяющая существенно сократить 
затраты на исследования и разработку различных комплек-
сов, также требует знания отражающих характеристик мест-

Предисловие 
8 

ности. Однако, как показывает анализ, приводимые в литера-
туре 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 дан-
ных обусловлено большим разнообразием условий, в которых 
проводились измерения отражающих характеристик того или 
иного объекта или поверхности (погода, влажность, структу-
ра, угол, под которым проводилось облучение, и многое дру-
гое). В большинстве своем эти условия вообще не указыва-
лись в описаниях экспериментальных результатов. 
Кроме того, большое разнообразие и сложность структуры 
земной поверхности, наличие растительного покрова не поз-
воляют получать точные решения поставленных задач расчет-
ными 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 опре-
деления УЭПР при наличии таких информационных материа-
лов, как топографические карты, фотоснимки, климатические 
и почвенные каталоги, а также метеорологические данные. 
В гл. 7–9 приведены значения ЭПР типовых объектов ме-
стности 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 диапа-
зона 0,86 см. В приложении П3 приведена методика расчета 
УЭПР шероховатых уголковых отражателей (ШУО), из ко-
торых состоит большое число антропогенных объектов. 
Авторы выражают глубокую признательность рецензен-
там – доктору технических наук, профессору Н.А. Бею и док-
тору технических наук Э.П. Спирину за творческое обсужде-
ние содержания книги и сделанные ценные замечания, а так-
же 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 зондирова-
ния, зенитный угол) 
ψ – угол, отсчитываемый от горизонтальной  плоскости 
(угол скольжения, угол места) 
ϕ – азимутальный угол 

⊥
ϕ  – угол в азимутальном направлении между максиму-
мом отражения и направлением зондирования 

p
r
S
l lϕ
=
 – площадь элемента разрешения радиолокатора 

lr – размер элемента разрешения в радиальном направле-
нии 
lϕ – размер элемента разрешения в азимутальном направ-
лении 
L – длина антропогенного объекта  
В – ширина антропогенного объекта 
Н – высота антропогенного объекта и неровностей у под-
стилающей 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 нормальном 
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 отклонения 
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

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 

АО  
– антропогенный объект 
ВПП  – взлетно-посадочная полоса 
ДНА  – диаграмма направленности антенны 
ДОР  – диаграмма обратного рассеяния 
ДП  
– диэлектрическая проницаемость 
ж.-д.  – железнодорожный 
КО  
– контрастный объект 
ЛА  
– летательный аппарат 
ПП  
– подстилающая поверхность 
РЛ  
– радиолокатор 
РЛС  – радиолокационная станция 
СКО  – среднее квадратичное отклонение 
СХК  – сельскохозяйственные культуры 
УО  
– уголковые отражатели 
УЭПР – удельная эффективная площадь рассеяния 
ШУО – шероховатые уголковые отражатели 
ЭМВ – электромагнитные волны 
ЭПР – эффективная площадь рассеяния 
ЭР  
– элемент разрешения  

1. СПЕЦИФИКА РАССЕЯНИЯ 
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН  
8-мм ДИАПАЗОНА ПРИРОДНЫМИ  
И АНТРОПОГЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 
ЛАНДШАФТА 

1.1. ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭМВ  
8-мм ДИАПАЗОНА С ЭЛЕМЕНТАМИ ЛАНДШАФТА 

Целый ряд задач народнохозяйственного, научного и обо-
ронного значения требует знания отражающих характеристик 
различных объектов и фоновых подстилающих поверхностей 
(ПП) в различных диапазонах электромагнитных волн (ЭМВ). 
Из всего спектра ЭМВ в настоящее время все большее значе-
ние приобретает диапазон миллиметровых волн и, в частности, 
диапазон 8-мм волн, который обеспечивает: 
• большую дальность действия (до 10 км) в различных 
метеорологических условиях; 
• хорошее разрешение на местности при малых габаритах 
антенных устройств; 
• большой динамический диапазон значений удельной 
эффективной площади рассеяния (УЭПР) и радиоконтрастов 
как ландшафтных образований, так и объектов антропоген-
ного происхождения, расположенных на местности. 
Специфика взаимодействия ЭМВ 8-мм диапазона с при-
родными и антропогенными элементами ландшафта заклю-
чается в следующем. 
1. Как известно [50], величина сигнала, отраженного от 
раздела двух сред, одна из которых – воздух, определяется 
формулами Френеля: 

Доступ онлайн
1 400 ₽
В корзину