Электромагнитные волны

Характеристики волн
Для понимания сущности радиозондирования Земли необходимо опираться на физическую модель, в нашем случае ею являются уравнения Максвелла в среде.
Сенсор, расположенный на спутнике, излучает электромагнитную волну. Ее характеристики:
Длина - расстоянием между соседними пиками;
Частота – величина, равная с/λ, где с- скорость распространения EM-волн в среде (в вакууме 3*108 [м/с]), а λ – длина волны;
Волновой вектор, который указывает направление распространения волны;
Эллипс поляризации – траектория, которую описывает вектор напряженности поля E. Без ограничения общности можносказать, что EM-волна обладает эллиптической поляризацией, которая может вырождаться в круговую и линейную.




Максвелловская теория утверждает, что в плоской монохроматической волне вектор магнитного поля H и электрического E расположены перпендикулярно друг к другу (см. рис).

Классификация используемых частот
Для радиолокации используют частоты (длины волн), определенные следующим образом:
Название Частота, МГц Длина волны, см
Ka Band
40,000-26,000
0.8-1.1
K Band
26,500-18,500
1.1-1.7
Ku band
18,500- 12,500
1.7-2.4
X Band
12,500-8,000
2.4-3.8
C Band
8,000-4,000
3.8-7.5
S Band
4,000- 2,000
7.5-15.0
L Band
2,000-1,000
15.0-30.0
P Band
1,000- 300
30.0-100.0
Такой набор длин волн "удобен" тем, что посредством сканирования одного и того же участка поверхности разными блоками можно получить о нем разнообразную, информацию, скажем, как о рельефе, так и о растительности. Иными словами, поглощение и отражение волн - некоторая функция от их длин. "Снизу" длины используемых ограничены поглощением и рассеянием, о котором будет сказано ниже. "Сверху" диапазон длин волн ограничиваются по следующей причине: при разработке конкретной аппаратуры немаловажную роль играет возможность получить хорошие направленные свойства антенны при заданных её параметрах. Как известно, коэффициент усиления антенны равен где SA - геометрическая площадь раскрыва антенны; ηs - коэффициент использования площади раскрыва.
Таким образом, уменьшать λ целесообразно также и для увеличения G при заданных габаритах антенны.

Ka Band, K Band, Ku band и X Band используются для радиолокаторов, расположенных на воздушных радарных системах, но первые три блока уже довольно редки.
C Band и L Band используются для получения данных как с воздуха, так и из космоса, тогда как S Band применяется только для зондирования со спутников.
P Band используется NASA для экспериментальных исследований.

Отражение от поверхности
В активной радиолокации Земли существенны два типа отражения: зеркальное и диффузное. Зеркальное отражение возникает в том случае, когда линейные размеры отражающей поверхности много больше длины волны, а сама поверхность является гладкой (например, поверхность моря). Тут действует закон о равенстве углов падения и отражения. Диффузное возникает тогда, когда линейные размеры отражающей поверхности много больше длины волны, а высота неровностей сравнима с ними. При диффузном отражении отражатель рассеивает падающую на него энергию во всех направлениях. В отличие от зеркальной такую поверхность иногда называют шероховатой. На практике размеры неровностей у одной и той же поверхности могут иметь широкий диапазон значений, поэтому реальные поверхности обычно дают смешанное отражение, в котором есть и диффузная и зеркальная компоненты.
Поверхность считается зеркальной, если , и диффузной, - если знак неравенства обратный (h – высота неровности, - угол между нормалью к поверхности и направлением излучения (угол падения) волны на поверхность).
Если линейные размеры цели малы по сравнению с длиной волны, то мощность отражённого сигнала для тел любой формы определяется формулой Релея где ℓ - наибольший линейный размер цели; k - множитель, имеющий размерность Вт/см2.
Уменьшение мощности вторичного излучения (отраженный сигнал),естественно, приведёт к резкому уменьшению дальности обнаружения цели.

Затухание волн
Единственным фактором, ограничивающим укорочение длины волны, является затухание (поглощение и рассеяние) волн в атмосфере, которое в см- и мм- диапазонах может оказаться значительным, особенно при плохих условиях погоды. Затухание волн см- и мм-диапазонов в атмосфере, в основном, происходит за счёт поглощения энергии этих волн молекулами кислорода, паров воды и других компонентов атмосферы.
Для EM-волн рассеяние в атмосфере (молекулами газов, релеевское рассеяние) также зависит от их длин, чем они короче, тем оно слабее.
Влияние постоянного затухания на максимальную дальность действия РЛС определяется выражение: , где:
R’max – дальность действия РЛС с учетом затухания;
Rmax – дальность действия РЛС без учета затухания;
a - коэффициент затухания, зависящий от длины волны и от интенсивности осадков или от водности облаков.

Представим теперь Землю как проводящее полупространство. Из электродинамики известно, что тогда величина скин-слоя – в нашем случае слоя земли, куда все еще могут проникать EM-волны, пропорциональна , где - диэлектрическая проницаемость, - магнитная проницаемость, - проводимость земли участка Земли, - частота излучаемых волн. Оценочно на частотах, используемых в радиозондировании из космоса, проникновение электромагнитного поля в почву пренебрежимо мало. Однако наземные РЛС успешно используются для нахождения пустот, металлических предметов и воды, расположенных на глубине порядка метра.