Способ определения диэлектрической проницаемости грунта планеты

ю) КС (и) 2 ОО 2272 С51) 5 00183 12 Комитет Российской Федерациипо патентам и товарным знака САНИЕ ИЗОБРЕТЕН ТЕН 919294/09 5.03.910.10.93 Бал. Ия 39 - 4 Институт радиотехники рманд НА; Андрианов Институт радиотехники СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕ ОЙ ПРОН ИЦАЕМОС рактерис ия. спосо ости грун ала на н хности пл а на тех остей изп ждой час ости грун и электроники РАНВА; Штерн ДЯ.и электроники РАННИЯ ДИЭЛЕКТРИТИ ГРУНТА ПЛАНЕ(21) (22) (4 В) (71) (72) (73) (54) ЧЕСК ТЫ (57) ьзование: для определения диэпе ческих ха изобретен проницаем радиосигн нии повер диосигнал ния мощн лов на ка проницаем тик грунта планет. Сущность б определения диэлектрической та планеты включает излучение ескольких частотах в направлеанеты, прием отраженного раже частотах, измерение отношеученного и отраженного сигнатоте и расчет диэлектрической та по результатам измерений.10 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 11- 14 для определения квадратов времени задержки г и г 3 и квадратов уровней сигналов 0 и О, блок деления 15 для.вычисления Оэ /01 и блок деления 16 для вычисления Оэ/ОГблок определения коэффициента отражения 17, блок 18 идентификации (индикации) коэФФициента отражения и определения частот его максимумов и минимумов (первого минимума в случае 3), блок 19 определения минимума коэффициента отражения, блок 20 определения максимума коэффициента отражения и блоки реаения обратной задачи; блок 21 определения толщины верхнего слоя грунта ., блок 22 определения диэлектрической проницаемости д на поверхности планеты, блок 23 определения диэлектрической проницаемости грунта на глубине 1Устройство 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 последовательно, так и параллельно. На входаередетчикв 4 поступают сигналы й 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 бортуАМС либо по линии космической связи результаты измерений передаются на Землю и сосредоточиваются в ЗУ модуля пара метров (блок 10), Из блока 10 результатыизмерений поступают на два параллельных входа блоков 11-14, представляющих собой арифметические устройства для выполнения операции перемножения, Выходы бло ков 11-.12 соединены с первым и вторымвходами 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 й частотах. что позволяет получить численно заданную функцию й В(Ъ). С выхода блока 17 й -значений радмоцастот Ъ и соответствую щие им значения Я(Ь) поступают на входблока 18 для идентификации аида функции йфи) и определения частот Ь, Ь" и б 1 ", на вход блока 19 для определения минимальных значений коэффициента отраже ния В(Ь"ф") = йво, на вход блока 20 дляопределения максимальных значений коэффициента й(Ь"ф") =. Йп 1 ах 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 19соединен 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 е 1, в блоке 23-значениядиэлектрической. проницаемости грунта 4 на глубине 1, Выходы блоков 18 и 22 соединены с первым и вторым входами блока 21, в котором определяется толщина верхнего слоя грунта 1.,Все элементы устройства являются известными, Модуль параметров будет реализован на отечественном компьютере ДВК.В качестве примера реализации предложенного способа рассмотрим его приме=2 п - 1 5 СП 11 40 45 50 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 средуВариант модели подповерхностной структуры диэлектрической проницаемости грунта Марса выберем следующий о = 1,8-2,2, -Е с О,Й =37, г-,где толщина верхнего слояизменяется в диапазоне значений= 10-40 м в верхних широтах и= 300-400 м вблизи экватора. Такая модель диэлектрической проницаемости соответствует верхнему слою измельченных горных пород с пористостью 400, 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 (8), Измерение характеристик подповерхностной структуры грунта с борта искусственного спутника при помощи радиолокации даст возможность определить зональное строение криолитосферы Марса по меридианному разрезу экватор- полюс и по пространственному распределению, Модель диэлектрической проницаемости необходима для выбора диапазона радиочастот при реализации предлагаемого способа зондирования планеты. В соответствии с (7) найдем частоты Ьф", на которых коэффициент отражения К имеет минимумы п" = (2 п - 1)11.где 11 = с/4 Я 3 =0,75 10 / /еГ)Гц. Вычислим 1 т, взяв для с 1 среднее значение1о= 2,11 = (5,3-1,326) М Гц для 1. = (10-40) м и 11 = (0,1768-0,1326) МГц для . = (300- 4000) м.Для оценки диапазона частот сверху 1 вах будем считать задачу измерений решенной если удастся зарегистрировать кривую ВЩ, например, до второго минимума и = 2, вах = тгф = 311, т.е. содержащую хотя бы один период осцилляций Ю = Ь+1 - Ь = 2 б,Одновременно это позволяет оценить максимальное число излучаемых радиосигналов йа, оно соответствует минимальному количеству точек для воспроизведения функции й Для воспроизведения одного периода осцилляций считается достаточным брать отсчеты через четверть периода с шагом дт = Ьт/4 = 11/2 и тогда необходимоечисло частот для воспроизведения одногопериода осцилляций Ь+1 п 2111 - у- в +1= в-+1=5,1 г Приняв от эа шаг дискретизации во всем диапазоне частот Ь= (2,5 - 3) 11, получим, что для воспроизведения коэффициента отражения как функции частоты ВЩ при сформулированном выше условии (регистрация ЙЩ до второго минимума и = 2) необходимо минимальное число частотйво = ( Ь 1/ д) + 1 = (5 - 6) + 1 = 6 - 7. С учетом принятого шага измерений по частоте д найдем необходимое число частот й в диапазоне 1 спЬсд. Будем считать, что осцилляции кривой ЙЩ начинаются на частоте б и это значение частоты совпадает с 1 сп. 11 = 1 сл. Число периодов осцилляций (и - 1), определяемое интервалом между минимумами коэффициента отражения, зависит от ширины диапазона частот. Поскольку граничные значения диапазона частот 1 с 55 и с пропорциональны значениям максимумов электронной концентрации, то 30Для ионосфер планет земной группы отношение Иадах/Май" = 10 (9). Тогда полУчим 1 сдйс 5 = 3. БУДем считать, что веРхнЯЯ частота тсд соответствует и-му минимуму 35 кривой й(ф тогда получим с учетом т 1 = тс ивыражения для 1 сп.из (8) Откуда при 1 са/св = 3 имеем простое соотношение 2 и= 3 и и = 2, В соответствии со сказанным выше, в диапазоне частот 1 с 551со укладывается один период осцилляций и. следовательно, й = Йвм. Диапазон частот снизу ограничим значением савв, отстоящим от 11 на полупериода Ьт/2= т 1, Фвь = б - (Ь Ф/2) -О. Тогда искомый диапазон радиочастот 0 = 1 вах 1 ви 1 вах - Ьв " = 3 б. Реально в качестве частоты Ъвв можно взять отстоящую на четверть периода Ь /4 0,5 11 и равную 1 вм = 1 - ( Ь /4)= = 0.5 11, тогда 01 " 2,5. На основании полученных выше оценок т 1 имеемР = 1 вах (15.9 - 3 978) МГц для 1 = (10 - 40) м,01 " вах = (0.53 - 0,3978) МГц для 1 (300-400)м23 2002272 йеех "(и - 1)1= 15. 50 Оценку числа необходимых частот сверху йвах получим на основе следующего анализа,Приведенное отношение йРф" /й -10 соответствует средним условиям, сложная динамика ионосферных процессов .обуславливает вариации этого отношения (их называют аномалиями 9 в 2-3 раза: йи"/йе" =20-30. Взяв среднее значение отношения йед"/йеп" =.25, получим для 1 с/со = 5 и соответственно из соотношения (2 и) = 5 имеем и3. Это соответствует увеличению до двух числа периодов осцилляций коэффициента отражения ЙЩ и увеличению числа частот от й (и - 1) " 2 10, Кроме того, диапазон частот снизу также следует. продлить в сторону нижних частот ,111 по крайней мере на полпериода или, округляя до целого значения, на период, Это приводит к увеличению и еще на единицу: и - 4. Тогда в качестве оценки сверху числа необходимых частот можно принять Полученная оценка йвах соответствует отсчетам с шагом в четверть периода осцилляций ЯЩ. Для повышения качества измерений этот шаг следует уменьшить, что приведет к увеличению йщах (в 2,3 и т.д. раз при шаге 1/8, 1/16 периода и т,д., соответственно). Предельное значение йеах будет зависеть от технических воэможностей при реализации способе. С методической точки зрения примем в качестве оценки йаах" 15Далее напомним критические .частоты ночной 1 сд и дневной 1 с ионосферы Марса, По современным данным они равны Ь =(0.4-0,5) М Гц и 1 м =(3-5) МГц соответственно 10). Диапазон излучаемых частот должен удовлетворять условию 1 соЬса, а именно (0.4-0,5) МГц1 й(3-5) МГц. Сравнивая эти значения с оценками диапазона радиочастот 01, можно отметить, что этому условию удовлетворяют радиочастоты, позволяющие осуществлять радиолокационное зондирование верхнего слоя грунта в пределах его толщины от= 40м до 3 =300-400 м.Оценим возможные временные задержки т при отражении радиоволн от ионосфе ры и поверхности планеты, Высота орбитыспутника над поверхностью Марса может изменяться примерно от Ез = 500 кв до Еэ 6000 км, высота максимума ионизации 2 = 120-135 км, дальность до точки отраже ния от ионосферы составит б = Ъ - 2 изадержки а = 2 б/с, при Еп, = 120 км, с = 3 10 м/с, ее значения приведены ввтаблице, Там же приведены значения задержки т при отражении радиоволн от поверх ности планеты х = 2 б/с = 2 Е/с иотношения б/б = т,/ ю. В случае грунта с потерями модель диэлектрической проницаемости в соответст вии с (5) имеет вид 1 - И 9 д) - - 0,Г(1 - Й 9 д 2), Е ( - 3, 25В соответствии с (17) Й 9 д= (5,3 10 а - -6,2 10),/2(5;3 10 а - 6,2 10 з)(/7 - 1), Взяв для й среднее из приведенных значений е 1 = 2, получим т 9 д 1.= 4,4 10-а 30 .з -5,14 10, а дл я. в = 3.7 имеем Щдг = 9,8 10 - 11,4 10 . На основе принятой модели получим необходимую нам оенку у =лпЩд 1, ут= (1,3810 - 1,6 10 )п, 35 и = 1,2,3,.пй, Оценки остальных величинсовпадают с приведенными для грунта безпотерь.Для реализации данного способа в настоящее время разрабатывается радиолока ционный комплекс РЛК-М, планируется установка комплекса в составе научных приборов на АМС "Марс 94" в 1994 г. в рамках Государственной научно-технической программы "Марс", 45. (56) ВЕ. Кашпировский и ф, А. Кузубов. Распространение средних радиоволн земным лучом, М.: Связь, 1971.25 2002272 Значения временных задержек при отражении радиосигналов 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 10 та .с 3,333 б,ббб 13,333 26,666 20 33,333 40 10. т,с 2,533 5,866 39,2 12,533 25,866 32.533 1,316 1, 1.36 1,064 1,042 1,031 1,02 1,024 ле Е 2 = ах - Вв и) -е" 1 1 - Й 1 = йптдд 1, Щгенс углагрунта,0 - для грС 5,3 10 4лымипоте та без по 2 10 )рунта Аюю Ъ Ф о р мул а и зоб рете ни я СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ГРУНТА ПЛАНЕТЫ, включающий излучение радиосигнала на одной частоте в направлении 5 поверхности планеты, прием отраженного радиосигнала, измерение отношения мощностей Й отраженного и излученного радиосигналов с последующим расчетом диэлектрической проницаемости грунта "0 планеты, отличающийся.тем, что, с целью обеспечения определения диэлектрической проницаемости слоистонеоднородной среды, излучают радиосигналы на других частотах, принимают отраженные радио сигналы,на этих частотах, измеряют отношение мощностей Й отраженного и излученного радиосигналов на каждой частоте, рассчитывают диэлектрическую про ницаемость и поверхностного слоя грунта планеты толщиной 1 = с/4 Мй по формулеФ81 = 1 + Ввах) 25 (1 + Йвй)/(1 - ЙвахЯ 1 - Ввь),.а диэлектрическую проницаемость е 2 нижележащего слоя рассчитывают по форму 1 Ввах) 11 - Йвь 1) ) где с = 310 м/с - скорость распространев ния электромагнитных волн в вакууме;вах ви М = Ь - С - разкость частот радиосигналов, на которых отношение мощностей Й принимает максимальное и минимальное значения соответственно и = Т,Ю, М - число излученныя радиосигналов; Йвах и Йвгл - максимальное и минимальное значения В из измеренных по отношениюмощностей на всех частотах излученных радиосигналов; )/ д 1,2 = 2 Ь(еи - 1) - тандиэлектрических потерь2002272 ераюрК Составитель Н. Арма Техред М.Моргентал орректор М. Демчик тор А, Бер Тираж Подпис НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Изобретение относится к планетной астрофизике и разведочной геофизике, аименно к активным способам дистанционного(бесконтактного) определения электрических характеристик (комплекснойдиэлектрической проницаемости е = е (1 --1 1 д д подповерхностных слоев грунтапланеты в зависимости от глубины на основе электромагнитного зондирования и приема отраженных радиоволн с бортаискусственного спутника планеты,Известен способ, суть которого заключается в следующем: с борта искусственного спутника Луны излучают в направленииповерхности планеты (в надир) импульсныерадиолокационные сигналы на одной частоте, принимают отраженные поверхностьюпланеты и отраженные подповерхностнойграницей раздела слоев на глубинерадиосигналы, измеряют время задержки Ь 1между сигналом, отраженным поверхностью планеты, и сигналом, отраженнымподповерхностной границей разделаслоев, определяют электрическуютолщину верхнего слоя грунта1 е - с61/ е 1 = ъе 3 1, где Е 1 - диэ,лектрическая проницаемость грунта; с- скорость света в вакууме.Однако для реализации способа обязательно наличие подповерхностной границыраздела слоев на глубине(в противномслучае 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 динамическомудиапазону; выбор диапазона частот в сильной степени зависит от наличия априорнойинформации о глубине залегания границыраздела слоев ; в результате измеренийопределяется только электрическая толщина верхнегослоя грунта Ь= Я(значениедиэлектрической проницаемости г не определяется),Прототипом предлагаемого изобретения является способ, суть которого заключается в следующем; с борта воздушногосудна (самолет, вертолет и т,п.) антеннойапертурой 1 излучают в направлении поверхности планеты (в надир) радиолокационныесигналы на одной из высоких радиочастот,принимают и сравнивают мощности отраженного от поверхности планеты радиолокационного сигнала и излуче нногорадиосигнала, Определяют расстояние бдо отражающей поверхности грунта планеты, определяют коэффициент усиленияапертуры 1 и производят взвешивание ре 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 зультатов сравнения мощностей отраженного поверхностью грунта планеты и излученного радиосигналов. По результатамсравнения этих мощностей с учетом взвешивания вычисляют коэффициент отражения радиоволн по формуле Френеля и по егозначению оценивают электрические характеристики грунта планеты,Недостатками этого способа являются;отсутствие оценки толщины верхнего слоягрунта, которому следует сопоставить измеряемые электрические характеристики, чтосвязано с трудностью получения такой оценки при одночастотном способе измерений,необходимость предварительной калибровки аппаратуры, включая антенно-фидерныйтракт, для определения коэффициента усиления 6, что является технически сложнойзадачей, Кроме того одночастотный способизмерений не позволяет измерить распределение электрических характеристик грунтапо глубине; определяется только диэлектрическая проницаемость в верхнего слоягрунта на относительно высоких частотах,Целью изобретения является расширение функциональных возможностей эа счетопределения зависимости от глубины диэлектрических характеристик (параметров)слоисто-неоднородного грунта планеты иснижение экономических затрат за счет упрощения процедуры калибровки аппаратуры,Указанная цель достигается тем, что визвестном способе при движении искусственного спутника планеты (ИСП) по круговойили эллиптической орбите дополнительнопоследовательно во времени с периодомамплитудной модуляции Тм излучают гармонические сигналы на (ч) частотах 1 м =вч/2 л, удовлетворяющих условиюспЬасс, где 1 сп - критическая частотаночной ионосферы планеты; 1 с - критическая частота дневной ионосферы планетыИвиИМщах. Мппп -6 7, %пах15,частоты последовательных сигналов связаны соотношением1+ = , + дгде К = 1,2,3 ч,д 1 = (Ь - 11)/й - равномерный шагдискретизации по частоте, период модуляции Тм удовлетворяет условиюС Ь 1 5 Тм 2 дз/сгде Лт1001 - длительность гармонического сигнала;0 = Тм/ Ьт - скважность сигналов,О 23;с = 3 10 мlс - скорость света в вакувуме, в промежутках между излучением двухпоследовательных сигналов на й участках. ( Явах - Явп ) - е г ( 1 - ЯвахЯв и - ( 1 - Явах ) ( 1 - Явп ) )3 =с/4 ЖЯ т 9 А,2 =2 Ь(1/еГ 2 1) 1 =Угпт 901,Ь =(5,310 - 6,210 ),20 25 30 орбиты измеряют отраженные дневной ионосферой амплитуды сигналов О(Ь), измеряют время задержки отраженного сиг. нала г, результаты измерений запоминают, измеряют отраженные поверхночтью грунта амплитуды сигналов Оз(1 м) в й участках орбиты на ночной стороне поверхности зондирования планеты, измеряют время задержки отраженного сигнала г запоминают результаты измерений, проводят взвешивание принятых сигналов Оа(Ь) в соответствии с коэффициентами дч = га/ть по результатам измерений определяют модуль коэффициента отражения Я на частотах Ъ по формуле Я(1 м) = дй Оа (Ь)/О (Ь), 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 придвижении космического аппарата - искусственногоспутника планеты(ИСП) над освещаемой Солнцем дневной стороной ее поверхности выше максимума электронной концентрации ионосферы йавпва" (2 в) (фиг. 1), где 2 в - высота максимума электронной концентрации над поверхностью планеты, с борта ИСП в перпендикулярном к поверхности планеты направлении (в надир) излучают радиоволны разных частот Ь, й"1,2,3, йвийИвах, йвп 6-7, Ива15, при этом Ь1 ы, где Гм - критическая частота дневной ионосферы при ее зондировании в надир, 1 со = Г 81 й еУ где Им" - максимум ионизации дневной ионосферы, Излучаемые на этих частотах радиоволны отражаются от ионосферы в обратном направлении с коэффициентом отражения Я(Ь) = 1. Отражаемые мощности радиосигналов Р(Ь) принимают на борту ИСП и измеряют соответствующие им с едние напряжения сигналов О = 2 Р 2 а = 1 а 2 а,ты Ь ", и = 1,2,3 иМ, на которых Я как функция частоты имеет минимумы Явп и частоты 1 пх и = 1,2,3 иГ 4, на котоРых й 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: Е 1 = (1 + Явах)(1 + Явп)/(1 - Явах)(1 - Явп),а по значению разности частот Ь 1 = Ьвах - -Ьпв и определяют толщинуверхневах впго слоя грунта по формуле 1 = с/4 Л 1 М ег, где с - скорость света в вакууме. где 1 а-ток на клеммах антенны; 2, - входное сопротивление антенны, Одновременно измеряют время задержки г принимаемого отраженного сигнала на частоте Ъ по отношению ко времени излучения радиосигнала той же частоты Ь, 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 1 ч,И=1,2,3 йви 5 И Я Ивах, Ивп6-7 Ивах15, и Ри этом Ь оп, Ь = К 8 й 3 ап, где 1 сп - критическая частота ночной ионосферы, чап" - максимум ионизации ночной ионосферы, Излучаемые 35 радиоволны проходят через ионосферу и отражаются в обратном направлении от поверхности планеты, Отражаемые мощности радиосигналов Ра(Ь) принимают на борту ИСП и измеряют соответствующие им сред нивналряжания сигналов О- вг 2 Рв 2, 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 время2002272 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 Оа/О сигналов, отраженных поверхностью планеты и ее ионосферой, в соответствии с коэффициентами дМ, вычисляемыми следующим образом.Результат отражения радиоволн от поверхности планеты описывается известной формулой для мощности Ра(Ь) Раи р 62 (4 б)2(2) Здесь дй= тЯ 4/ т(Ь) (а) 55коэффициент пропорциональности, на который умножают отношение уровней сигналов, отраженных поверхностью планеты Оа и ионосферы О 8 дальнейшем будем называть их коэффициентами взвешивания, Их Ра (Ь) й(Ъ), (1)(алб, )2 где Р - мощность излучаемого сигнала",61 - абсолютный коэффициент направ. ленного действия антенны;Л и - длина волны радиоволны, Л ы = =Ь/с:бз = с тз/2 - расстояние от ИСП до поверхности планеты ба = г - а (см, фига) Я - коэффициент отражения монохроматических радиоволн от поверхности планеты (по мощности).Результат отражения радиоволн от ионосферы описывается аналогичной фор- мулой где й = с М 2 - расстояние от ИСЗ до отражающей области ионосферы, б = г -(а+ в) (см, фиг. 1,а), й(Ь) = 1, бч1 са. Мощность излучения Р должна быть такой, чтобы значения принимаемых мощностей сигналов Ра и Р обеспечивали превышение уровня сигнала над заданным пороговым уровнем Рвы. В качестве порогового значения Рва обычно принимают значения, превышающие уровень мощности теплового шума Ра - кТ Ь 1 на входе приемника в 10 раз; Рвп 10 Рш 10 МТ Ь,где К = 1,38 10 Вт/Гц град - постоянная-23 Больцмана; Т - абсолютная температура;Л 1 - полоса частот приемника. 5 Тогда условия РзРвы, РРаьобеспечивают возможность приема и реги.страции сигналов на выходе радиолокатора,При заданных параметрах орбиты (высота круговой орбиты бв = г - а над поверх ностью планеты или значения перигея бп = гл - а и апогея бд = гд - а эллиптической орбиты) и вычисленном значении Рвв иэ формул (1) и (2) определяют необходимую мощность излучения Р и соответственно 15 амплитуду изл чаемого гармонического сигнала О = 2 Р 12 д, 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 Р как на круговой, так и на эллиптической орбите. Тогда при заданной мощности Рс (из условия технической 25 реализуемости передатчика) из соотношений Ра = Рвь и Р = Рвы определяют предельное значение высоты круговой орбиты бвв, . при которой возможна реализация способа:при Рз = Раж и Р = Раж имеем: 30 : " - щи ц-4 д РВ(1 И) так как Я(Ь)й(Ь), В = 1, то нужнобратьбвах,увах"0 Из этих же соотношений для эллиптическойорбиты формируют рабочую зону (угловойсектор в плоскости орбиты) бпб - бвв,гп 5 г гпв,На основе формул (1) и (2) получают вы 45 .ражение для модуля коэффициента отражения В(Ь)2002272 На третьем этапе результаты измерений по линии космической связи передают 5 с борта искусственного спутника исследуемой планеты на Землю для определения коэффициента отражения В(Ь) 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,В(,)зо 1 1 с=О 125 е, = 1 - диэлектрическая проницаемость атмосферы планеты; Эл описы(1 - 19 д еская пр прони где е ницае нс угла понородной унта планее представРерывной 25 У 1 = 9(119 терь.подповты расляютфункци в = 2 л 1,ГДЕ Е 1, Е - Ди1мость грунта,1 - толщина в2 - глубина отЭто соответствуена полубесконеч Используютотражения р лектрических х е - е 1 1 - д зп 2 ОлЯ 1/с +е 11(7)- е 1) ( 1 - е 1 )3 и (ГО е 1 1 /с) +е уле (7) схемаКак видно из 4 В(т) является она зависит На основе те ировать системремы Ф3-х ураестныхез потер ерма можно сфор внений для опре величин е 1. е 2 и 1. 1деления 3-х неизвдля слоя грунта б т определить, ьтат вычислеом множителя 5 в в бВ/сИ=О при ВИп ") = ВвпВ(тп ) = Ввах вычисляют по формуле (4) на основе измеренных значений г и т.-. ектрические характерист вают комплексной диэле 1 аемостьюе = е -е = е 1,В- собственно диэлектри мость, 19 д= е / е - танге 11 Для слоисто неод ерхностной структуры гр пределение е по глубин в виде кусочно-неп ей е(2):2): е 1(1 - т 9 д 1), - 12О, е 2(,1 - 119 д 2), 2 ( - 3 лектрическая проницаерхнего слоя грунта; оверхности планеты 2 =0 . слою грунта, лежащемуом основании,зависимость коэффициадиоволн от частоты 1 и,рактеристик грунта е 1,Результат вычисления по фортически показан на фиг. 2.формулы (7) и фиг. 2. функциосциллирующей и. кроме тогот е 1, 4 и 1, которые следуеАналогичный вид имеет резулния В по формуле (6) с учетослабления е е 2, 19 д 1 и толщины верхнего слоя 1 4 ввиде В о 1 +21 В о 1 В 12 есоя% +В 2 е- 21/1+27 йпЙ 12 есои ЧУв(б) д, н.щ- ЖГЕ + Ц Здесь В представляет собой коэффициент отражения радиоволн по мощности как отношение средних плотностей потоков энергии радиоволн, отраженных от поверх- НОСТИ ПЛаНЕтЫ 31 И ПаДаЮЩИХ На НЕЕ Зо (отношение модулей вектора Умова-Пойтинга). Электрические свойства грунта, описываемые комплексной диэлектрической проницаемостью е, обуславливают ослабление поля радиоволн при распространении в толще грунта(4, Формула(6) пригодна для грунтов с малым ослаблением радиоволн, т,е. малыми значениями тангенса угла поте ры 9 д 1 1, 19 д 2 1. Это позволяет реализовать дистанционное зондирование при условии у 11, В частном случае верхнего слоя грунта без потерь (т 9 д 1 = 0) из формулы (б) получим(10 1 ах Вв 1 и а Е 1 ятаатта вахйв 1 п Ввах -тери) в грунте тропроводимоких потерь, опй частью сти 4, так что Е =Е - 1 Е,1 14) Ео е ебая (5) извес ери на частота релаксации (ин яризации диэле ональны частот На основе теории диэлектрические по вышающих частоту ность процесса пол б, обратно пропорц но, что 1, пре ерцион ктрика+1/В 12 е аа тЕ 1 т 1 а Е 1 тг3 )- Еоо ) - ,/%1 - 1/%2и 0 Этосп 10,1 Подст получ диапазона радиоволн раведливоМГц,авив выражим для 19 д) е 9 д 1.12к 19 д 1/2 т При этом рах ри.е где п =(2 и -1)с/41 Я 1., 5 п = пс 21 Я 1 Из выражения (8) следует:йв- (Я; - 1)/(Г + 1) или Р 1(Я, Явах) О,Вв 1 и-(Е 11-/Ж)/( д +1/Ег) илифЕ(д а 6, йв 1 и) =О,Ю = Ьвах - 1 пвв - С 4 О/Ег 1 ИЛИ рф 11, ., Ф)=0,Решение системы уравнений дает последовательно значения искомых величин 4,Е и 1.: ЕЬ = И 1 + Явах)/(1 йв 1 оМ 1 + Вв 1 и)/(1 - Явах)(1 - йв 1 и),Таким образом измерив экспериментально зависимость модуля коэффициента отражения от грунта как функцию частоты й = й(1), можно определить толщину верхнего слоя ., его диэлектрическую проницаемость е 1, диэлектрическую проницаемость нижнего полупространства ег и получить распределение е (7) по глубине в форме кусочно-непрерывной функции,При наличии потерь в грунте(19 д 1,2 Ф 0) система уравнений (8) сохраняет свой смысл, т,е, коэффициент отражения й в формуле (б) имеет минимумы и максимумы приви вах тех же значениях частот Ь и Ь, но значениЯ Явах и Вв 1 и в этом слУчае Равны так как т 9 д 11,В Дальнейшем обозначим У 1 па" =У 1 и" = У 1В результате из (11) имеем 51 ВО 1 + 1 й 12 е У 1Явах =1 4 ъЪе 1 В 1 е е 1/Во 1 - Лбг е 10 Вво = (12) 1 - 1/Во 1 В 12 еНайдено решение системы уравнений(12) относительно Во 1 и /Й 12 е У 1 в виде 15 Ослабление радиоволн (по обусловлены наличием эле сти грунта а и диэлектриче 35 Ределяемьх мнимодиэлектрической проницаем еа/еоо ) - 1. м + д/Еовоо сопмМ О2002272 тдд = (5,3 10 - 6,2 10 )р,(17) где рв г/см .5 Получено следующее решение обратной задачи дистанционного радиолокационного зондирования грунта планеты, обладающего малыми потерями:Г Ввах + Ваи + 1 + Йвахйви 1 - йвах 1 - Вви 2Я 1 -Ввах + Вщи 1 + Веахйви " йщах 1 Вии Ь = (5,3 10 - 6.2 10у 1 = лпщд 1 =2 кпЬ(/Ж - 1), 4= д П 1+ Лбг)/(1 - 1 йи)=Е 1=( Вшах - Йппи ) - е (1 йпахйеи (1 - Впех ) (1 - Вви ) ) менением значений диэлектрической проницаемостиот и на поверхностидо ег на 15 глубине(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 пол учить общее выражение для коэффициентаотражения на границе раздела атмосфера - поверхность планеты при 2 = 0: В =(-1)х(у 1(О)+ дА(ОЮЕрг( - ф )- УЬ(-)к/й НФ О)+ фаей(ОМ) Ер(-ф.) -у 4( - .Х% 3 путем сшивания линейно независимых решений у 1(2), рг(2) дифференциального уравнения 2-го порядка 25 911(2) =А 1 ехр(-И % 2),а = А 2 Ехр(й Го К, 2- "+Ря до=юб 2(20) 30и их первых производных ф 1 (2), Й (2), чтобы удовлетворить условию непрерывности этих величин 71 на поверхностях раздела атмосфера: - поверхность планеты при 2= 0 и слой грунта - нижнее полупространство 35 при 2= -., Здесь а - диэлектрическая проницаемость на глубине. отсчитываемой от поверхности. Учитывая физические представления о механизме отражения радиоволн и взяв в первом приближении в 40 качестве решений. 6 (1 + йвах) /(1 - Йвах)(21) Это означает, что /31 и у 1 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 й = ВЩ от грунта, обладающего малыми потерями в верхнем слое, можно определить толщину верхнего слоя ., его диэлектрическую проницаемость д и диэлектрическую проницаемость нижнего полупространства Й,Диэлектрические характеристики неоднородного слоя грунта с непрерывным изполучили выражения для предельных значений коэффициента отражения на низких частотах Ив й(т) - Йвах и высоких частотах-+оП 1 ВЩ = Йви, КОТОРЫЕ ПОДтВЕРжДаЮтСЯ г-+фрезультатами численного моделирования (фиг. З,б). Откуда следуют формулы для определения диэлектрических постоянных грунта д и 4:д -(1 + йап)/(1 - йп и)Толщина верхнего слоя грунтаопределяется по значению частоты т 1 ", на которой коэффициент отражения ВЩ, убывая с ростом частоты, впервые достигает минимума(22)На фиг. 1 а,б представлены схемы эксперимента по радиолокационному зондирования грунта планеты с борта ее искусственного спутника, На фиг. 1,а - орбита круговая: 2 п 1 - высота максимума электронной концентрации ионосферы, а - радиус планеты, г - расстояние от центра планеты до спутника. На фиг, 1,6 - орбита эллиптическая: 2 п - высота максимума электронной концентрации ионосферы; а - радиус планеты, гд,п - расстояния от центра планеты до апогея орбиты А и перигея орбиты П соответственно, ги - предельная дальность рабочей зоны проведения эксперимента гп г гни). гз, гя - расстояния от центра планеты до точек орбиты Я и В, пересекающих границу свет-тень при входе ИСП в область тени гз и выходе из нее гя соответственно.На Фиг. 2,а показана модель диэлектрической проницаемости в зависимости от глубины 7, соответствующая подповерхностной структуре грунта планеты в виде однородного слоя грунта толщиной (. с диэлектрической проницаемостью 1 на входящем в глубь планеты полубесконечном слое с диэлектрической проницаемостью 4, Эта модель описана формулой (5), На Фиг, 26 прказана зависимость коэффициента отражения радиоволн от поверхности планеты с диэлектрической проницаемостью грунта (2), описываемой формулой (5) и фиг. 2 а, как функция частотыНа фиг. За показаны модели 1-5 неоднородного слоя грунтас непрерывным изменением диэлектрической проницаемости по координате слоя -(.ЕО, На Фиг. Зб показана частотная зависимость коэффициента отраженил радиоволн от поверхности планеты с непрерывной зависимостыю диэлектрической проницаемостью грунта И. (2) в слое -2О 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 й частотах. На фиг, 5: 1 - время, 0 - амплитуда излучаемых сигналов, Тм - период амплитудной модуляции, Ь- длительность излучаемого сигнала, 1 к - моменты начала излучения последовательных сигналов (К = 1, 2, З,й),тк + Д 1 - моменты окончания сигналов.Длительность излучения Ь тк = як+1 - 1 к, для5 гармонических сигналов связана с частотойсигнала соотношением Ь тк10//тк, которое соответствует связи ширины спектрарадиосигнала ЛЬ с длительностью излучения Ьтк по Формуле Ь 1 к Ьтк =1 (4) и10 учитывает для гармонических (узкополосных) сигналов соотношение Ьтк = к/10.Для простоты построения аппаратурывозьмем длительность излучения каждогоиз сигналов постоянной на всех частотах15 Ьт=- Ьт 1= Ь 12= . Ьтк, так как при этомна всех частотах должно выполнятьсяусловие Ь 1 к10/1 к, то должно бытьЬ 1 = Ь 1 вах = 10/1 в 1 о = 1 ОЛ 1. Период модуляции Тм учитывает наличие паузы между20 излучением двух последовательных сигналов для приема отраженного сигнала и удовлетворяет соотношению О Ьт Ту 2 бз/с,где С 1 = Тм/ Ь - скважность радиолокационных сигналов, О2 - 3, бз - расстояниеот ИСП до поверхности планеты, По результатам наземных траекторных измеренийпри формировании рабочей орбиты спутника до проведения измерений по радиолокационному зондированию известнымоменты времени и точки орбиты пересечения спутником границы освещенной Солнцем (дневной) и теневой (ночной) сторонпланеты при заходе в солнечную тень и выходе из нееИСП,При осуществлении предложенного. способа производят в три этапа следующиеоперации,На первом этапе измерений осуществляют калибровку аппаратуры при движении40 спутника над дневной стороной планеты.1.1, Излучают последовательно во времени с периодом модуляции Ты гармонические сигналы на К разных частотах Ь припомощи реализуемых передатчика и антенны, Циклограмма излучения сигналов показана на фиг. 5.1.2, В паузе между излучением двух последовательных сигналов измеряют овнунапряжения радиосигналов О = Р 2 =50 =2 а, отражаемых от разных по высоте Ъчнад поверхностью планеты областей ионосФеры, где 2 и определяют из условия равенства нулю диэлектрической проницаемостиионосфе ы (2 и) = 1-81 (й(Ън)/Ь, откуда55 Ь = 1 М( Ъ ) .1,3. Измеряют задержку 4, (К = 1,2,3.йвремени прихода отраженного сигнала1+1 относительно времени излучения= х1.4. Результаты измерений запоминают для последовательности известных частот Ь при помощи стандартного запоминающего устройства (бортового магнитофона).На втором этапе измерений осуществляют измерение коэффициента отражения радиоволн В от поверхности грунта планеты как функцию частоты 1 при движении спутника над ночной стороной планеты,2.1, Излучают последовательно во времени с периодом модуляции Тм гармонические сигналы на Й разных частотах Ь, используя те же передатчики и антенну,2.2. В паузе между излучением двух последовательных сигналов измеряют овни напряжения радиосигналов 1 А = РаЕа = = 4 Еа, отражаемых от поверхности грунта планеты,2,3. Измеряют задержку 4 времени прихода отраженного от поверхности сигнала ск+1 относительно времени излучения сигнала ск, т.е. х = ск+ - ск, В дальнейшем обозначаем х = ха,2,4, Результаты измерений запоминают для последовательности известных частот Ь 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 треть 3) для грунта без потерь с непрерывным измерением значений диэлектрической проницаемости от значения О на поверх 1ности до значения 4 на глубине 1: ем этапе осуществляют следуОщие операции.3.1. Определяют коэффициенты взвешивания 91 ч в виде отношения 9 Й = хв (сй)/ х 1.(тч) и Возводят в квадрат путем перемножения двух значений 91 ч.3.2, Определяют отношение уровней сигналов Оа(т 1 ч)/01(г 1 ч) и возводят это отношение в квадрат путем перемножения.3.3. Определяют последовательность значений модуля коэффициента отражения радиоволн В(Ь) поверхностью грунта планеты перемножения В(т 1 ч) = 91 ч (Оа/О 1) . В результате формируют функцию В = В(г) в виде массива чисел. что соответствует табличному заданию функции.3.4, Воспроизводят функцию ВЩ в графическом виде для ее идентификации с модельными представлениями, определяют частоты максимумов Ь" и минимумов Ь ", где и - номер максимума или минимума соответственно,3.5. Определяют значение максимума модуля коэффициента отражения Ввах путем перебора значений й(Ь) и их сравнения по критерию оценки наибольшего значения,3.6. Определяют значение минимума МОДУЛЯ КОЭффИЦИЕНта ОтРажЕНИЯ йв 1 п ПУ- тем перебора измеренных значений й(Ь) и их сравнения по критерию оценки наименьшего значения,3.7. Определяют значение диэлектрической проницаемости верхнего слоя грунта по формуле 1 для грунта без потерьк 1=(1+В .,Х 1+В .)/(1-й .,Х 1-й .),12) для грунта с потерями 3.8. Определяют разность частот Ь тгвах сови и частоту тсв 1 п3.9. Определяют толщину верхнего слоя грунта планеты; для случаев.1) и 2) по формуле 1. - с/4 ЛФ 1 Я для случая 3) по формуле .=с/411 "1 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.