Радиофизические исследования Луны и планет[1] с помощью приборов, устанавливаемых на космических аппаратах, могут быть пассивными и активными. Пассивные (или радиоастрономические) методы исследования (рис. 1) связаны с изучением характеристик собственного излучения данного объекта. Это излучение может быть по своему происхождению тепловым, и тогда его интенсивность будет определенным образом зависеть от температуры источника (точнее, от разности температур планеты и окружающей среды). В остальных случаях излучение является нетепловым, и его интенсивность определяется либо величиной магнитного поля и интенсивностью потоков заряженных частиц, создающих это излучение, либо другими физическими величинами, характерными для данного механизма излучения. Нетепловое излучение, например, вызывается хорошо всем известным явлением молнии. Она является не только источником мощной вспышки в оптическом диапазоне, но интенсивно излучает в радиодиапазоне, создавая помехи радиовещательного приемника.

Обычно при анализе теплового радиоизлучения определяют такие его характеристики, как интенсивность, степень поляризации, частотный спектр, зависимость интенсивности излучения от времени местных суток и года на данной планете. Данные об этих параметрах вместе с известной длиной волны, используемой в экспериментах, позволяют получить важную информацию о физических характеристиках атмосферы и поверхностного слоя планеты.

Рис. 1. Схема пассивных радиоисследований планет: 1 — КА; 2 — антенна; 3 — диаграмма направленности антенны; 4 — плоскость поляризации; 5 — направление наблюдений; 6 — плоскость наблюдения; 7 — подспутниковая точка; 8 — точка наблюдений; 9 — поверхность планеты; 10 — зона принимаемого излучения; N — нормаль; ? — угол поляризации антенны

Активные методы исследования связаны с изучением характеристик поглощения, отражения, рассеяния и преломления радиоволн физической средой: межпланетной средой, атмосферой, поверхностным слоем планеты. При этом используется система передачи — приема определенных радиосигналов.

В зависимости от места нахождения приемника и передатчика радиофизические исследования, использующие активный метод, подразделяются на однопозиционные и многопозиционные. При однопозиционных (или моностатических) исследованиях вся измерительная радиоаппаратура находится в одной точке пространства, а при многопозиционных — приемник и передатчик разнесены в пространстве. Двухпозиционные исследования иногда называют бистатическими.

Вообще говоря, все пассивные исследования являются однопозиционными. Однако при определении угловых размеров исследуемого источника в настоящее время часто используется радиоинтерферометр — система разнесенных друг от друга приемников радиоизлучения.[2] Подобный метод, например, был применен в 1971 г. во время советско-французского эксперимента «Стерео», в ходе которого определялась локализация областей радиоизлучения Солнца с использованием двух приемников: одного — на Земле, другого — на борту станции «Марс-3». Анализ характера биений, образующихся в общем сигнале из-за наложения сигналов друг на друга с обоих приемников, позволил получить (высокое угловое разрешение исследуемых областей излучения.

Все активные методы радиофизических измерений в зависимости от расположения приемника и передатчика в пространстве можно разделить на следующие:

1. Моностатическая радиолокация. Приемник и передатчик находятся в одной точке пространства (при этом часто для приема и передачи радиосигналов используется одна общая антенна).

2. Бистатическая радиолокация. Приемник и передатчик радиолокационных сигналов, предназначенные для исследования поверхности планеты, разнесены друг от друга.

3. Радиорефракционные измерения (радиопросвечивание). Радиосигнал с передатчика прежде чем попасть на вход приемника проходит сквозь исследуемую среду (атмосферу планеты).

При радиофизических исследованиях планет активные методы (особенно радиолокационные) в принципе являются более информативными. Так, при радиолокационных измерениях можно получить лучшее пространственное разрешение, чем при пассивных измерениях (при одинаковых антеннах и используемых длинах волн).

Рассмотрим теперь более подробно некоторые разновидности радиофизических измерений, используемых при космических исследованиях.

В последние годы радиотелескопы заняли прочное место на борту космических аппаратов, особенно на борту искусственных спутников Земли различного назначения (рис. 2).

Радиотелескоп, как известно, состоит из антенны и приемника, называемого радиометром, который не только усиливает радиоизлучение исследуемого объекта, но и позволяет получить характеристики этого излучения: интенсивность, спектр, иногда поляризацию. При измерении интенсивности часто производится так называемая калибровка, которая заключается в том, что одновременно с сигналом радиоизлучения исследуемого объекта на вход приемника подается эталонный сигнал с известной интенсивностью. После сопоставления известной интенсивности калибровочного сигнала (на выходе приемника) с интенсивностью полезного сигнала (радиоизлучения объекта) с учетом известных характеристик антенной системы определяется интенсивность радиоизлучения самого объекта.

В радиоастрономии интенсивность излучения характеризуется либо величиной спектральной плотности потока, определяемой мощностью потока излучения, падающего на единичную площадку в единичной полосе частот (длин волн), либо «радиояркостной температурой». Величина спектральной плотности потока радио- излучения, в свою очередь, измеряется в янских:[3] 1 Ян = 10^–26 Вт · (м² · Гц)^–1.

Прежде чем перейти к понятию «радиояркостной температуры», отметим, что «яркость» радиоизлучения есть (как и в оптическом диапазоне) энергия излучения, проходящая через единичную площадку за единицу времени при изменении энергии в единичной полосе частот. Таким образом, для «яркости» радиоизлучения абсолютно черного тела справедлив закон Релея—Джинса, связывающего интенсивность излучения I с температурой источника T: I = kT/?², где k = 1,38 · 10^–23 Дж/К — постоянная Больцмана, ? — длина волны, на которой производится измерение.

Рис 2. Схема радиоизмерений с борта искусственного спутника Земли: 1 — орбита; 2 — трасса наблюдений; 3 — трасса подспутниковой точки; 4 — экватор

С помощью радиотелескопа измеряется «яркость» радиоизлучающего тела, которое, вообще говоря, не является абсолютно черным, т. е. оно не только поглощает падающую на него энергию, но и частично отражает ее. Однако при формальном использовании в этом случае закона Релея—Джинса можно также получить величину «температуры», которую и называют «радиояркостной температурой». Эта величина зависит от действительной температуры исследуемого источника радиоизлучения, если, конечно, оно является тепловым. На практике часто используется отношение радиояркостной температуры к реальной температуре — так называемый коэффициент излучения данного тела.

При изучении радиоизлучения планет, как уже отмечалось, исследуется степень поляризации, частотный спектр радиоизлучения, а также зависимость интенсивности от времени суток и сезона. Все эти данные позволяют получить важную информацию о физических параметрах атмосферы и поверхностного слоя изучаемой планеты. В частности, определяются такие характеристики, как диэлектрическая проницаемость и электропроводность вещества верхнего покрова планеты, температура грунта и соответствующие распределения этих параметров с глубиной (при измерениях на различных радиочастотах) и с высотой (при определенном выборе используемой радиочастоты), когда исследуется температурный режим атмосферы планеты.

Степень поляризации радиоизлучения, в свою очередь, зависит от рельефа и температуры грунта, а также от диэлектрической проницаемости и электропроводности. Если исследуемый грунт имеет лишь незначительную электропроводность, то, при одновременном исследовании радиоизлучения в двух различных плоскостях вектора поляризации (но на одной и той же радиочастоте), удается определить сразу и диэлектрическую проницаемость и температуру грунта. При использовании более сложной методологии измеряется и электропроводность грунта.

Метод приема радиоизлучения одновременно на нескольких частотах очень продуктивен при изучении атмосфер планет. В этом случае радиочастоты выбираются таким образом, чтобы они (по крайней мере некоторые из них) находились вблизи так называемых резонансных частот собственных колебаний молекулярных газов. Такие резонансные частоты характерны для радиоизлучения молекул водяного пара, кислорода, формальдегида и т. д. Дело в том, что вблизи резонансных частот общее радиоизлучение планеты ослабляется, и по степени этого ослабления можно определить содержание данного газа в атмосфере планеты. Кроме того, спектр радиоизлучения в «нерезонансной» области радиочастот дает сведения о температуре атмосферы (для различных высот), а также о наличии влаги в облачном покрове. Например, исследуя радиоизлучение Венеры в области длин волн около 1,35 см, ученые смогут определить содержание водяного пара в атмосфере этой планеты, а делая измерения одновременно на трех-пяти радиочастотах (длинах волн) в миллиметровом и сантиметровом диапазонах, получат распределение температуры подоблачной атмосферы с высотой.

При проведении подобных измерений используются широкодиапазонные приемники радиоизлучения, в которых с помощью системы частотных фильтров весь исследуемый диапазон разбивается на ряд участков — каналов. В этих частотных каналах затем проводится усиление принимаемого излучения и определяется его интенсивность. Такие приемники называют спектральными радиометрами.

Качество измерений с помощью радиометров, установленных на борту космических аппаратов, в сильной степени зависит от соответствующих характеристик используемой антенны. Для получения высокого разрешения исследуемого участка на поверхности планеты (т. е. размера участка, усредненные характеристики которого еще возможно определить при использовании данного радиотелескопа) необходимо применять антенны с узкой диаграммой направленности.

Диаграмма направленности представляет собой характерную зависимость коэффициента усиления от различных направлений наблюдения объекта. Часто этот коэффициент измеряют в относительных единицах (по отношению к максимальному значению коэффициента усиления).

Для дальнейшего изложения нам понадобятся следующие характеристики диаграммы направленности:

1. Ширина диаграммы направленности. Она определяется разностью углов наблюдения, при которых коэффициент усиления становится в два раза меньше своего максимального значения.

2. Уровень боковых лепестков и их пространственное распределение относительно главного лепестка. Помимо основного максимума, образуемого главным лепестком диаграммы направленности, существует ряд относительных максимумов, образующих так называемые боковые лепестки диаграммы.

3. Коэффициент рассеяния. Он определяется величиной отношения энергии, принимаемой антенной со всех направлений, кроме соответствующего максимальному усилению (в главном лепестке диаграммы направленности), к энергии, принимаемой в направлении этого главного максимума усиления.

Коэффициент рассеяния фактически определяет влияние, оказываемое на принимаемое излучение (от исследуемой области) излучением близлежащих к ней районов (в направлениях вне главного лепестка). Чем выше коэффициент рассеяния, тем больше бывает ошибка измерений, поскольку в этом случае на полученные результаты будут оказывать сильное воздействие боковые лепестки диаграммы направленности. Размеры области (зоны), излучение которой на входе приемника свободно от влияния боковых лепестков, зависят от ширины диаграммы направленности данной антенны и от расстояния приемника до наследуемой области. Поэтому очевидна необходимость использования антенн с более узкой диаграммой направленности. Однако это связано с увеличением размеров антенн, что не всегда возможно из-за пространственных и весовых ограничений, возникающих при использовании космических аппаратов.

Мы не будем здесь касаться конструкций и схем построения антенн, используемых на борту космических аппаратов. Отметим только, что антенны с шириной диаграммы направленности менее 10° обычно называют антеннами с узкой диаграммой направленности, с шириной более 10° — антеннами с широкой диаграммой направленности.

Советский радиоастроном В. С. Троицкий в свое время открыл поляризацию теплового радиоизлучения Луны, характеризуемую тем, что интенсивность принимаемого радиоизлучения оказалась зависящей от поляризационных свойств антенны и угла, под которым она направлена к исследуемой поверхности (угла визирования). В связи с этим изучение поляризации стало играть определенную роль в радиофизических измерениях теплового излучения планет.

Антенны космических аппаратов рассчитаны на прием радиосигналов либо с круговой, либо с линейной поляризацией. Если антенна рассчитана на прием радиоизлучения с линейной поляризацией, то интенсивность принимаемого ею сигнала будет зависеть от угла между плоскостью наблюдения и плоскостью поляризации (см. рис. 1). Полученная зависимость позволяет получить важную информацию об электрических свойствах исследуемого грунта.

В последние годы широкое применение в космических экспериментах нашел метод, изучающий радиорефракционные свойства тропосфер и ионосфер. Одним из преимуществ этого метода является то, что для его реализации на борт космического аппарата, как правило, не надо устанавливать специальной аппаратуры.

Результатом рефракционных измерений является определение высотной зависимости коэффициента преломления радиоволн тропосферой и ионосферой планеты. Направление и скорость распространения радиоволн в атмосфере зависят от метеорологических параметров (температуры и давления), а также от химического состава газов, образующих атмосферу. С увеличением плотности молекул газа, определяемой его температурой и давлением; возрастает коэффициент преломления и уменьшается скорость распространения радиоволн.

Коэффициент преломления обычно уменьшается с ростом высоты, так же как уменьшается и температура и давление. Однако все эти параметры изменяются по разным законам.

Из результатов радиорефракционных измерений после соответствующей обработки получают данные о температуре, давлении и плотности нижней части атмосферы (тропосферы). Однако для этого используют определенные предположения, т. е. выбирают модель состояния атмосферы, чтобы по одному параметру (отношению давления к температуре, определяемому непосредственно из рефракционных измерений) определить три взаимозависимых параметра: температуру, давление и плотность. Обычно принимаются следующие предположения: атмосферный газ полагают несжимаемым и находящимся в гидростатическом равновесии. Кроме того, считают, что он хорошо перемешан воздушными потоками.

Если произвести измерения коэффициента преломления на многих высотах, то по полученной зависимости этого параметра от высоты можно, с учетом вышеизложенных предположений, получить высотные зависимости (профили) основных метеопараметров атмосферы: температуры, давления и плотности.

Для изучения ионосфер планет используют радиорефракционные измерения на одной или одновременно на двух частотах. Ионосфера — ионизированная часть верхней атмосферы планет — исследуется также и прямыми методами с помощью электронных ловушек и электростатических анализаторов. Одночастотный радиорефракционный метод более грубый и менее чувствительный по сравнению с двухчастотным. С помощью одночастотного метода изучаются главным образом дневные (освещенные Солнцем) ионосферы планет. Двухчастотные методы используются для изучения ночных ионосфер планет, ионизированных более слабо. В освещенной Солнцем части ионосферы под воздействием фотохимических процессов и солнечного ветра (потока электронов, протонов и ?-частиц) вблизи планеты возникает плазма — ионизированная оболочка. Ночью фотохимические процессы в верхней атмосфере значительно ослабляются. Обтекающий планету поток солнечного ветра над ночной стороной имеет значительно меньшую концентрацию, чем над дневной стороной. Все это приводит к изменению структуры ионосферы над ночной стороной планеты по сравнению с дневной.

Поэтому ночью в атмосфере значительно уменьшается концентрация электронов и изменяется распределение концентрации электронов с высотой. Ночью же ионосфера ближе прижимается к поверхности планеты и становится менее протяженной.

Наличие свободных электронов в ионосфере приводит к преломлению и ослаблению радиоволн. Уменьшение коэффициента преломления прямо пропорционально электронной концентрации и квадрату длины волны. Поэтому исследование рефракции радиоволн позволяет определять в ней концентрацию электронов. Следует отметить, что коэффициент преломления радиоволн в ионосфере меньше 1. Тогда как коэффициент преломления в нейтральном газе тропосферы больше 1.

B связи с тем, что концентрация электронов в ионосфере изменяется не монотонно с высотой, как это обычно имеет место для метеорологических параметров тропосферы (температуры, давления и др.), решение обратной задачи — получение высотной зависимости концентрации электронов в ионосфере по результатам радиорефракционных измерений — является более сложной процедурой, чем получение высотных профилей давления, температуры и плотности для тропосферы.

Радиорефракционные измерения проводятся по следующей схеме.

На борту космического аппарата (КА), пролетающего вблизи планеты, включается передатчик, который имеет стабильную частоту излучения. На наземном пункте принимается сигнал этого передатчика и фиксируются амплитуда, частота и фаза сигнала. Измерения начинаются за несколько десятков минут до захода космического аппарата за видимый с Земли диск планеты. После выхода космического аппарата из тени планеты измерения продолжаются в течение еще нескольких десятков минут.

По мере захода космического аппарата за край видимого с Земли диска планеты (лимба) трасса распространения радиоволн между КА и наземным пунктом проходит через все более низкие слои атмосферы планеты. При этом непрерывно меняется отклонение направления распространения радиолуча от прямолинейного вследствие возрастания концентрации молекул газа на трассе распространения радиоволн. Это изменение направления распространения радиоволн (рефракция) вызывает на наземном пункте дополнительное изменение частоты принимаемого сигнала (из-за эффекта Доплера) по сравнению с изменением частоты, определяемой для данного момента времени только движением космического аппарата.

Обработка разницы изменения частоты принятого на Земле сигнала между измеренной и рассчитанной по траекторным данным позволяет с учетом высоты прохождения радиолуча в атмосфере определить коэффициент преломления радиоволн для данной высоты прохождения радиолуча над поверхностью планеты. Следует отметить, что радиолуч при заходе КА за лимб планеты вначале пронизывает верхнюю атмосферу, а затем нижнюю. Если измерения происходят в дневной атмосфере, то по времени вначале будет определен коэффициент преломления радиоволн ионосферой, а затем уже — нижней атмосферой. При выходе КА из-за лимба планеты измерения проводятся в обратном порядке: вначале исследуются более низкие слои атмосферы, а затем более высокие. Если измерения проводятся ночью, то из-за незначительности эффекта преломления радиоволн в ионосфере (при одночастотном методе радиопросвечивания) ионосфера обычно не обнаруживается.

Из-за относительно небольших эффектов преломления радиоволн при измерении рефракции в атмосфере планет система радиорефракционных измерений должна обладать высокой точностью и стабильностью. Для получения достаточно точных исходных данных, необходимых для расчета коэффициента преломления, нужно осуществлять измерение частоты принятого радиосигнала на наземном пункте с ошибкой всего в несколько сотых долей герца. Для исследования тропосфер и дневных ионосфер планет используют одночастотные методы. Для исследования же ночных ионосфер применяют в основном двухчастотные методы радиопросвечивания, при использовании которых удается зарегистрировать меньшие величины коэффициента преломления радиоволн вблизи планеты.

В двухчастотном методе бортовой передатчик КА излучает одновременно два сигнала, которые между собой синхронизированы. Между частотами этих сигналов установлено жесткое соответствие (обычно второй сигнал получается путем увеличения частоты первого сигнала в некоторое число раз — n, причем это число может быть и не кратным). На наземном пункте принимаются сигналы обеих частот. После соответствующего усиления обоих сигналов первый сигнал увеличивается по частоте в n раз и сравнивается со вторым сигналом. При отсутствии изменения частоты при распространении обоих сигналов разность частот между ними (приведенная частота) после преобразования в приемнике будет равна нулю. Сдвиг частоты за счет движения КА (благодаря эффекту Доплера) пропорционален отношению радиальной скорости КА к длине волны передатчика. При таком двойном преобразовании частот двух сигналов (на борту КА и на наземном пункте) никакого изменения приведенной частоты за счет эффекта Доплера (из-за движения КА) не будет. Значение приведенной частоты будет только зависеть от рефракции радиоволн для сигналов обеих частот бортовых передатчиков, так как рефракция зависит от квадрата длины волны (а не от первой степени).

Поэтому, измеряя значение приведенной частоты, можно получить информацию о коэффициенте преломления радиоволн. А проведя подобные измерения в течение всего времени захода или выхода космического аппарата из-за диска планеты, можно построить высотную зависимость коэффициента преломления, по которой можно получить высотный профиль концентрации электронов в ионосфере.

Метод радиолокации часто используется при определении местоположения какого-нибудь объекта. При этом передающее устройство посылает радиолокационный сигнал в направлении данного объекта, и после отражения определенная часть энергии сигнала возвращается обратно на приемное устройство.

Анализируя характер отражения и рассеяния радиолокационного сигнала некоторой поверхностью, можно получить соответствующую информацию о ее физических характеристиках.

Рассмотрим несколько подробнее схему получения информации о физических характеристиках исследуемой поверхности с помощью радиолокационных измерений. Радиолокационный сигнал, попадая на границу двух сред (например, атмосферы и самой поверхности), испытывает, как мы уже говорили, отражение, рассеяние и преломление. Пусть угол падения радиосигнала на поверхность ? постоянен (рис. 3). Если приемник с приемной антенной совершит путь по полусфере с центром в точке 0 и будет при этом записывать интенсивность принимаемого сигнала, то интенсивность последнего будет сильно меняться в зависимости от направления его приема. Полученное таким образом трехмерное распределение интенсивности принимаемого сигнала называют индикатриссой рассеяния.

Рис 3. Схема радиолокационных измерений: 1 — космический аппарат с передатчиком; 2 — передающая антенна; 3 — облучающий радиосигнал; 4 — космический аппарат с приемником; 5 — приемная антенна; 6 — сигнал обратного рассеяния; 7 — отраженный сигнал; 8 — рассеянный сигнал; 9 — преломленный сигнал; 10 — граница раздела двух сред; А — менее плотная среда; В — более плотная среда; ? — угол преломления; ? — угол наблюдения (падения)

Наибольший но интенсивности радиосигнал в этом случае регистрируется в направлении зеркального отражения — под тем же углом ?, но с другой стороны относительно нормали N. При отклонении угла наблюдения интенсивность отраженного сигнала резко падает. Область значений углов вблизи направления зеркального отражения, для которых характерна достаточно большая величина отраженного сигнала, зависит от степени шероховатости исследуемого участка поверхности с линейными размерами неоднородностей в десятки и сотни длин волн облучающего радиосигнала. Поэтому, измеряя ширину этой области (зоны) углов, можно получить информацию о так называемых крупномасштабных неоднородностях данной поверхности.

Поскольку реальная поверхность состоит из совокупности плоских и не плоских площадок весьма различного размера, то ширина зоны углов, для которых наблюдается значительный по интенсивности отраженный сигнал, позволяет получить лишь некоторую собирательную статистическую величину, характеризующую определенную степень неровности поверхности. Такой величиной для крупномасштабных неоднородностей (превышающих длину волны по своим размерам) является так называемый среднеквадратичный угол наклона поверхности ?_?. Чем больше степень неровности поверхности, тем больше значение ?_?.

Мы рассмотрели угловое распределение для отраженных сигналов при фиксированном угле облучения поверхности. Если угол облучения изменяется, то соответственно будет меняться форма индикатриссы рассеяния, а отраженный поверхностью сигнал будет включать и рассеянную компоненту (см. рис. 3). В радиолокации вместо индикатриссы рассеяния используется другая характеристика принимаемого излучения — диаграмма обратного рассеяния. Она представляет собой зависимость от угла наблюдения мощности сигнала, приходящего в направлении, обратном направлению облучения.

Диаграмма обратного рассеяния также зависит от степени шероховатости исследуемой поверхности. При малых значениях углов наблюдения форма диаграммы обратного рассеяния определяется теми же неоднородностями, которые характеризуют и отраженный сигнал, т. е. размер которых составляет десятки и сотни длин волн используемого радиолокационного сигнала. Однако при больших значениях углов наблюдения форма диаграммы обратного рассеяния зависит от мелкомасштабных неоднородностей, размеры которых порядка длины волны и меньше.

Таким образом, с помощью диаграммы обратного рассеяния можно получить информацию о рельефе поверхности и степени его изрезанности в более мелких масштабах. Это особенно важно при поиске лучших мест посадки автоматических станций и лучших трасс передвижения самоходных автоматических аппаратов. Например, подобные радиолокационные измерения использовались при выборе мест посадки американских аппаратов «Викинг» на поверхности Марса, когда полученная ранее информация с помощью фотографических методов оказалась неточной.

Анализ диаграммы обратного рассеяния позволяет при малых углах наблюдения ? оценить величину среднеквадратичного угла наклона ?_? — той же величины, которую дает угловое распределение отраженного сигнала. Это распределение, называемое диаграммой отражения, получают при бистатической радиолокации (об этом будет сказано дальше).

Интенсивности отраженного и рассеянного сигналов зависят и от электромагнитных свойств вещества исследуемой поверхности. Если грунт поверхностного слоя планеты достаточно сухой, как, например, на Луне, Марсе и Венере, то его электропроводность относительно невелика. Поэтому характер отражения этим грунтом радиосигнала определяется эффективной диэлектрической проницаемостью вещества, из которого состоит грунт.

Отметим еще, что если бы исследуемая поверхность была идеально ровной, то отраженный сигнал существовал бы в направлении, обратном облучению, лишь когда он распространялся по нормали к поверхности. В случае гладкой поверхности коэффициент отражения радиосигнала (при моно- и бистатической радиолокации) легко определяется, если известна упомянутая выше эффективная диэлектрическая проницаемость грунта. Если же поверхность шероховата, то интенсивность принимаемого сигнала в данном направлении также рассчитывается на основании значения эффективной диэлектрической проницаемости (если учитывать при этом статистические характеристики, касающиеся свойств рельефа поверхности). Конечно, при проведении радиолокационных экспериментов решается обратная задача, и решить ее оказывается гораздо сложнее, а в ряде случаев полученное решение к тому же является и неоднозначным.

Как же решают эту задачу?

Во-первых, из эксперимента определяют диаграмму обратного рассеяния либо при малых углах облучения (моностатическая радиолокация), либо при углах, незначительно отличающихся от угла отражения (бистатическая радиолокация). Далее, учитывая форму диаграммы обратного рассеяния (или диаграммы отражения), подбирают такое значение эффективной диэлектрической проницаемости, чтобы рассчитанная интенсивность принимаемого радиолокатором сигнала соответствовала действительному. Это значение эффективной диэлектрической проницаемости и принимают за исходное.

Лабораторные исследования различных горных пород, проведенные советским ученым В. Д. Кротиковым, а позднее повторенные американцами М. Кемпбеллом и Дж. Ульрихом, показали, что для обезвоженных пород наблюдается однозначная связь между эффективной диэлектрической проницаемостью, определенной на основании радиолокационных измерений на сантиметровых, дециметровых и метровых длинах волн, и плотностью исследуемого грунта. Впоследствии эта зависимость подтвердилась результатами аналогичных исследований с использованием образцов лунного грунта, доставленных на Землю.

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 ? ? 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 ? ? 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 ?? и вариации значений ? 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.

Обычно бистатическая радиолокация проводится с помощью бортового передатчика, излучающего немодулированный сигнал, с последующим спектральным анализом отраженного сигнала.

Для повышения разрешения на поверхности в экспериментах по бистатической радиолокации (так же, как и в моностатической радиолокации) используется модуляция сигнала передатчика. Модуляция может быть либо импульсной, либо частотной.

В методе с импульсной модуляцией для коротких по длительности импульсов размер зоны отражения на поверхности будет зависеть от длительности импульса и угла падения радиоволн. Так, при длительности импульса в 10 мкс и угле падения ? = 60° ширина зоны облучения поверхности составит 7,3 км. При сокращении длительности импульса в 10 раз соответственно сократится и зона облучения.

При использовании частотной модуляции (обычно с периодическим линейным изменением частоты во времени) разрешение по дальности (в направлении падения) будет зависеть от диапазона изменения частоты передатчика. Чем в большем диапазоне изменяется частота передатчика, тем больше может быть получено разрешение по дальности.

Использованием модуляции бортового передатчика с одновременным анализом на наземном пункте приема мгновенных спектров отраженных сигналов позволяет осуществить бистатическое радиолокационное картографирование поверхности, которое напоминает частотно-временное картографирование, проводимое при наземных радиолокационных исследованиях Луны и планет. Однако при прочих равных условиях проведение бистатической радиолокации с модулированным сигналом требует наличия передатчика большей мощности, чем при радиолокации с немодулированным сигналом. Поэтому эти виды бистатической радиолокации только начинают находить применение в планетных исследованиях.

Примечания:

1

При дальнейшем изложении, если это не будет соответственно оговорено, мы будем Луну также считать планетой.

2

См.: Л. И. Матвеенко. Радиоинтерферометры (серия «Космонавтика, астрономия», 3). М., «Знание», 1974.

3

В честь американского инженера К. Янского, обнаружившего в 1932 г. радиоизлучение Галактики.