научная статья по теме ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА НА ФОРМИРОВАНИЕ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА РАДАРА ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА НА ФОРМИРОВАНИЕ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА РАДАРА ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2014, том 48, № 3, с. 192-197

УДК 523

ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА НА ФОРМИРОВАНИЕ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА РАДАРА ПОДПОВЕРХНОСТНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

© 2014 г. В. М. Смирнов1, О. В. Юшкова1, И. Р. Карачевцева2, И. Е. Надеждина2

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (Фрязинский филиал), Фрязино, Московская область, 2МИИГАиК, КЛИВТ, Москва Поступила в редакцию 03.12.2012 г. После исправления 18.04.2013 г.

Радиолокационное зондирование поверхности и приповерхностного слоя Луны низкочастотным радиолокационным комплексом РЛК-Л с борта орбитального модуля планируется в российской миссии Луна-Глоб. Для прогноза результатов радиолокационных экспериментов разработана методика моделирования отражения сигнала радара РЛК-Л поверхностью Луны. При расчетах использовалась 3-D модель поверхности, построенная по результатам измерений лазерного высотомера LOLA (Lunar Orbiter Laser Altimeter, миссия Lunar Reconnaissance Orbiter). Результаты моделирования показали, что форма спектра отраженного сигнала зависит от типа рельефа в районе проведения эксперимента, поэтому при определении глубинного распределения диэлектрической проницаемости геологических сред должна быть учтена топографическая информация.

DOI: 10.7868/S0320930X14030062

ВВЕДЕНИЕ

Изучение Луны занимает особое место в программах исследования космоса во многих странах. Ее практическое освоение было бы более эффективным при обнаружении значительных локализованных залежей водяного льда в поверхностном слое. Одним из дистанционных методов для решения данной задачи является подповерхностная радиолокация.

Первый опыт радиолокационного исследования приповерхностного слоя грунта Луны проведен в 1972 г. с космического аппарата (КА) Apollo-17. В результате измерений были получены сигналы, отраженные подповерхностными границами раздела грунта на глубинах 0.9, 1.6 и 1.4 км (Porcello и др., 1974).

Возможность применения специализированного орбитального радара подповерхностного зондирования для определения параметров приповерхностного слоя грунта была подтверждена при исследовании Марса. Эксперименты проводились радарами MARSIS (КА Mars-express) и SHARAD (КА Mars Reconnaissance Orbiter). Оба прибора излучали линейно модулируемый по частоте сигнал (ЛЧМ). Радар MARSIS работал в четырех режимах с центральными частотами 1.8; 3; 4; 5 МГц, полоса девиации каждого сигнала 1 МГц (Picardi и др., 2005), частотный диапазон радара SHARAD от 15 до 25 МГц (Seu и др., 2004; Carter и др., 2009; Phillips и др., 2008).

Экспериментальные данные обрабатывались на Земле методом согласованной фильтрации, которая позволяет локализовать во времени сигналы, отраженные от поверхности и внутренних границ, и оценить время задержки между ними. Натурные измерения представлены в виде рада-рограмм, построенных вдоль трассы полета КА. Результаты обработки измерений, выполненных над Северной полярной шапкой Марса, находятся в согласии с геологическим представлением ее строения и наглядно демонстрируют наличие слоистых структур. Однако данная методика обработки не позволяет определить глубину, толщину и диэлектрические параметры пород, слагающих внутренние слои.

В настоящее время в рамках российской миссии Луна-Глоб запланировано проведение радиолокационных измерений вдоль трассы полета орбитального модуля космического аппарата. Предполагается, что модуль будет находиться на полярной орбите, на высоте 100—50 км над поверхностью в течение 1 года. Для радиолокационных исследований поверхности и приповерхностного слоя Луны на борту устанавливается низкочастотный радарный комплекс РЛК-Л. Одна из задач этого эксперимента — изучение диэлектрических свойств и структуры грунта в режиме моностатической локации ЛЧМ сигналом в частотном диапазоне от 17.5 до 22.5 МГц. Длительность сигнала выбирается так, чтобы он полностью сформировался в свободном простран-

тт

стве, т.е. Т < —. В этом случае при анализе отра-с

женных сигналов используется приближение Гельмгольца. В эксперименте для высоты 100 км длительность излученного сигнала предусмотрена равной 250 мкс.

Для обработки результатов зондирования, помимо традиционных способов, будет применяться методика восстановления глубинного распределения диэлектрической проницаемости неоднородного грунта на основе функционального анализа изменений параметров падающей и отраженной волны, т.е. частотной зависимости коэффициента отражения (Юшкова, 2010). Так как данная обратная задача восстановления пространственного распределения диэлектрических параметров грунта относится к классу некорректно поставленных, при обработке результатов измерений и при их интерпретации требуется учет всех процессов, влияющих на изменение параметров сигнала, и коррекция (если она возможна) их влияния.

При подповерхностном зондировании параметры принятого отраженного сигнала зависят от характеристик сигнала, рельефа поверхности, диэлектрических параметров грунта и их распределения по глубине.

Несмотря на то, что рельеф поверхности является доминирующим фактором, влияющим на формирование отраженного сигнала, до сих пор не существует методики учета топографии при обработке результатов измерений радаров подповерхностного зондирования. Известно, что в антенну радара во время приема, кроме вертикально отраженного, попадают импульсы, пришедшие от боковых отражателей, задержанные по времени, что ведет к изменению амплитуды и фазы сигнала. Возникают вопросы: как учесть эти факты при обработке измерений? Как сильны эти искажения? В каких районах целесообразно проведение радиолокационных измерений?

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Для ответа на эти вопросы было проведено моделирование процесса отражения сигнала радара РЛК-Л от поверхности Луны.

Сигнал РЛК-Л: Аналитически ЛЧМ сигнал задается формулой:

и ^) =

[яп (2п (/т1п + /)'

t , ( < Т

[0, t > Т

Огибающая сигнала представляет собой постоянную по высоте прямоугольную функцию. Спектр ЛЧМ сигнала формально не зависит от диапазона частот и тоже является практически прямоуголь-

м о

с

о л

£ ч о

17.5

22.5

/, МГц

Рис. 1. Модуль спектра сигнала: 1 — излученного, нормированного к 1; 2 — отраженного от грунта, состоящего из базальта; 3 — отраженного от грунта, состоящего из реголита; 4 — от слоя реголита, расположенного на базальте, толщина слоя 25 м.

ной функцией. На рис. 1 приведен нормированный к 1 спектр ЛЧМ сигнала (кривая 1) с девиацией А/ = 5 МГц, минимальной рабочей частотой — /т;п = 17.5 МГц. Если бы поверхность Луны была ровная и гладкая, отражение сигнала происходило бы только в одной подспутниковой точке (согласно волновому приближению), несмотря на то, что антенны обоих радаров представляют собой полуволновые вибраторы, и, следовательно, имеют широкую диаграмму направленности. В этом случае спектр сигнала, отраженного от однородного по глубине грунта, состоящего из базальта, представлен на рис. 1 кривой 2, а от мягких грунтов — 3. Спектры отраженных сигналов отличаются от спектра излученного сигнала на

множитель г01 =

= 1 -У^ 1 +

, где б1 — диэлектрическая

проницаемость грунта. Для реголита Яе е1 = 2.8, для базальта Яе е1 = 9 (Ржевский и др.,1976). При наличии подповерхностной границы между диэлектрически неоднородными средами, например грунт—лед, реголит—базальт, отраженный сигнал представляет собой интерференцию сигнала, отраженного от верхней границы, и сигнала, отраженного от внутренней границы. Между собой эти сигналы сдвинуты на время, необходимое для распространения радиоволны соответствующей частоты от верхней границы до нижней и обратно. Так как сигналы длинные, определить время задержки между этими сигналами чрезвычайно трудно. В частотной области эффект интерференции идентифицируется проще, так как спектр приобретает осциллирующий вид. Период

1

0

и амплитуда осцилляций, расположение локальных экстремальных точек в частотной зависимости модуля спектра зависят от диэлектрических характеристик пород и глубины залегания горизонтов их раздела. В качестве примера на рис. 1 приведен модуль спектра сигнала отраженного от слоя реголита толщиной 25 м, лежащего на базальте (кривая 4).

Поверхность. Для расчетов использовалась 3-D модель поверхности экваториальной зоны Луны от 0° до 15° N и 90° до 105° Е (рис. 2), построенная по данным, полученным в ход миссии NASA — Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) с привлечением измерений лазерного высотомера Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA). На рис. 2 карта поверхности представлена в сферической системе координат: широта (вертикаль), долгота (горизонталь), в градации серого цвета приведено отклонение радиус-вектора от радиуса Луны, принятого равным 1737.4 км. Диэлектрическая проницаемость поверхности считалась постоянной величиной, соответствующей диэлектрической проницаемости реголита.

Геометрия задачи. При высоте аппарата H « 100 км круговая орбитальная скорость составляет, примерно, v = RlVgL¡(Rl + H) ~ 1.6 км/с, где

средний радиус Луны RL = 1738 км, ускорение тяготения гравитационного поля на поверхности Луны gL = 1.63 м/с2. Время от начала излучения сигнала до конца приема отраженного 2H/c + T « ~ 0.9 мкс. За это время орбитальный модуль перемещается на 1—2 м. Это позволяет считать, что радар принимает отраженный сигнал в той же точке, в которой начал его излучать. Начало излучения и начало приема разнесены на время, равное 2H/c (высота аппарата H уточняется перед излучением). Время регистрации отраженного сигнала соответствует Tp = 350 мкс, что обеспечивает отражение самой длинной волны рабочего диапазона прибора от слоя, толщина которого составляет около 30 км. Именно таким значением оценивается мощность лунной коры согласно результатам анализа гравитационной карты, составленной по данным КА GRAIL (Gravity Recovery and Interior Laboratory) (NASA).

После приема сигнала РЛК-Л отключает низкочастотный радар и включает другой радар для проведения следующего эксперимента на более высоких частотах. Переключение радаров позволяет избежать регистрации в текущем сеансе переотраженных сигналов предыдущих измерений.

При регистрации отраженного сигнала на антенн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком