Способ определения диэлектрической проницаемости грунта планеты

Способ определения диэлектрической проницаемости грунта планеты

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4919294/09 (22) 15.03.91 (46) 30.10.93 Биол. Ия 39 — 40 (l1) Институт радиотехники и электроники PAH (72) Арманд НА; Андрианов ВА; Штерн ДЯ. (73) Институт радиотехники и электроники PAH (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГРУНТА ПЛАНЕТЫ (57) Использование: дпя определения диэпектри(ю) RU (и) 2002272 Cl (51) 5 001 БЗ 12 ческих характеристик грунта планет. Сущность изобретения: способ определения диэлектрической проницаемости грунта планеты включает излучение радиосигнала на нескольких частотах в направлении поверхности планеты, прием отраженного радиосигнала на тех же частотах, измерение отношения мощностей изпученного и отраженного сигналов на каждой частоте и расчет диэлектрической проницаемости грунта по результатам измерений.

2002272

Изобретение относится к планетной астрофизике и разведочной геофизике, а именно к активным способам дистанционного(бесконтактного) определения электрических характеристик (комплексной диэлектрической проницаемости е = е (1—

-1 ta д)) подповерхностных слоев грунта планеты в зависимости от глубины на основе электромагнитного зондирования и приема отраженных радиоволн с борта искусственного спутника планеты.

Известен способ, суть которого заключается в следующем: с борта искусственного спутника Луны излучают в направлении поверхности планеты (в надир) импульсные радиолокационные сигналы на одной частоте, принимают отраженные поверхностью планеты и отраженные подповерхностной границей раздела слоев на глубине L радиосигналы, измеряют время задержки A t между сигналом, отраженным поверхностью планеты, и сигналом, отраженным подповерхностной границей раздела слоев, определяют электрическую толщину верхнего слоя грунта

Le с AI/ в1 = +F., где е1 — диэ,I лектрическая проницаемость грунта; с — скорость света в вакууме.

Однако для реализации способа обязательно наличие подповерхностной границы раздела слоев на глубине L (в противном случае не будет второго отраженного сигнала для измерений времени задержки); сигнал, отраженный от границы раздела слоев, может быть достаточно слабым. что предьявляет повышенные требования к чувствительности приемника и его динамическому диапазону; выбор диапазона частот в сильной степени зависит от наличия априорной информации о глубине залегания границы раздела слоев L; в результате измерений определяется только электрическая толщина верхнего слоя грунта Le = Й7 (значение диэлектрической проницаемости F1 не on1 ределяется), Прототипом предлагаемого изобретения является способ, суть которого заключается в следующем; с борта воздушного судна (самолет, вертолет и т,п.) антенной апертурой I излучают в направлении поверхности планеты (в надир) радиолокационные сигналы на одной из высоких радиочастот, принимают и сравнивают мощности отраженного от поверхности планеты радиолокационного сигнала и излуче нного радиосигнала, Определяют расстояние ds до отражающей поверхности грунта планеты. определяют коэффициент усиления апертуры I и производят взвешивание ре5

55 зультатов сравнения мощностей отраженного поверхностью грунта планеты и излученного радиосигналов. По результатам сравнения этих мощностей с учетом взвешивания вычисляют коэффициент отражения радиоволн по формуле Френеля и по его значению оценивают электрические характеристики грунта планеты.

Недостатками этого способа являются; отсутствие оценки толщины верхнего слоя грунта, которому следует сопоставить измеряемые электрические характеристики, что связано с трудностью получения такой оценки при одночастотном способе измерений, необходимость предварительной калибровки аппаратуры, включая антенно-фидерный тракт, для определения коэффициента усиления 6, что является технически сложной задачей, Кроме того одночастотный способ измерений не позволяет измерить распределение электрических характеристик грунта по глубине; определяется только диэлектрическая проницаемость в верхнего слоя

I грунта на относительно высоких частотах, Целью изобретения является расширение функциональных возможностей эа счет определения зависимости от глубины диэлектрических характеристик (параметров) слоисто-неоднородного грунта планеты и снижение экономических затрат за счет упрощения процедуры калибровки аппаратуры, Указанная цель достигается тем, что в известном способе при движении искусственного спутника планеты (ИСП) по круговой или эллиптической орбите дополнительно последовательно во времени с периодом амплитудной модуляции TM излучают гармонические сигналы на (N-1) частотах fg = в ч/2л, удовлетворяющих условию

f<> < fg < fed, где f« — критическая частота ночной ионосферы планеты; f d — критическая частота дневной ионосферы планеты

Мп «N «Nmax Nmin > 6 7,Nmsx 15, частоты последовательных сигналов связаны соотношением

1 +) = 1 + д 1 где k = 1,2,3...N, д f = (fg — f )/N — равномерный шаг дискретизации по частоте, период модуляции Тм удовлетворяет условию

Q At «Т «2ds/ñ где At 10/f< — длительность гармонического сигнала;

0 = Тм/ At — скважность сигналов, Q 2 — 3; с = 3 10 мlс — скорость света в ваку в уме, в промежутках между излучением двух последовательных сигналов на и участках

2002272

Rmax Rmin + e " RmaxRmin 1 Rmax 1 Rmin 2

=Е ,1 ,Z — 1 . (Rmax — й.,и, } — е " (1 — й„.„йп, „— (1 — Rm»)(1 — Rmi, } )i

3 =C/429 КЯ л9 h>,ä =2Ь (1/е1,2 — 1 ) а) — 7гп1Я 01,b = (5,3.10 — 6,2 10 ), 20

30 орбиты измеряют отраженные дневной ионосферой амплитуды сигналов UI(fN), измеряют время задержки отраженного сиг. нала 7i, результаты измерений запоминают, измеряют отраженные поверхночтью грунта амплитуды сигналов Us(fg) в

N участках орбиты на ночной стороне поверхности зондирования планеты, измеряют время задержки отраженного сигнала г,, запоминают результаты измерений. проводят взвешивание принятых сигналов

Us(fg) в соответствии с коэффициентами цм = г,/ть по результатам измерений определяют модуль коэффициента отражения R на частотах fg по формуле й(тм) = QN Us (тм) Ui (flu), определяют частоВ результате проведенных патентных исследований не установлено наличия. технических решений. содержащих отличительные . признаки предложенного технического решения. Таким образом, предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "Существенные отличия".

Рассмотрим физическую сущность предлагаемого способа. Для его реализации измерения проводят в три этапа. Первый этап — калибровка аппаратуры. С этой целью при движении космического аппарата — искусственногоспутника планеты(ИСП) над освещаемой Солнцем дневной стороной ее поверхности выше максимума электРон ной концентРации ионосфеРы Nam x (Zm) (фиг. 1), где Zm — высота максимума электронной концентрации над поверхностью планеты, с борта ИСП в перпендикулярном к поверхности планеты направлении (в надир) излучают радиоволны разных частот fg, и 1,2.3,... Nmin N Nmax. Nmin 6-7, Nma 1I5, при этом fg < fcg, где fcd— критическая частота дневной ионосферы при ее зондировании в надир, f м = vÃ81é <Ð „где N

ЙЩ = 1. Отражаемые мощности радиосигналов Pi(fg) принимают на борту ИСП и измеряют соответствующие им с едние напряжения сигналов Ui = 2PiZa = laZa, ты fnm ", и = 1,2,3,..., n < N, на котоРых R как функция частоты имеет минимумы Rmin u частоты fnm x n = 1,2,3... и < N, на котоРых R как функция частоты имеет максимумы, по результатам определения минимумов и максимумов коэффициента отражения составляет кусочно-непрерывную функцию распределения диэлектрических параметров грунта планеты по глубине по формуле:

8) = (1 + Rmax)(1 + Rmln)/(1 Rmax)(1 Rmin) ° а по значению разности частот hf =

1 » — -4 " определяют толщину L верхнегп» а!п го слоя грунта по формуле L = с/4 Л f М е, где с — скорость света в вакууме. где iп —; Z — входное сопротивление антенны, Одновременно измеряют время задержки т принимаемого отраженного сигнала на частоте fg по отношению ко времени излучения радиосигнала той же частоты fN, запоминают результаты измерений, На втором этапе измеряют отражаемые поверхностью грунта планеты радиолокационные сигналы. С этой целью при движении

ИСП над не освещенной Солнцем ночной поверхностью планеты с борта ИСП в надир излучают радиоволны тех же частот fg, N = 1,2,3... Nmin 5 (Ч Nmax, Nmin 6-7 йт» 15, при этом fN fcn. <сп

= К8й) е п, где fcn — критическая частота ночной ионосферы, N max — максимум ионизации ночной ионосферы, Излучаемые

35 радиоволны проходят через ионосферу и отражаются в обратном направлении от поверхности планеты. Отражаемые мощности радиосигналов Ps(fx) принимают на борту

ИСП и измеряют соответствующие им сред4О нив налряжания сигналов U ъг2psZs Одновременно измеряют время задержки г, принимаемого отраженного поверхностью планеты сигнала относительно излученного радиосигнала той же частоты. Несмотря на

45 то, что измерения на дневной и ночной сторонах планеты происходят со сдвигом по времени, это не сказывается на конечных результатах, поскольку измерения выполняются в течение движения ИСП на одном

50 витке орбиты, т.е. сдвиг по времени не превосходит нескольких часов — в этом время

2002272, par Ь(и Ь Г вЂ” pp ; ——

Pmin р 62

)2 (2) где сИ = с ti/2 — расстояние от ИСЗ до отражеиноей области ионосферы, и - r — (а + zrr) Оар, р н сар2 (см. фиг. 1,а), Ri(5j) = 1, fg < fû. Мощность (ч ),2Г ),рР— (З) .излучения Р должна быть такой, чтобы зна- 50 чения принимаемых мощностей сигналов Ps

Здесь и Pi обеспечивали превышение уровня сигнала над заданным пороговым уровнем (а)

Pmin. В качестве порогового значения Pmin обычно принимают значения, превышаю- 55 коэффициент пропорциональности, на который умножают отношение уровней сигнаовень мощности теплового шума лов, отраженных поверхностью планеты 0 и ионосферы Оь S дальнейшем будем называть их коэффициентами взвешивания. Их технические характеристики измерительного радиолокационного комплекса контролируют.и результаты калибровки аппаратуры по отраженным от дневной ионосферы радиосигналам сохраняют свое значение для решения основной задачи. Такая калибровка, осуществляется непосредственно перед измерениями, повышает качество измерений и существенно снижает экономические затраты на ее проведение, а в ряде случаев она является единственно возможной при применении способа на удаленных от Земли планетах — калибровка аппаратуры на земной поверхности затруднитепьна в силу отсутствия адекватных эксперименту условий. Проводят взвешивание отношения напряжений Us/Ui сигналов, отраженных поверхностью планеты и ее ионосферой, в соответствии с коэффициентами giq, вычисляемыми следующим образом.

Результат отражения радиоволн от поверхности планеты описывается известной формулой для мощности Р, (ф

Р (1м) = R(fg), (1) (4лс4 )2 где Р— мощность излучаемого сигнала", 61 — абсолютный коэффициент направ. ленного действия антенны:

). и — длина волны радиоволны, Ли =

=fg/с:

ds = c ts/2 — расстояние от ИСП до поверхности планеты

ds = r — а (см. фиг.!.а)

R — коэффициент отражения монохроматических радиоволн от поверхности планеты (по мощности).

Результат отражения радиоволн от ионосферы описывается аналогичной формулой где k = 1,38 10 Вт/Гц. град — постоянная

-23

Больцмана;

Т вЂ” абсолютная температура;

Af — полоса частот приемника.

5 Тогда условия Ps > Pmi, Pi o Р i„ обеспечивают возможность приема и. регистрации сигналов на выходе радиолокатора, При заданных параметрах орбиты (высота круговой орбиты ds = г — а над поверх10 ностью планеты или значения перигея бя = rn — а И аПОГЕЯ dA = ГА — а ЭЛЛИПтИЧЕСКОй орбиты) и вычисленном значении Р п иэ формул (1) и (2) определяют необходимую мощность излучения Р и соответственно

15 амплитуду изл чаемого гармонического сигнала 0 = 2PiZA . Амплитуда излучаемого сигнала постоянна для круговой орбиты

ИСП и зависит от положения ИСП (дальности до планеты) на эллиптической орбите.

20 При построении радиолокатора технически целесообразно излучать постоянную мощность Pi как на круговой, так и на эллиптической орбите. Тогда при заданной мощности Р (из условия технической

25 реализуемости передатчика) из соотношений Ps = Pmin u Pi = Pmin определяют предельное значение высоты круговой орбиты diim, . при которой возможна реализация способа: при Рз = Pmin u Pi = Pmin имеем:

max +t Й 4

4т Р . "(ч)

Рпи и так как R(fN) с Ri(fN), Ri = 1, то нужно брать ,1,п х 2 с ф,,1,П Ш

"0 Из этих же соотношений для эллиптической орбиты формируют рабочую зону (угловой сектор в плоскости орбиты} dn б:- бв®, rn сг гц, На основе формул (1) и (2) получают вы45 .ражение для модуля коэффициента отражения й(1 ч) 2002272

На третьем этапе результаты измерений по линии космической связи передают 5 с борта искусственного спутника исследуемой планеты на Землю для определения коэффициента отражения Р(т1ч) и характеристик подповерхностной структуры ее грунта. С этой целью решается обратная задача 10 подповерхностного радиолокационного зондирования. Этот этап может быть реализован и на борту ИСП. Задача решается следующим образом, я(,) 1 2

S1 зо

Электрические характеристики грунта описывают комплексной диэлектрической проницаемостьюе = я — к" = fI { 1 — ltg д ), где е — собственно диэлектрическая проII 20 ницаемость, tg д = к / f — тангенс угла потерь. Для слоисто неоднородной подповерхностной структуры грунта планеты распределение f по глубине представляют в виде кусочно-непрерывной функцией f (Z). ф=2 — Vß L;

0) с у1 =gr1tg д1/2 =2pIL, / 1 = — f. tg д1 Ш = 2 л f со

2с

Р (1 — itg h1) — 1 Z <О

К (1 — 11Цд2), Z(L 30 (5) где к1, Š— диэлектрическая проницаеI мость грунта, 35

L — толщина верхнего слоя грунта;

2 — глубина от поверхности планеты Z =О .

Это соответствует слою грунта, лежащему на полубесконечном основании, 40

Используют зависимость коэффициента отражения радиоволн от частоты fg, электрических характеристик грунта 611, R(f) . I 1 2. (4 — f1 ) (1 — е1 )з 3 и (гсл/71 3./с ) + е1 (1 + Я )

2 (7) На основе теоремы Ферма можно сфор45 мировать систему 3-х уравнений для определения 3-х неизвестных величин f1 f2 и L

1 для слоя грунта без потерь:

dR/df = 0 при f = f mI", f m "

R(fпmI") = Rв1п

R(fn ) = Rmax (8) вычисляют по формуле (4) на основе измеренных значений г и т.-.

Результат вычисления по формуле(7) схематически показан на фиг. 2. Как видно из формулы (7) и фиг. 2. функция R(f) является осциллирующей и. кроме того, она зависит от о, 4 и L, которые следует определить.

Аналогичный вид имеет результат вычисления R(f) по формуле (6) с учетом множителя ослабления е

f22, tg д1 и толщины верхнего слоями (4) в виде

R о1 +2V R о1 R 12 е cos VI +R12e — 2У1

1+2V Rìéö е см Vl +R (б) - )

Ъ Е, + fk

J,Ic=0,1,2: го = 1 — диэлектрическая проницаемость атмосферы планеты;

Здесь R представляет собой коэффициент отражения радиоволн по мощности как отношение средних плотностей потоков энергии радиоволн, отраженных от поверхности планеты S1 и падающих на нее So (отношение модулей вектора Умова-Пойтинга). Электрические свойства грунта, описываемые комплексной диэлектрической проницаемостью я . обуславливают ослабление поля радиоволн при распространении втолще грунта(4), Формула(6) пригодна для грунтов с малым ослаблением радиоволн, т,е. малыми значениями тангенса угла потерью д 1 «1, tg д 2 «1. Это позволяет реализовать дистанционное зондирование при условии y1 < 1, В частном случае верхнего слоя грунта без потерь (tg д1 = О) из формулы (6) получим

2002272 ф1(6 Rmax) = 0, +(8l Й Rmin) =0.

p(6. L hf) =О.

Найдено решение системы уравнений (9) (12) относительно Rp< и V R>g е )(1 в виде

max + Rmin

20,)/Я 2 е ) 1

RmaxRmln (10) L = с/4 hf / еГ

max Rmin

Rmax Rmln

4 =(к - ) —, fr

f (15) где „в " =(2 п-1)с/4VЯ 1, fnmaxmmnc/21ß 1.

Из выражения (8) следует: яmax (Я вЂ” 1)/(+ 1) или р1(4, R max) 0 р )„-(e) - )/(êt + vß ) илиp(t, 6а Rmln) = Оп

hf = fлnва" —. fnm " с!4 лЯ или(/xl(d>, L,hf)=0, Решение системы уравнений дает последовательно значения искомых величинQ диL:

4 =((1+ R x)/(1- Rmln))

Е1= (1. + Rmaõ}(1 + Rmln)/(1 Rmax)(1 Rmln), Таким образом измерив экспериментально зависимость модуля коэффициента отражения от грунта как функцию частоты R

= R(fj, можно определить толщину верхнего Э0 слоя L, егодиэлектрическую проницаемость я, диэлектричес((ую проницаемость нижнего полупространства eII и получить распределение е (Z) по глубине в форме З

35 кусочно-непрерывной функции.

При наличии потерь в грунте(тцд1,2 0) система уравнений (8) сохраняет свой смь)сл, т.е, коэффициент отражения R в формуле (б) имеет минимумы и максимумы при

min max тех же значениях частот fn и fn, но значениЯ Rmax u Rmln в этом слУчае Равны Rp> +юг е " " 45

Rmax—

1 +z(RozRzz e

1/ ВЯ вЂ” 1/ЯЯ е (1 1) 0 рЬ

1 — zrRozRa e Гйо )zln =) 1п (fn ) ) (й =Tпп (1й 7

3HcIzleHNA У В аС ГОтНЫХ ГО КаХ fn AfA

1 р4" =лмцд1, yYI" =л(п — — ) ац д1. ра =yg + рах р! в так как т9 д1 < 1

В дальнейшем обозначим ф „ " = @ = y„

В результате из (11) имеем Rp> + vRl (; У1

Rmax =

14 OÐî йпо е

z(Roz — v Riz e — (12)

1 — пи оп R)z е

O Ro1 Я и + Rl 2RmnnRmm (13)

Ослабление радиоволн (потери) в грунте обусловлены наличием электропроводимости грунта о и диэлектрических потерь, or)редел яемых мнимой частью диэлектрической проницаемости ед, так что л

O =O — 14 =F — I (Оо + — ) (14)

ПП.П ОО F

На основе теории Дебав (5) известно, что диэлектрические потери на частотах f, превышающих частоту релаксации (инерционность процесса поляризации диэлектрика)

fr, обратно пропорциональны частоте

Это справедливо для диапазона радиоволн

f >0,1 МГц, Подставив выражение (15) в выражение (14), получим для tg д .II т9д = — .! (в ) 1. И). + д/FnEoo СОПЗ2

М и

2002272

tg д = {5 3 10 4 — 6,2 10 ) р, (17) гдерв г/см .

5 Получено следующее решение обратной задачи дистанционного радиолокационного зондирования грунта планеты, обладающего малыми потерями: р=2(v яг — 1) ! Г Rmax + Rmin + 1 + RmaxRmin 1 Rmax 1 Rmin г

Е1 айвах + Rmin 1 + RmaxRmin " Rmax 1 Rmin

b={5.3 10 — 6.2 10 у = лпtgh =2 кпЬ{ ef — 1), 4= р ({1+ /Жг)/{1 — Rn Пг=

{18) 10

1 = с/4 Ж Vß . р1 =2{iЯ вЂ” 1),tg01=b . pI, Г (Ртах Rmi +е» 1 — R exRmm — 1 — Rmex 1 -Нмл3 ))1

=81= (Rmax Rmin ) еу (" RmaxRmin (1 Rmax ) (1 Rmin ) ) менением значений диэлектрической проницаемостиот и на поверхностидо ег на

15 глубине L {фиг. З,а) можно определйть следующим образом, На основе теории отражения радиоволн от слоисто неоднородной среды и теории обыкновенных дифференциальных уравнений 2-го порядка можно пол20 учить общее выражение для коэффициента отражения на границе раздела атмосфера— поверхность планеты при Z = 0:

R =(-1)х

f ót(0)Н д4(ОЮ(рг(— )- д4(-L)i el< { 0)+I qk(04)f {- -) — i pi(— Х П ) путем сшивания линейно независимых решений pt {2), 1 г {2) дифференциального уравнения 2-го порядка 25

У1{2) =А1exP(-й % 2), pz = Агехр(й vÁi 2), г

- — e (Z) U = O б2

{20) 30 и их первых производных р< {2), g {2), чтобы удовлетворить условию непрерывности этих величин (71 на поверхностях раздела атмосфера: — поверхность планеты при Z= 0 и слой грунта — нижнее полупространство 35 при Z= -L, Здесь ez — диэлектрическая проницаемость на глубине L. отсчитываемой от поверхности. Учитывая физические представления о механизме отражения радиоволн и взяв в первом приближении в 40 качестве решений.

Й (1 + айвах) /{1 Rmах) (21) Это означает, что Р1 и у1 в соответствии с их определением в формуле {6) не зависят от частоты для грунтов с описанными свойствами. Известны эмпирические связи диэлектрической проницаемости е, плотности грунта р и тангенса угла потерь |дд (61:

Измерив экспериментально зависимость коэффициента отражения как функцию частоты R = R(f) от грунта, обладающего малыми потерями s верхнем слое, можно определить толщину верхнего слоя L, его ди-электрическую проницаемость 4 и диэлектрическую проницаемость нижнего полупространства 4, Диэлектрические характеристики неоднородного слоя грунта с непрерывным изполучили выражения для предельных значений коэффициента отражения на низких частотах Ие R{f) - Rmax и высоких частотах о

IIfn R{f) = Rmin, которые подтверждаются

f +00 результатами численного моделирования

{фиг. З,б). Откуда следуют формулы для определения диэлектрических постоянных грунта 4 и 4: д -{1+ Rmin) /(1 — Rmin) 2002272

Толщина верхнего слоя грунта L определяется по значению частоты fg ", на которой коэффициент отражения R(f), убывая с ростом частоты, впервые достигает минимума (=с/4 ftm!n 1/т (22) На фиг. 1а,б представлены схемы эксперимента по радиолокационному зондирования грунта планеты с борта ее искусственного спутника, На фиг. 1,а — орбита круговая: Zm — высота максимума электронной концентрации ионосферы, а— радиус планеты, r - расстояние от центра планеты до спутника. На фиг, 1,6 — орбита эллиптическая: Zm — высота максимума электронной концентрации ионосферы; а — радиус планеты, гд,п — расстояния от центра планеты до апогея орбиты А и перигея орбиты П соответственно, ri m — предельная дальность рабочей зоны проведения эксперимента гп< г< гц ). rs, rR — расстояния от центра планеты до точек орбиты S и R, пересекающих границу свет-тень при входе

ИСП в область тени гз и выходе из нее rR соответственно.

На фиг. 2,а показана модель диэлектрической проницаемости о в зависимости от ! глубины 7, соответствующая подповерхностной структуре грунта планеты в виде однородного слоя грунта толщиной L c диэлектрической проницаемостью я1 на входящем в глубь планеты полубесконечном слое с диэлектрической проницаемостью 4. Эта модель описана формулой (5), На фиг, 26 показана зависимость коэффициента отражения радиоволн от поверхности планеты с диэлектрической проницаемостью грунта e (Z), описываемой формулой (5) и фиг. 2а, как функция частоты(ф, На фиг.

За показаны модели 1 — 5 неоднородного слоя грунта с непрерывным изменением диэлектрической проницаемости по координате слоя -L < Z < О, На фиг. 36 показана частотная зависимость коэффициента отраженил радиоволн от поверхности планеты с непрерывной зависимостью диэлектрической проницаемостью грунта И. (2 .) в слое

-L < Z < О для модели 5, характерным является убывание коэффициента отражения с ростом частоты, На фиг. 4 представлена схема устройства для реализации предложенного способа. На фиг, 5 — временная циклограмма последовательного излучения гармонических сигналов на N частотах. На фиг, 5: t — время, Ut — амплитуда излучаемых сигналов, Тм — период амплитудной модуляции, A t — длительность излучаемого сигнала, ty, — моменты начала излучения последовательных сигналов (К = 1, 2, 3ÄÄ,N), ty + Ь t — моменты окончания сигналов.

Длительность излучения A tK = tK+1 — tK, для

5 гармонических сигналов связана с частотой сигнала соотношением A tê 10//тк, которое соответствует связи ширины спектра радиосигнала A fy с длительностью излучения Лтк по формуле Лty, Л1к =1 (4) и

10 учитывает для гармонических (узкополосных) сигналов соотношение Afy = fy/10.

Для простоты построения аппаратуры возьмем длительность излучения каждого из сигналов постоянной на всех частотах

15 At =- At = Atz = ... Aty, так как при этом на всех частотах должно выполняться условие Л1к 10/fy., то должно быть

At = Atmax = 10/fm1n = 10/f1. Период модуляции Ту учитывает наличие паузы между

20 излучением двух последовательных сигналов для приема отраженного сигнала и удовлетворяет соотношению Q . Л1<: Ту 2 ds/с, где Q = Тм/ At — скважность радиолокационных сигналов, Q > 2 — 3, ds — расстояние от ИСП до поверхности планеты, По результатам наземных траекторных измерений при формировании рабочей орбиты спутника до проведения измерений по радиолокационному зондированию известны моменты времени и точки орбиты пересечения спутником границы освещенной Солнцем (дневной) и теневой (ночной) сторон планеты при заходе в солнечную тень и выходе из нее ИСП.

При осуществлении предложенного . способа производят в три этапа следующие операции.

На первом этапе измерений осуществляют калибровку аппаратуры при движении

40 спутника над дневной стороной планеты.

1.1. Излучают последовательно во времени с периодом модуляции Тм гармонические сигналы íà N разных частотах fs npu помощи реализуемых передатчика и антенны, Циклограмма излучения сигналов показана на фиг. 5.

1.2, В паузе между излучением двух последовательных сигналов измеряют овни напряжения радиосигналов Ur = P Z =

50 =! Еа, отражаемых от разных по высоте Zg над поверхностью планеты областей ионосферы, где Zg определяют из условия равенства нулю диэлектрической проницаемости ионосфе ы к; (Еи) = 1-81 (й(2и)/fg, откуда

1N(Zjq ) .

1,3. Измеряют задержку 4, (К = 1,2,3,...,N времени прихода отраженного сигнала

t к- ) относительно времени излучения

2002272

18 г и) +. " + Rmax Rmln 1 — R 1 — R (Rmax + Rmin ) (1 + Rmax Rmln (1 — Rmax ) (1 — Rmln ) ) L=c/4Ю Я, У1 =2zmb(1 — 1), Ь = (53 10 —:6,2 10 з), R ax — Rmin + е 1 — Rmax Rm!n — 1 — я

У1

1 вЂ

1 - -Rmin)+e (1-Rmax Rmin — (1-Rmax) (1-Rm ) )

У1

Е1 =(1+ Rmin) /(1 — Rmln) 6 = (1 + Я,„)2/(1 — Rmax)2 сигнала tK, т.е. 4 = tK+1 — tK известным

I i i способом, B дальнейшем обозначаем

Й

1.4. Результаты измерений запоминают для последовательности известных частот

fN при помощи стандартного запоминающего устройства (бортового магнитофона).

На втором этапе измерений осуществляют измерение коэффициента отражения радиоволн R от поверхности грунта планеты как функцию частоты f при движении спутника над ночной стороной планеты.

2.1. Излучают последовательно во времени с периодом модуляции TM гармонические сигналы на N разных частотах fN, используя те же передатчики и антенну, 2.2. В паузе между излучением двух последовательных сигналов измеряют овни напряжения радиосигналов Us = P Za = =

4Е, отражаемых от поверхности грунта планеты.

2,3. Измеряют задержку т3 времени прихода отраженного от поверхности сигнала як+1 относительно времени излучения сигнала tK, т.е. 4 = tK+1 — ск . В дальнейшем .обозначаем тк - =ts .

2,4, Результаты измерений запоминают для последовательности известных частот

fN при помощи стандартного запоминающего устройства.

2.5. Сформированный массив чисел по линии космической связи передают на Землю для решения обратной задачи радиолокационного зондирования поверхности планеты — определения характеристик подповерхностной структуры грунта. На треть3} для грунта без потерь с непрерывным измерением значений диэлектрической проницаемости от значения р на поверхI ности до значения 4 на глубине L: ем этапе осуществляют следу1ощие операции.

3.1. Определяют коэффициенты взвешивания gN в виде отношения

gN = хв (fN)/ rI .(fN) и возводят в квадрат путем перемножения двух значений gN.

3.2, Определяют отношение уровней

СИГНаЛОВ Ua(fN)/Ul(fN} И ВОЗВОдят ЭтО ОтНОшение в квадрат путем перемножения.

3.3. Определяют последовательность значений модуля коэффициента отражения радиоволн R(fN) поверхностью грунта планеты перемножения R(fN) = gN (Us/Ui) . В результате формируют функцию R = R(f) в виде массива чисел. что соответствует табличному заданию функции.

3.4, Воспроизводят функцию R(f) в графическом виде для ее идентификации с модельными представлениями, определяют частоты максимумов fnmax и минимумов

fn ", где и — номер максимума или минимума соответственно, 3.5. Определяют значение максимума модуля коэффициента отражения Rmax путем перебора значений R(fN) и их сравнения по критерию оценки наибольшего значения.

3.6. Определяют значение минимума

МОДУЛЯ КОЭффИЦИЕНта ОтРажЕНИЯ Rmln ПУтем перебора измеренных значений R(fN) и их сравнения по критерию оценки наименьшего значения, 3.7. Определяют значение диэлектрической проницаемости верхнего слоя грунта по формуле 1 для грунта без потерь

<1= (1 + Rmax}(1 + Rmin)/(1 — Rmax)(1 — Rmln), I

2) для грунта с потерями

3.8. Определяют разность частот

b,f fnеэх fnm" и частоту f1m

3.9. Определяют толщину верхнего слоя грунта планеты: для случаев.1} и 2) по формуле 1 - c/4 hf 1Я для случая 3) по формуле L c/4 f1m " Я . Операции(1.1) -(1.2), (2.1) — (2;2), (3.1} — (3,9) новые, операции (1.3 — 1.4), (2.3 — 2,5) усовершенствованные.

2002272

5.

Устройство. реализующее предложенный способ, изображено иа фиг. 4. Оно состоит из модуля измерений и модуля параметров.

Модуль измерений содержит антенну 1 для излучения и приема радиолокационных сиг- . налов, коммутатор 2 подключает к антенне попеременно передатчик 4 или приемник 5, блок 3 управления и синхронизации, синтезатор частот 6, регистратор 7 отраженного радиолокационного сигнала, блок 8 измерения времени задержки отраженных сигналов. запоминающее устройство 9. Модуль параметров содержит наземное запоминающее устройство 10, блоки умножения 1114 для определения квадратов времени задержки 4 и t и. квадратов уровней сигна. лов Ui и 05 . блок деления 15 для.вычисления Uü /0» и блок деления 16 для вычисления Ua /Ut, блок определения коэффициента отражения 17, блок 18 идентификации (индикации) коэффициента отражения и определения частот его максимумов и минимумов (первого минимума в случае Э), блок 19 определения минимума коэффициента отражения, блок 20 определения максимума коэффициента отражения и блоки решения обратной задачи: блок 21 определения толщины верхнего cnes грунта

L. блок 22 определения диэлектрической проницаемости е> на поверхности планеты. блок 23 определения диэлектрической проницаемости грунта на глубине б.

Устройство работает следующим образом.

Работа начинается по сигналу бортового командного модуля. Антенна 1 через коммутатор 2 соединена с передатчиком 4 и приемником 5, Передатчик может излучать радиосигналы всех частот как последомтельно, так и параллельно. На входпередвтчикв 4 поступают сигналы и радиочастот с первого выхода блока 3 управления и синхронизации, с второго выхода которого сигналы управления и синхронизации подаются.на вход синтезатора частот 6, а с . третьего и четвертого выходов сигналы поступают соответственно на первый вход передатчика 4 и на первый вход регистратора

7 отраженных сигналов, с первого выхода синтезатора 6 сигналы поступают на вход блока 3 управления и синхронизации. а с второго, третьего и четвертого выходов бло ка 6 сигналы поступают соответственно на второй вход передатчика 4, на второй вход приемника 5, на первый вход которого поступают отраженные сигналы с коммутатора 2, на второй вход регистратора 7 отраженных сигналов и на второй выход блока 8 измерения времени задержки, на первый вход которого йоступают отраженные сигналы с выхода приемника 5. С выходов блоков 7 и 8 сигналы поступают в запоминающее устройство (ЗУ) 9, в котором хранятся до передачи на Землю по линии космической связи для последующего анализа, Анализ осуществляется в модуле параметров путем реализации алгоритма решения обратной задачи радиолокационного подповерхностного зондирования. Модуль параметров может быть установлен на борту AMC либо по линии космической связи результаты измерений передаются на Землю и сосредоточиваются в ЗУ модуля пара15 метров (блок 10), Из блока 10 результаты измерений поступают на два параллельных входа блоков 1 t-14, представляющих собой арифметические устройства для выполнения операции перемножения. Выходы бло20 ков 11-.12 соединены с первым и вторым входами блоков 15, а выходы блоков 13-14 соединены с первым и вторым входами блока 16. С выходов блока 15 и блоке 16 данные поступают иа первый и второй входы блока

25 17. Блоки 15 и 16. — арифметические устройства для выполнения операции деления, блок 17 — арифметическое устройство для выполнения операции умножения на основе .формулы (3) и определения коэффициента

30 отражения радиоволн от поверхности планеты Я последовательно на N частотах. что позволяет получить численно заданную функцию и - R(fx). С выхода блока 17 N

-значений радмочастот fry и соответствую35 щие им значения R(fg) поступают на вход блока 18 для идентификации аида функции Яфч) и определения частот fgm", f " и

f > ", на вход блока 19 для определения минимальныхых значений коэффициента отраже40 ния й(Ь ") = Rmi, на вход блока 20 для определения максимальных значений коэффициента й(тп" ") = Rm . Первый выход блока 19 соединен с первым входом блока 22, а . первый выход блока 20 соединен со вторым

45 входом блока 22. Второй выход блока 19 соединен с первым выходом блока 23, а второй выход блока 20- с вторым входом блока

23. В блоке 22 определяют значения диэлектрической проницаемости верхнего слоя

50 грунта F, в блоке23-значениядиэлектрической. проницаемости грунта 4 на глубине L

Выходы блоков 18 и 22 соединены с первым и вторым входами блока 21, в котором определяется толщина верхнего слоя грунта L, Все элементы устройства являются известными, Модуль параметров будет реализован на отечественном компьютере ДВК-4.

B качестве примера реализации предложенного способа рассмотрим его приме21

2002272

ЯР"/Щ

fnm — = — = 2fl — 1 сп 11

55 нение для зондирования подповерхностной структуры криолитосферы Марса. При теоретическом анализе в пределах области пространственного разрешения радиолокатора поверхность планеты считаем плоской и ровной, а структуру грунта по глубине рассматриваем как слоисто неоднородную среAY.

Вариант модели подповерхностной структуры диэлектрической проницаемости грунта Марса выберем следующий о =1,8-2,2, — L« 2ñ0, Й =37, Z<-, где толщина верхнего слоя L изменяется в диапазоне значений L= --10-40 м в верхних широтах и L = 300 — 400 м вблизи экватора.

Такая модель диэлектрической проницаемости соответствует верхнему слою измельченных горных пород с пористостью 40;ь, а в нижнем слое горные породы перемешива. ются со льдом при весовом содержании льда д= 0,75, Это одна из возможностей геологического строения марсианского грунта (81, Измерение характеристик подловерхностной структуры грунта с борта искусственного спутника при помощи радиолокации даст возможность определить зональное строение криолитосферы

Марса по меридианному разрезу экваторполюс и по пространственному распределению, Модель диэлектрической проницаемости необходима для выбора диапазона радиочастот при реализации предлагаемого способа зондирования планеты.

В соответствии с {7) найдем частоты fnm ", на которых коэффициент отражения R имеет минимумы: f m" = {2п — 1)f1, где f1 = c/4 ß 3 = 0,75 10 /ЫеГ)Гц. Вычислим ff, взяв для FI среднее значение

A=2:

f1 = (5,3-1,326) МГц для (= (10-40) м и

f1 = (0,1768-0,1326) МГц для L = (3004000) м.

Для оценки диапазона частот сверху fmax будем считать задачу измерений решенной если удастся зарегистрировать кривую ВЩ, например, до второго минимума n = 2, Ь ах = f2mI" = 3ff, т.Е. СОдЕржащуЮ ХОтя 6Ы один период осцилляций Ю = fn+1 — fn = 2 f1.

Одновременно это позволяет оценить максимальное число излучаемых радиосигНаЛОВ NmIn, ОНО СООтВЕтСтВУЕт МИНИМаЛЬНОму количеству точек для воспроизведения функции R(f). Для воспроизведения одного периода осцилляций считается достаточным брать отсчеты через четверть периода с шагом дт = Af/4 = fl/2 и тогда необходимое число частот для воспроизведения одного периода осцилляций — +1 = — у — +1 =5.

fn+ 1 fn 211 7г

Приняв от эа шаг дискретизации во всем диапазоне частот Л= (2,5 — 3) f1, получим, что для воспроизведения коэффициента отражения как функции частоты R(f) при сформулированном выше условии (регистрация R(f) до второго минимума и = 2) необходимо минимальное число частот

NmIn = (Af/ Bf) + 1 = (5 — 6) + 1 = 6 — 7. С учетом принятого шага измерений по частоте д1 найдем необходимое число частот N в

ДиапаЗОнЕ fcn < fn < fcd. БУДем Считать. что осцилляции кривой R(f) начинаются на частоте f1 и это значение частоты совпадает с

1,е, f1 = fcn. ЧИСЛО ПЕРИОДОВ ОСЦИЛЛЯЦИй (п — 1), определяемое интервалом между минимумами коэффициента отражения, зависит от ширины диапазона частот. Поскольку граничн-ые значения диапазона частот fcn u

fcd ПрОПОрцИОНаЛЬНЫ ЭНаЧЕНИяМ МаКСИМумов электронной концентрации, то

Для ионосфер планет земной группы отноШЕНИЕ N

ЧаСтата fcd СООтВЕтСтауЕт и-Му МИНИМуиу

35 КРИВОЙ R(f), тОГДа ПОЛУЧИМ С УЧЕТОМ f1 = fcnu выражения для fcn.из (8) ОткУДа пРи fcd/fcn = 3 имеем пРостое соотношение 2 и-1 = 3 и и =2. В соответствии со сказанным выше, в диапазоне частот

fcn < f < fcd УклаДываетсЯ оДин пеРиоД осЦилляций и. следовательно, и = И 1 . Диапазон

ЧаСтОт СНИЗУ ОГраНИЧИМ ЗНаЧЕНИЕМ fmln, Отстоящим от f1 на полупериода Лf/2= f1, fmI„= f1 — (Ь Ф!2)-О. Тогда искомый диапаЭОН (1адИОЧаСтОт Df = fmax fmin fmax

- Ь " = 3 f1. Реально в качестве частоты fmfn можно взять отстоящую на четверть периода 6 f/4 0,5 f1 И раВНуЮ fmIn = f1 — (6f/4)=

= 0.5 f1, тогда Df - 2,5. На основании полученных выше оценок f1 имеем

Df = fmax (15,9 3,978}МГцдля1 =(10—

40) м, Df fmax (0.53 — 0,3978) МГц для 1 (300-400) м

2002272

24 и -(n — 1)1= 15.

Оценку числа необходимых частот сверху Nmax получим на основе следующего анализа.

Приведенное отношение йе ® /Nen

-10 соответствует ср