Функция отражения

Рассеивание электромагнитной волны возникает тогда, когда есть неоднородности среды распространения в виде того или иного объекта (самолет, грозовое облако, элементы земной поверхности и т.п.).

Отражающие (рассеивающие) свойства объекта определяются его геометрическими и электрическими характеристиками (формой, размерами, диэлектрической и магнитной проницаемостями материала объекта). Неоднородность (изменение) этих характеристик как поверхности объекта, так и его внутренней структуры вызывает рассеяние падающей на объект электромагнитной волны. Свойства рассеянного, в том числе отраженного в сторону облучения, поля определяются многочисленными факторами: свойствами объекта, параметрами облучающей волны, условиями облучения и приема отраженной волны. Поэтому определение функции отражения объекта представляется сложной и зачастую неоднозначной задачей.

В то же время существуют общие закономерности формирования отраженного от объекта поля и, следовательно, функции отражения:

I. Рассеянное поле возникает вследствие отличия свойств среды распространения электромагнитной волны от свойств объекта. Даже при полном поглощении объектом падающей волны (абсолютно черное тело) тем не менее образуется рассеянное объектом поле вследствие изменения среды распространения на границе объекта. Отдельные элементы объекта также имеют различные отражающие свойства, если их форма и свойства материала отличаются от соседних элементов объекта. Неоднородность свойств внутри объекта также может влиять на функцию отражения вследствие частичного проникновения электромагнитной волны облучения вглубь материала. При этом диэлектрическая и магнитная проницаемость материала объекта определяет длину волны и ее поглощение в материале.

Рассеивающие свойства объекта определяются в основном соотношением длины волны облучения и размеров неоднородностей. Так, если размер неоднородности меньше длины волны, рассеиваемое им поле невелико и определяется в основном объемом неоднородности, как, например, при отражении волны от облаков, дождя и других неоднородностей атмосферы. При размере неоднородности порядка длины волны наблюдается резонансное взаимодействие и большое рассеивание волны. Например, головки заклепок на крыле и щель люка самолета вызывают большое отраженное поле в сантиметровом диапазоне волны. Если размер неоднородностей намного больше длины волны, отражение имеет сложный характер взаимодействия различного типа волн.

Неоднородности объектов. По свойствам, влияющим на рассеяние волны, их можно разделить на два больших класса: шероховатые неоднородности (случайные поля) и гладкие неоднородности. Шероховатые поверхности формируют диффузное (во все стороны) отражение, а гладкие - зеркальное.

луг, степь летом,

Пересеченная местность наряду с неоднородностями поверхности имеет также неоднородности рельефа, СКО и радиус корреляции которого исчисляются десятками метров. Рельеф изменяет угол падения волны на шероховатую поверхность. Вследствие этого изменяется средняя мощность обратного рассеяния. Существует аналогичная зависимость мощности отраженного поля от угла падения на поверхность и других объектов (стены сооружений, ВПП, водная поверхность и т.п.). Границы стационарных участков поверхности могут быть и плавными (поле-кустарник-лес) и резкими (реки, дороги в лесу, пашня).

Гладкие неоднородности образуются поверхностями с малыми шероховатостями, когда СКО неоднородности меньше длины волны облучения. Такие неоднородности имеют поверхности большинства объектов военной техники и сооружений, представляющих собой сочетание различных геометрических фигур с достаточно гладкой поверхностью (плоскости, сферы, цилиндры, уголки). Это, например, самолеты, танки, РЛС, автомашины, корабли.

Неоднородности с малыми шероховатостями формируют в основном зеркальные отражения, так что суммарное рассеяние от группы гладких неоднородностей преобладает в одном или нескольких направлениях. В результате мощность отражения в этих направлениях значительно больше, чем при диффузном рассеянии. Наибольшая мощность обратного отражения (в сторону облучения) формируется неоднородностями в виде уголковых отражателей, а также плоскостями, ориентированными перпендикулярно направлению облучения. Неоднородности такого рода создают зеркальную область отражения, так называемую зеркальную точку, т.е. вся область отражения имеет один фазовый центр, из которого излучается отраженная всей областью волна. При этом расстояние между отдельными зеркальными точками на поверхности объекта превышает геометрические размеры неоднородностей, порождающих эти точки. Кроме того, положение зеркальных точек и мощность отраженной волны остаются стабильными при значительных изменениях углов облучения, наблюдения и длины волны.

Реальные поверхности объектов естественного и искусственного происхождения имеют как шероховатые, так и гладкие неоднородности и создают одновременно и диффузное, и зеркальное отражения. Соотношение между ними определяется размерами неоднородностей, длиной волны и направлением облучения. Особое влияние оказывают поляризационные характеристики волны облучения и приемной антенны. Наибольшее рассеяние происходит в том случае, когда вектор электрической напряженности поля совпадает с преобладающим размером неоднородности. Так, отражение от проводов линий электропередач максимально при горизонтальной поляризации волны и минимально при вертикальной.

Наряду с пространственными характеристиками отражения объектов существуют временные характеристики обусловленные изменением параметров отражения во времени. Если объекты не изменяют своих отражающих свойств за время синтезирования, либо их изменение априорно известно, они имеют когерентную во времени функцию отражения (неподвижная либо движущаяся по известному закону техника, лес при отсутствии ветра, отдельный участок морской волны, вращающиеся лопасти вертолета и т.п.). Когерентность функции отражения позволяет путем использования когерентной обработки траекторного сигнала синтезировать апертуру и получать высокое разрешение. При случайном движении объекта и его отдельных частей, при случайном изменении за время синтезирования его ракурса или длины волны РЛС происходит случайное изменение фазы и амплитуды отраженного поля, т.е. нарушается когерентность во времени. У реальных объектов всегда существуют когерентная и некогерентная составляющие отраженного поля. Соотношение мощностей когерентной и некогерент ной составляющих зависит от типа объекта и условий наблюдения, но обычно на интервале синтезирования мощность когерентной составляющей больше некогерентной. Некогерентная составляющая приводит к расширению функции неопределенности СА и повышению уровня боковых лепестков, что в свою очередь снижает детальность и контраст изображения.

Когерентность функции отражения во времени обусловлена постоянством параметров отражения и когерентностью поля облучения. В то же время функция отражения по пространству объекта в большинстве случаев носит случайный (некогерентный) характер. Это обусловлено тем, что отражающие свойства объекта зависят случайным образом от большого числа факторов (размеров неоднородностей, материалов объекта, длины волны, поляризации угла падения волны облучения и т.п.). В результате рассеянное поле по пространству объекта имеет случайные амплитуду и фазу. Изображение объекта также представляет собой шумовую зернистую картинку, так называемый спеклшум.

В отличие от фотографического, радиолокационное изображение состоит из отдельных случайных по амплитуде и фазе точек (элементов разрешения). Например, изображение взлетной полосы в сантиметровом диапазоне волн несмотря на ровный характер поверхности ВПП имеет случайное пространственное распределение интенсивности, т.е. зернистый, шумовой вид. Для получения гладкого полутонового изображения необходимо усреднение нескольких независимых реализаций шумовых изображений, полученных при различных длинах волн, поляризации, углах облучения и т.п. В оптическом диапазоне такое усреднение происходит, например, при фотографировании объекта в солнечном свете, который является некогерентным, состоящим из множества спектральных составляющих со случайными амплитудами, фазами и поляризацией.

У некоторых объектов, имеющих регулярную структуру, например трубопроводов, функция отражения по пространству объекта коррелированна. Такой объект называется пространственно-когерентным.