Основы радиолокации

Аномалии в распространении электромагнитных волн

Распространение электромагнитных волн в однородной среде с постоянными характеристиками происходит по квазиоптическим законам. На практике же такие условия в атмосфере Земли встречаются относительно редко.

Аномальное распространение

Нестандартное или аномальное распространение (в англоязычных источниках сокращенно называемое anaprop) возникает при изменении значения коэффициента рефракции из-за изменений температурного градиента, значений атмосферного давления и влажности воздуха. Влияние упомянутых факторов может привести к возникновению различных нестандартных условий распространения электромагнитных волн (Рисунок 1).

инверсный слой

Рисунок 2. Атмосферная инверсия

инверсный слой

Рисунок 2. Атмосферная инверсия

Одной из самых распространенных на территории Европы аномалий атмосферных условий является температурная инверсия, возникающая при излучении тепла нагретой за день землей в ясную ночь. Температура земли снижается, но верхние слои атмосферы остаются относительно теплыми. В этом случае температурный градиент является противоположным (инверсным) нормальному отрицательному температурному градиенту, когда температура атмосферы понижается с увеличением высоты. Результатом такой температурной инверсии является искривление траектории распространения электромагнитных волн в сторону земной поверхности (Рисунок 2). За счет этого значительно увеличивается дальность действия активных радиотехнических средств, в том числе и радиолокаторов.

Сверхрефракция

В некоторых особых случаях, например, над поверхностью моря, когда более теплый воздух с суши вытесняется более холодным от воды, может возникать явление сверхрефракции. Известны примеры, когда превышение теоретическая дальность действия радиотехнического средства была превышена на 600%.

В условиях сверхрефракции сигнал, отраженный от цели, может появляться в следующем (или даже через один) периоде зондирования. Очевидно, что в таком случае положение отметки цели на экране индикатора радиолокатора не будет соответствовать реальному положению цели в пространстве и ее координаты будут измерены неверно.

Атмосферный канал

При нормальных атмосферных условиях самый теплый воздух находится у поверхности Земли. По мере увеличения высоты воздух постепенно становится холоднее. Однако иногда возникает необычная ситуация, при которой слои теплого воздуха образуются над слоями холодного воздуха. Как известно, такая ситуация известна под названием температурная инверсия. Возникновение температурной инверсии приводит к тому, что слои холодного воздуха оказываются между поверхностью Земли и слоем теплого воздуха или между двумя слоями теплого воздуха. Таким образом образуется так называемый атмосферный канал.

инверсные слои

«слепая зона»

Рисунок 3. Атмосферный канал

инверсные слои

«слепая зона»

Рисунок 3. Атмосферный канал

Если электромагнитная волна (особенно диапазонов КВ и УКВ), излучаемая передающей антенной, входит в такой канал с холодным воздухом под очень малым углом падения, то она может распространяться далеко за пределы обычной дальности прямой видимости. Когда атмосферные каналы возникают в результате температурных инверсий, хороший прием телевизионных сигналов от станции, расположенной за сотни миль, не является чем-то необычным. Причиной является разница в плотности и коэффициенте преломления для теплого и холодного воздуха. Резкое изменение плотности воздуха, когда электромагнитная волна входит в слой теплого воздуха над каналом, вызывает ее преломление обратно по направлению к Земле. При падении волны на Землю или слой теплый под каналом она вновь отражается или преломляется вверх и проходит дальше по каналу с многократными отражениями. Пример распространения радиоволн по атмосферному каналу показан на Рисунке 3.

Субрефракция

Возможна и противоположная ситуация, когда атмосферные условия таковы, что траектория электромагнитной волны изгибается не в сторону земной поверхности, а от нее. Такое явление называют отрицательной рефракцией или субрефракцией. В условиях субрефракции наблюдается уменьшение дальности обнаружения целей. Это проявляется в появлении провалов з зонах радиолокационного покрытия при небольших углах места.

В Таблице 1 приведены сведения о различных аномальных условиях распространения электромагнитных волн.

Рефракция	Градиент индекса рефракции	Схематичное изображение	Условия возникновения
Отрицательная (субрефракция)	>0		Снегопад, Ситуация, когда с увеличением высоты температура падает намного быстрее, а влажность уменьшается намного медленнее, чем в нормальной атмосфере.
Отсутствует	0		Если индекс рефракции не меняется в некоторых интервалах высот.
Положительная, слабая	от 0 до −4·10−8		Дождливая, пасмурная погода, если с увеличением высоты температура снижается намного быстрее, а влажность снижается медленнее, чем в нормальной атмосфере
Положительная, нормальная	−4·10−8		Пасмурная погода, когда слои атмосферы хорошо перемешаны. Соответствует нормальной атмосфере, если температура воздуха снижается на 6,5° на 1 км высоты, а давление уменьшается на 3,5 мбар на 1 км высоты
Положительная, увеличенная	от −4·10−8 до −17,5·10−8		Ясная погода после захода солнца, когда температура воздуха мало снижается с высотой, т. е. начинается температурная инверсия
Положительная, критическая	−17,5·10−8		Ясная погода после захода солнца при температурной инверсии
Сверхрефракция	меньше −17,5·10−8		Высокое давление, значительная температурная инверсия и пониженная влажность. Существенна над материком в ночные и утренние часы, над морем в ясную погоду нередко целыми днями, когда воздух на поверхности моря менее прогрет и более влажный, чем в более высоких слоях.

Таблица 1 – Классификация видов рефракции радиоволн в земной атмосфере