Дифракция Брэгга
Рисунок 1. При определенных условиях отдельные слабые отражения могут складываться в значительный эхо-сигнал (конструктивная интерференция). В этом случае короткий зондирующий импульс значительно удлиняется при приеме
Рисунок 1. При определенных условиях отдельные слабые отражения могут складываться в значительный эхо-сигнал (конструктивная интерференция). В этом случае короткий зондирующий импульс значительно удлиняется при приеме
Что такое рассеяние Брэгга?
Дифракция Брэгга
Дифракция (или рассеяние) Брэгга объясняет эффекты отражения электромагнитных волн от периодических структур, расстояние между элементами которых соизмеримо с длиной падающей на них волны. Это явление было исследовано в 1912 году Уильямом Лоуренсом Брэггом и Уильямом Генри Брэггом с помощью рентгеновских лучей и их отражения на кристаллических решетках. Радиолокационные устройства работают с длинами волн, намного большими, чем у рентгеновского излучения, поэтому с их помощью можно исследовать периодические структуры отражающих поверхностей или объемов с большими геометрическими размерами.
При определенных длинах волн регулярные периодические структуры с постоянным расстоянием между ними вызывают когерентную суперпозицию отражений от граней (Рисунок 1). В точке приема происходит интерференция волн, отраженных от граней и, в зависимости от соотношений фаз, такая интерференция может приводить как к усилению (конструктивная), так и к ослаблению (деструктивная) результирующей отраженной волны. Деструктивная интерференция, как эффект, в радиолокационных задачах не используется. А вот конструктивная интерференция может приводить к значительному усилению эхосигналов в направлении приемной антенны радиолокатора. Конструктивная интерференция возникает при определенном соотношении длины волны излучаемого колебания и расстояния между элементами отражающей поверхностей:
| d = | λt | где |
d – расстояние между элементами периодической структуры (отражающей поверхности); λt – длина волны излучаемого колебания θ – угол падения (так называемый «угол Брэгга»). |
(1) |
| 2· cos θ |
Используя переменную частоту излучения можно измерить расстояние между элементами периодических структур. Этот эффект используется для измерения, например, высоты морских волн (расстояния между волнами, направления распространения волн и, следовательно, направления ветра) вдали от побережья с использованием радиолокатора с очень большой длиной волны. Распространение электромагнитной волны происходит практически параллельно поверхности моря, угол падения θ здесь, таким образом, равен нулю градусов. Это упрощает уравнение (1). На каждом гребне волны небольшая часть излучаемой радиолокатором энергии дифрагирует и отражается следующим гребнем волны. При частоте передатчика 5 МГц электромагнитная волна имеет длину 60 метров; конструктивная интерференция может возникнуть при расстоянии между гребнями волн до 30 метров. Практическим примером является радиолокатор WERA- Radar , работающий в ВЧ- та ОВЧ-диапазонах (декаметровые и метровые волны), предназначенный для наблюдения за состоянием моря на расстоянии до 250 км от берега. Описанный эффект применяется также в бортовых радиолокаторах, устанавливаемых на спутниках.
В метеорологических радиолокаторах рассеяние Брэгга используется в радиолокаторах построения профиля ветра или так называемых ветровых профилемерах. В данном случае периодические структуры искусственно создаются при помощи больших громкоговорителей. Направленные вверх акустические волны (продольные волны) создают области с разной плотностью воздуха. Расстояния между этими областями зависят от длины акустической волны, в данном случае, от (известной) частоты и (пока) неизвестной скорости распространения, которая зависит от средней плотности слоев воздуха. На этих неоднородностях отражается в каждом случае малая часть излучаемой энергии. С помощью радиолокационного метода теперь регистрируется брэгговское отражение через равные интервалы модуляции плотности воздуха, создаваемой акустическими колебаниями. (Скорость распространения электромагнитных волн можно считать постоянной в рассматриваемой области.) Поскольку температура воздуха также влияет на плотность воздуха и, следовательно, на длину акустической волны, можно косвенно измерить даже разницу температур между слоями воздуха.
Для радиолокаторов наблюдения за воздушным пространством описанный выше эффект является мешающим. Случайные последовательности неоднородностей плотности воздуха могут создавать так называемые «ангел-эхо», что может вызывать возникновение ложных тревог.