Ветровые морские волны – основная причина возникновения флюктуационных мешающих отражений радиолокационного сигнала. Волны возникают под влиянием атмосферных воздействий. Реакция моря на эти воздействия носит запаздывающий характер и проявляется в разнообразных пространственных масштабах. Поведение ветровых волн, описываемых уравнениями гидродинамики при пренебрежении вязкостью, представляется совокупностью синусоидальных волн с различными волновыми числами. При малых – эффект поверхностного натяжения мал, и волны будут гравитационными (с длиной десятков метров), при больших можно пренебречь силой тяжести – это случай капиллярных волн малой длины (сантиметры – десятки сантиметров). Решения уравнений гидродинамики показывают две важные особенности морских волн: волны обладают дисперсией, т.е. со временем волновые пакеты расплываются, дисперсионное соотношение связывает круговую частоту волн с волновым числом; частицы воды в волне совершают движение по круговым орбитам с радиусом, равным высоте волны; в системе координат, движущейся с волной, линии тока являются трохоидами.
Приближения к сложной реальной картине морских волн достигают представлением морской поверхности как случайно движущейся. Высоты волн описывают рэлеевским распределением, а наклоны – гауссовым. Исходной характеристикой для описания морского волнения служит двумерная корреляционная функция по параметрам х– расстояние, r – сдвиг по расстоянию, t – время, – сдвиг по времени:
,
где –усреднение по множеству.
Преобразование Фурье от этой функции есть энергетический спектр морских волн:
,
где –частота, а –вектор направления движения волны.
Для спектров и –частотного и пространственного спектров соответственно – характерно существование основного резонансного пика. Энергонесущий максимум располагается в области рад/с, при увеличении скорости и продолжительности ветра он смещается в область меньших частот. При этом спектральная плотность растет, высота волн и их длина увеличиваются. Однако такой рост спектральной плотности гравитационных волн ограничен условием устойчивости волн: при достижении крутизной гравитационных волн (отношение высоты к длине) значения 0,15 волны появляются «барашки», волны обрушиваются. При увеличении продолжительности ветра период, длина и высота волн существенно увеличиваются, что необходимо учитывать при сравнении радиолокационных данных, полученных в различных условиях. В области спектр часто описывают соотношениями Филлипса:
где и – постоянные, g – ускорение свободного падения.
По результатам экспериментальных исследований в высокочастотной области морского волнения:
,
где А – коэффициент, зависящий от скорости ветра.
Отметим непрерывный характер спектра волн как следствие непрерывного процесса их возникновения, роста и затухания. Исследования показали, что на спектр морского волнения влияют групповая структура волн, течения, загрязнения, близость береговой черты, глубина моря, выход на поверхность внутренних волн, особенности структуры ветра над морем. Высота, длина и период гравитационных волн связаны корреляционными зависимостями, поэтому описывают их тонкую структуру, используя условные функции распределения. Изменение спектров волн приводит к изменчивости характеристик радиолокационных отражений от морской поверхности даже при одинаковых высотах волн и скоростях ветра.
7.5.3. Отражение от морской поверхности в СВЧ диапазоне
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что рассеяние радиоволн морской поверхностью носит избирательный, резонансный характер. Поле отраженного сигнала формируют в основном составляющие волнового спектра морской поверхности, для которых выполняется условие пространственного резонанса:
(7.14)
где – угол скольжения;
k – волновое число радиоизлучения;
i = 1, 2, 3, …– порядок пространственного спектра.
Важным параметром, характеризующим отражательные свойства взволнованной поверхности моря является удельная эффективная отражающая поверхность - отношение ЭПР освещенной поверхности к ее геометрической площади. В соответствии с теорией рассеяния радиоволн на морской поверхности
,
где – коэффициент, зависящий от угла скольжения и поляризации радиоволн;
– спектральная плотность составляющих морского волнения, для которых справедливо соотношение (7.14) пространственного резонанса.
Обычно удельную ЭПР взволнованной поверхности моря или определяют экспериментально, или используют по возможности простые эмпирические формулы. При этом для характеристики степени волнения моря используют волнение, измеренное в баллах, или используют градацию, приведенную в табл. 7.5.
Таблица 7.5
Шкала волнения моря
| Состояние моря (волнение) | Скорость ветра, м/с | Высота волн, м |
| 0. Штиль | ||
| 1. Гладкое | 0 – 2,6 | 0 – 0,3 |
| 2. Слабое | 2,5 – 5,1 | 0,3 – 1,0 |
| 3. Умеренное, появляются белые барашки | 5,1 – 7,2 | 1,0 – 1,7 |
| 4. Бурное | 7,2 – 8,7 | 1,7 – 2,7 |
| 5. Очень бурное | 8,7 – 10,8 | 2,7 – 4 |
| Примечание: волны зыби не учитываются |
В табл. 7.6 приведены значения удельной отражающей поверхности моря для типовых случаев и типовых РЛС.
Таблица 7.6.
Удельная ЭПР моря
| Состояние моря | Поляризация | Усредненная , дБ, на различных частотах, ГГц | ||||||
| 0,5 | 1,25 | 3,0 | 5,6 | 9,3 | ||||
| Угол скольжения 0,10 | ||||||||
| В | – | – | – | – | – | – | – | |
| Г | – | – | – | – | – | |||
| В | – | – | – | – | – | – | – | |
| Г | – | – | – | – | – | |||
| В | – | – | ||||||
| Г | – | – | ||||||
| В | – | – | – | – | – | |||
| Г | – | – | ||||||
| В | – | – | – | – | – | |||
| Г | – | – | – | – | ||||
| В | – | – | – | – | – | – | ||
| Г | – | – | – | |||||
| Угол скольжения 0,30 | ||||||||
| В | – | – | – | – | – | – | – | |
| Г | – | – | – | – | ||||
| В | – | – | – | – | ||||
| Г | – | – | – | – | ||||
| В | – | – | – | – | ||||
| Г | – | – | – | – | ||||
| В | – | – | – | – | ||||
| Г | – | – | – | – | ||||
| В | – | – | – | – | – | |||
| Г | – | – | – | |||||
| В | – | – | – | – | ||||
| Г | – | – | – | |||||
| Угол скольжения 100 | ||||||||
| В | – | – | – | |||||
| Г | – | – | – | – | – | |||
| В | – | – | – | |||||
| Г | – | – | – | – | ||||
| В | ||||||||
| Г | – | – | ||||||
| В | ||||||||
| Г | ||||||||
| В | – | |||||||
| Г | – | |||||||
| В | ||||||||
| Г | – | |||||||
| Примечания: 1. Знак «минус» при значении в таблице опущен. 2. В и Г – вертикальная и горизонтальная поляризация соответственно. |
Удельная эффективная площадь рассеяния взволнованной поверхности моря, в децибелах, определяется из соотношения:
, (7.15)
где – удельная ЭПР взволнованной поверхности моря, дБ;
– средняя высота волн;
– угол скольжения радиоволн;
– ракурс облучения волн (при излучении навстречу волны) –
При получении соотношения для σ0 принята следующая модель волнения моря:
| Рис. 7.12. Площадка, освещенная главным лепестком антенны |
– процесс изменения во времени высоты волн – процесс стационарный случайный;
– стационарный случайный процесс изменения угла склона волны является гауссовским процессом со средним значением, которое равняется 0, он вызывает бортовую и килевую качки, которые также являются гауссовскими процессами с нулевым средним значением:
.
Эти предположения подтверждаются многочисленными исследованиями;
– стабилизация на качке антенны довольно эффективна в пределах цикла и существенного влияния на эффективность выявления нет.
Соотношение (7.15) хорошо согласуется с данными, приведенными в табл. 7.6 для сантиметрового диапазона волн для углов скольжения 0,1 – 1 градусов.
| Рис. 7.13 Расчет угла для симметричной диаграммы направленности |
– определяется удельная эффективная площадь рассеяния м2 поверхности моря;
– определяется площадь «освещенная» зондирующим импульсом в элементе разрешения, в котором находится цель;
– определяется общая ЭПР освещенной площадки;
– определяется мощность помехи от поверхности моря на входе приемника.
Удельная эффективная площадь рассеяния –взволнованная поверхность моря, в децибелах, определяется из соотношения (7.15) или из табл. 7.6.