Анализ диаграммы обратного рассеяния позволяет при малых углах наблюдения Θ оценить величину среднеквадратичного угла наклона σα — той же величины, которую дает угловое распределение отраженного сигнала. Это распределение, называемое диаграммой отражения, получают при бистатической радиолокации (об этом будет сказано дальше).
Интенсивности отраженного и рассеянного сигналов зависят и от электромагнитных свойств вещества исследуемой поверхности. Если грунт поверхностного слоя планеты достаточно сухой, как, например, на Луне, Марсе и Венере, то его электропроводность относительно невелика. Поэтому характер отражения этим грунтом радиосигнала определяется эффективной диэлектрической проницаемостью вещества, из которого состоит грунт.
Отметим еще, что если бы исследуемая поверхность была идеально ровной, то отраженный сигнал существовал бы в направлении, обратном облучению, лишь когда он распространялся по нормали к поверхности. В случае гладкой поверхности коэффициент отражения радиосигнала (при моно- и бистатической радиолокации) легко определяется, если известна упомянутая выше эффективная диэлектрическая проницаемость грунта. Если же поверхность шероховата, то интенсивность принимаемого сигнала в данном направлении также рассчитывается на основании значения эффективной диэлектрической проницаемости (если учитывать при этом статистические характеристики, касающиеся свойств рельефа поверхности). Конечно, при проведении радиолокационных экспериментов решается обратная задача, и решить ее оказывается гораздо сложнее, а в ряде случаев полученное решение к тому же является и неоднозначным.
Как же решают эту задачу?
Во-первых, из эксперимента определяют диаграмму обратного рассеяния либо при малых углах облучения (моностатическая радиолокация), либо при углах, незначительно отличающихся от угла отражения (бистатическая радиолокация). Далее, учитывая форму диаграммы обратного рассеяния (или диаграммы отражения), подбирают такое значение эффективной диэлектрической проницаемости, чтобы рассчитанная интенсивность принимаемого радиолокатором сигнала соответствовала действительному. Это значение эффективной диэлектрической проницаемости и принимают за исходное.
Лабораторные исследования различных горных пород, проведенные советским ученым В. Д. Кротиковым, а позднее повторенные американцами М. Кемпбеллом и Дж. Ульрихом, показали, что для обезвоженных пород наблюдается однозначная связь между эффективной диэлектрической проницаемостью, определенной на основании радиолокационных измерений на сантиметровых, дециметровых и метровых длинах волн, и плотностью исследуемого грунта. Впоследствии эта зависимость подтвердилась результатами аналогичных исследований с использованием образцов лунного грунта, доставленных на Землю.
Это открытие заставило по-новому взглянуть на возможности радиолокационных измерений — как метода дистанционного определения плотности поверхностного слоя планет. Было проведено сопоставление результатов определения плотности, полученных как с помощью радиофизических измерений, так и другими методами. Эти результаты оказались близкими по своему значению.
И, наконец, обратимся к явлению преломления радиолокационного сигнала. Оно не учитывается при моно- и бистатичеоких радиолокациях. Однако при исследовании условий распространения ультракоротковолновых сигналов выяснилось, что данную компоненту принимаемого радиолокатором сигнала следует учитывать. В частности, его интенсивность вблизи границы раздела двух сред также в основном зависит от эффективной диэлектрической проницаемости.
Моностатическая радиолокация. При осуществлении мягкой посадки автоматической станции на поверхность планеты необходимо проводить непрерывные измерения скорости движения и высоты полета автоматической станции. Эти данные поступают в бортовую систем}- управления станции при режиме активного управления посадкой пли при изменении режима работы корректирующих двигателей.
Измерения высоты полета и скорости движения обычно производятся с помощью радиолокационных высотомеров (рис. 4) и соответствующих датчиков скорости, в основе которых лежит принцип радиолокационного определения смещения частоты за счет эффекта Доплера. Однако эти приборы можно использовать не только по их прямому назначению, но и для исследовательских целей, т. е. для изучения физических характеристик поверхности планеты. Впервые радиовысотомер автоматической станции был использован для исследовательских целей при полете «Луны-9».
Рис. 4. Общий вид радиовысотомера автоматической станции «Луна-16», работающего в режиме приема—передачи
Интенсивность сигнала, поступающего на вход радиовысотомера, зависит от трех групп величин: энергетических характеристик прибора (мощности передатчика, характеристик антенны и т. д.), так называемой геометрии эксперимента (высоты полета, углов наблюдения) и физических характеристик отражающей поверхности. Первые две группы параметров определяются либо путем калибровки, проводимой до эксперимента, либо с помощью телеметрических измерений, осуществляемых в ходе эксперимента. Это позволяет вычислять физические характеристики поверхности по величине интенсивности принимаемого сигнала (т. е. при известных величинах первых двух групп параметров).
По интенсивности сигнала, поступающего при моностатической радиолокации на вход приемника (высотомера), определяется так называемая удельная эффективная площадь рассеяния — величина, характеризующая переизлучение радиосигнала в обратном направлении единичной площадкой поверхности. Важность определения этой величины в том, что она не зависит от высоты полета и ее можно многократно получать во время спуска космического аппарата. Кроме того, поскольку космический аппарат во время спуска испытывает колебания относительно своего центра тяжести, то вычисляемая удельная эффективная площадь рассеяния измеряется при различных углах падения радиолокационного сигнала, а это и позволяет, в конечном итоге, определить диаграмму обратного рассеяния.
Отметим также, что при углах падения Θ ≈ 0° удельная эффективная площадь рассеяния определяется коэффициентом отражения, вычисленном для случая облучения поверхности по нормали к ней. Таким образом, по интенсивности сигнала, поступающего на вход приемника, и по характеру ее изменения (в ходе эксперимента) можно найти коэффициент отражения радиосигнала поверхностью, а также и степень ее шероховатости. Наконец, используя подобный метод измерения, легко определяются эффективная диэлектрическая проницаемость и плотность грунта.
Бистатическая радиолокация. При бистатической радиолокации приемник может принимать не только прямой сигнал передатчика, но и сигнал, отраженный поверхностью планеты. Исходной информацией для анализа характеристик отражения поверхности являются спектр отраженного сигнала и отношение интенсивностей прямого и отраженного сигналов.
Для бистатических радиолокационных экспериментов главным образом используют искусственные спутники Луны и планет, так как в этом случае могут быть проведены многократные измерения.
Бистатическая радиолокация обычно выполняется но следующей схеме. На борту искусственного спутника располагается передатчик, который генерирует модулированные либо монохроматические сигналы.
Чаще всего этот передатчик является элементом системы передачи телеметрической, телевизионной и другой информации с КА на наземный пункт приема. Прием прямого сигнала и сигнала, отраженного поверхностью планеты, производится на наземном пункте, где устанавливается аппаратура для анализа спектра отраженного сигнала.
Бистатическая радиолокация также может проводиться и с использованием радиоаппаратуры двух космических аппаратов. В экспериментах по бистатической радиолокации часто используются антенны с широкой и круговой диаграммами направленности (рис. 5).