Способ дистанционного определения коэффициента отражения электромагнитной волны от границы раздела "воздух - горизонтальная поверхность подстилающей среды"
Владельцы патента RU 2346266:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Полет" (RU)
Изобретение относится к способам определения диэлектрических параметров неметаллических материалов, что является весьма актуальным при проведении мониторинга земляных покровов, осуществляющегося с целью определения параметров подстилающих сред, в частности, при измерении толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности. Сущность заключается в поочередном измерении уровней сигнала падающего и отраженного излучений с вертикальной и горизонтальной поляризацией электромагнитной волны соответственно для каждого выбранного угла отражения из диапазона углов измерения с последующим вычислением модуля коэффициента отражения как отношения отраженного и падающего сигналов. При этом в качестве источника падающего излучения используют тепловое радиоизлучение неба, а прием отраженного излучения осуществляют радиометрическим методом. Кроме того, дополнительно измеряют уровень сигнала, источником которого является объект, находящийся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, после чего производят вычисление модуля коэффициента отражения из соотношений: , , где
,
- модули коэффициентов отражения для вертикальной и горизонтальной поляризаций излучения при выбранном угле отражения Θ соответственно,
,
где
,
- значения уровня принятого сигнала от исследуемой границы, неба, объекта в термодинамическом равновесии с окружающей средой для вертикальной (горизонтальной) поляризации соответственно. Технический результат: оперативное измерение параметров подстилающих поверхностей, особенно в полевых условиях. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к способам определения диэлектрических параметров неметаллических материалов, что является весьма актуальным при проведении мониторинга земляных покровов, осуществляющегося с целью определения параметров подстилающих сред, в частности, при измерении толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности.
Известен способ [А.Г.Аренберг, Распространение дециметровых и сантиметровых волн, Советское радио, 1957 г.] определения модуля коэффициента отражения электромагнитной волны от границы раздела «воздух - горизонтальная поверхность подстилающей среды» при условии выполнения для поверхности критерия гладкости Релея в выбранном диапазоне частот, заключающийся в поочередном измерении уровней сигнала падающего и отраженного излучений с вертикальной и горизонтальной поляризацией электромагнитной волны соответственно для каждого выбранного угла отражения из диапазона углов измерения с последующим вычислением модуля коэффициента отражения как отношения величин отраженного и падающего сигналов.
Однако данные измерения связаны с использованием сложного стендового оборудования, включающего генератор электромагнитных падающих волн, мачтовые устройства для размещения приемных и передающих антенных устройств, приемную аппаратуру, что делает практически невозможным оперативное измерение параметров подстилающих поверхностей, особенно в полевых условиях. Кроме того, источник падающего излучения создает помеховый фон для окружающей аппаратуры иного назначения и подвергает облучению обслуживающий персонал.
Задачей предлагаемого изобретения является реализация способа определения модуля коэффициента отражения электромагнитной волны от границы раздела воздух - горизонтальная поверхность подстилающей среды, лишенного указанных недостатков.
Указанный результат достигается применением способа, реализуемого на основе радиометрического метода приема сигналов.
Для достижения этого результата в способе дистанционного определения коэффициента отражения электромагнитной волны от границы раздела «воздух - горизонтальная поверхность подстилающей среды», при условии выполнения для поверхности критерия гладкости Релея в выбранном диапазоне частот, заключающемся в поочередном измерении уровней сигнала падающего и отраженного излучений с вертикальной и горизонтальной поляризацией электромагнитной волны соответственно для каждого выбранного угла отражения из диапазона углов измерения, в качестве источника падающего излучения используют тепловое радиоизлучение неба, а прием отраженного излучения осуществляют радиометрическим методом, причем дополнительно измеряют уровень сигнала, источником которого является объект, находящийся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, после чего производят вычисление модуля коэффициента отражения из соотношений:
,
,
где 
, 
- модули коэффициентов отражения для вертикальной и горизонтальной поляризаций излучения при выбранном угле отражения Θ соответственно,
, 
,
где 
, 
, 
- значения уровня принятого сигнала от исследуемой границы, неба, объекта в термодинамическом равновесии с окружающей средой для вертикальной (горизонтальной) поляризации соответственно
Признаки, отличающие предлагаемый способ обнаружения от прототипа, в качестве источника падающего излучения используют тепловое радиоизлучение неба, а прием отраженного излучения осуществляют радиометрическим методом, причем дополнительно измеряют уровень сигнала, источником которого является объект, находящийся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, после чего производят вычисление модуля коэффициента отражения из соотношений:
,
,
где , - модули коэффициентов отражения для вертикальной и горизонтальной поляризаций излучения при выбранном угле отражения Θ соответственно,
, 
,
где , , - значения уровня принятого сигнала от исследуемой границы, неба, объекта в термодинамическом равновесии с окружающей средой для вертикальной (горизонтальной) поляризации соответственно.
Предлагаемый способ является развитием способа пассивной локации и базируется на свойстве радиометрии регистрировать слабые электромагнитные излучения, в частности, тепловое излучение объекта, на фоне собственных тепловых шумов приемного устройства и окружающей среды.
В отличие от активного способа определения модуля коэффициента отражения радиометрия не нуждается в источнике зондирующего сигнала.
Причем в случае использования поляризационного радиометрического метода измерения сигнала, отраженного от границы подстилающей поверхности, производят относительным способом, т.е. его сравнивают с сигналом от атмосферы или «черного тела». При этом в случае измерений относительно атмосферы имеет место соотношение [В.Д.Кротиков, С.А.Пелюшенко, И.Н.Мордвинкин, И.В.Ракуть, А.С.Пелюшенко, Радиометрические методы дистанционного зондирования разливов нефти на поверхности воды, Известия высших учебных заведений, Радиофизика, том XLV, №3, 2002]
,
а в случае измерения относительно «черного тела» -
.
При этом необходимо отметить, что ни один из используемых в настоящее время способов не позволяет произвести прямого определения модуля коэффициента отражения.
На чертеже представлена структурная схема реализации заявляемого способа, где обозначено: 1 - воздух, 2 - подстилающая среда, 3 - падающее электромагнитное излучение неба, 4 - отраженное излучение, 5 - излучение объекта, находящегося в термодинамическом равновесии с окружающей средой, 6 - антенная система принимающего устройства при различной ориентации относительно принимаемого излучения, 7 - принимающее радиометрическое устройство.
Дистанционное определение коэффициента отражения производится следующим образом.
В качестве источника излучения плоской электромагнитной волны (1), падающей на границу раздела воздух - горизонтальная поверхность подстилающей среды, используется шумовое тепловое излучение неба в миллиметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Изменяя угловую ориентацию антенной системы (6) приемного устройства (7), фиксируют уровни сигналов с вертикальной и горизонтальной поляризацией электромагнитного поля , отраженных (4) от поверхности под фиксированным углом, и уровни сигналов с вертикальной и горизонтальной поляризацией от той области неба, из которой приходит излучение, участвующее в формировании отраженного от поверхности сигнала (3). Далее антенная система (6) переориентируется на объект, находящийся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, и фиксируют уровни сигнала , приходящего от него (5). В качестве такого объекта может быть использован естественный объект, имеющий малый коэффициент отражения электромагнитной волны в используемом диапазоне длин волн, например растительный покров с большим содержанием влаги либо атмосфера при наблюдении вдоль линии горизонта [А.Г.Николаев, С.В.Перцов, Радиотеплолокация, Советское радио, М. 1964 г., В.Д.Кротиков, В.Н.Никонов, С.А.Пелюшенко, В.А.Плечков, О.Б.Щуко, Радиоизлучение морской поверхности на волнах 0,86 и 1,3 см вблизи угла Брюстера, Известия высших учебных заведений, Радиофизика, том XXVIII, №2]. Также может быть использован искусственно созданный объект, имеющий малый коэффициент отражения и занимающий всю площадь проекции главного лепестка диаграммы направленности антенны измерителя, либо находящаяся при температуре окружающей среды согласованная нагрузка, входящая в состав измерителя (при условии малости уровня боковых лепестков диаграммы направленности антенны измерителя).
Далее вычисляются разности между соответствующими уровнями сигнала от границы раздела и неба для сигналов ортогональных поляризаций. После этого вычисляется А - частное от деления полученных разностей уровней сигналов с вертикальной поляризацией на разность уровней сигналов с горизонтальной поляризацией. Потом вычисляются разности между соответствующими уровнями сигнала от границы раздела и объекта, находящегося в термодинамическом равновесии с окружающей средой для сигналов ортогональных поляризаций . После чего вычисляется В - частное от деления полученных разностей уровней сигналов с вертикальной поляризацией на разность уровней сигналов с горизонтальной поляризацией.
В завершение процедуры, используя полученные значения А и В, вычисляют значения модулей коэффициентов отражения для вертикальной и горизонтальной поляризаций по соотношениям:
,
,
Указанный способ дистанционного определения модуля коэффициента отражения для вертикальной и горизонтальной поляризаций был опробован с использованием радиометрического измерителя «Прибор КТС РМК-Н», работающего в диапазонах 33-35 ГГц и 11,7-12,7 ГГц.
1. Способ дистанционного определения коэффициента отражения электромагнитной волны от границы раздела «воздух - горизонтальная поверхность подстилающей среды», заключающийся в поочередном измерении уровней сигнала падающего и отраженного излучений с вертикальной и горизонтальной поляризацией электромагнитной волны соответственно для каждого выбранного угла отражения из диапазона углов измерения при условии выполнения для поверхности критерия гладкости Релея в выбранном диапазоне частот, отличающийся тем, что в качестве источника падающего излучения используют тепловое радиоизлучение неба, а прием отраженного излучения осуществляют радиометрическим методом, причем дополнительно измеряют уровень сигнала, источником которого является объект, находящийся в термодинамическом равновесии с окружающей средой, после чего производят вычисление модуля коэффициента отражения из соотношений:
,
,
где 
, 
- модули коэффициентов отражения для вертикальной и горизонтальной поляризаций излучения при выбранном угле отражения Θ соответственно,
, 
,
где 
, 
, 
- значения уровня принятого сигнала от исследуемой границы, неба, объекта в термодинамическом равновесии с окружающей средой для вертикальной (горизонтальной) поляризации соответственно.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве объекта, находящегося в термодинамическом равновесии с окружающей средой, используют области атмосферной толщи и земной поверхности, заполняющие соответственно сектор углов вверх и вниз от линии горизонта, не превышающий ширину диаграммы направленности антенной системы принимающего устройства, в направлении, в котором сигнал имеет максимальное значение по сравнению с сигналом за пределами этого сектора.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве объекта, находящегося в термодинамическом равновесии с окружающей средой, используют объект искусственного или естественного происхождения, являющийся «черным телом» для данного диапазона частот и перекрывающий телесный угол главного лепестка антенной системы принимающего устройства.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве объекта, находящегося в термодинамическом равновесии с окружающей средой, используют подключенную ко входу принимающего устройства согласованную нагрузку, имеющую температуру окружающей среды.
