РЛК-Л

Радиолокационный комплекс РЛК-Л

O. В. Юшкова1, В. Н. Марчук1, Р. А. Рудаменко1, В. В. Юшков1, Т. Н. Дымова1, 
В. М. Смирнов1,  М. А. Лаптев2, Б. В. Чернышев2, И. Н. Дутышев2В. В. Абрамов2

1. Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН), Фрязино, Россия

2. Специальное конструкторское бюро ИРЭ РАН, Фрязино, Россия

В работе представлен радиолокационный комплекс РЛК-Л, спроектированный и изготовленный в СКБ ИРЭ РАН.  Приведено описание радиолокационных экспериментов, постановщиком которых является ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН (научный руководитель В.М. Смирнов).

Ключевые слова: поверхность, приповерхностный слой, радиосигнал, отражение, зондирование, Луна, диэлектрическая проницаемость, грунт

Введение

Радиолокация является одним из эффективных дистанционных методов исследования космических тел. В зависимости от использования и расположения приемника и передатчика в пространстве радиолокационные методы  можно разделить на три группы:

1. Моностатическая радиолокация — приемник и передатчик находятся в одной точке пространства, при этом для приема и передачи радиосигналов используется, как правило, общая антенна.

2. Бистатическая радиолокация — приемник и передатчик радиолокационных сигналов разнесены друг относительно друга.

3. Пассивная локация – в измерениях участвует только приемник.

Бистатическая радиолокация проводилась при полете почти всех космических аппаратов, выведенных на орбиту вокруг Луны. Первые эксперименты по бистатической радиолокации, предназначенные для исследования верхнего покрова Луны, проводились по схеме («down link»), в которой передатчик размещался на борту искусственного спутника Луны, а прием и обработка сигналов осуществлялись на наземном измерительном пункте. В качестве передатчика использовали бортовые комплексы радиосвязи КА «Луна 10, 11, 12, 14, 19, 22», «Lunar orbiter 1», «Explorer 35», «Apollo 14,15,16», «Clementine», «Kaguya» (Яковлев, 1998; Nozette и др., 1996). Зарегистрированные наземными приемниками радиосигналы содержали «прямой» сигнал, распространявшийся по кратчайшему расстоянию между радиопередатчиком и радиоприемником, и «отраженный», прошедший путь от передатчика до поверхности Луны, затем отразившийся от Луны по направлению к радиоприемнику. Благодаря тому, что у «прямого» и «отраженного» сигналов были разные доплеровские смещения частоты, их спектры не перекрывались. Исходной информацией для анализа отражающих свойств поверхности являлось сопоставление формы спектров «прямого» и «отраженного» сигналов и отношение их интенсивностей, то есть частотная зависимость коэффициента отражения (Павельев, 1994).

Для повышения разрешающей способности радиолокации требуется переход на более высокие частоты, что в свою очередь требует увеличения мощности излучаемого сигнала. Но использование на КА мощного передатчика ограничено нормами энергопотребления и требованиями электромагнитной совместимости с научными и служебными приборами. Поэтому сеансы радиолокации приполярных районов Луны в 2012 -2015 г. проводили по новой схеме, получившей название «up link». В качестве передатчика использовали радиокомплекс обсерватории Аресибо, который излучал ЛЧМ сигнал с центральной частотой 2379.2 МГц при девиации 1.6 МГц. Пиковая мощность сигнала соответствовала 200 кВт, длительность импульса — 100 мкс. Длина последовательности излучаемых импульсов составляла от 525 до 1750 мкс и выбиралась исходя из следующих соображений: во-первых, по измерениям должен быть точно определен доплеровский сдвиг и, во-вторых, «прямой» сигнал должен быть отделен от «отраженного» (Patterson и др., 2017). Прием и обработку радиосигналов осуществляли на аппарате «Lunar Reconnaissance Orbiter». Для этого использовался многофункциональный орбитальный высокочастотный радар Mini RF, предназначенный для экспериментальной отработки коммуникационных задач и проведения исследования поверхности и приповерхностного слоя в режимах моностатической и бистатической локации (Raney и др., 2011). Данные о времени задержки между «прямым» и «отраженным» сигналами, а также сведения о геометрии эксперимента, баллистические данные и 3-D модель поверхности Луны позволили получить многочисленные радиокарты, на которых выявлены отдельные участки с повышенными отражательными свойствами. Однако выполненный радиолокационный эксперимент Аресибо-LRO не смог однозначно подтвердить или опровергнуть гипотезу о существовании депозитных залежей льда. Для решения обратной задачи радиолокации, определения глубинного распределения диэлектрических характеристик грунта, которые связаны с плотностью и минералогическим составом пород, необходимо проводить одновременное зондирование грунта радиосигналами в нескольких частотных диапазонах (Яковлев, 2017).

Основным недостатком бистатической радиолокации является сложность определения места локации, так как его координаты и границы вычисляются исходя из  информации о месте нахождения Земли, Луны, Солнца и космического аппарата (Юшкова, 2018). В моностатической радиолокации месторасположение района исследования определяется более точно, однако допустимая мощность излучаемого радиосигнала ограничена требованиями электромагнитной совместимости с другими научными и штатными приборами космического корабля.

В российской миссии «Луна-26» запланировано проведение и моностатической радиолокации грунта Луны, и бистатических экспериментов по схеме «up link» и по схеме «down link». Проведение радиолокационных экспериментов планируется для:

— исследования слоистой структуры подповерхностных пород Луны до глубин от единиц метров до нескольких десятков метров с высоким пространственным разрешением;

— изучения диэлектрических свойств лунного грунта радиофизическими методами;

— обнаружения и идентификации вкраплений крупных пород;

— локализации мест аккумулирования грунта с повышенной проводимостью;

— исследования крупномасштабной структуры шероховатости планеты;

— уточнения топографической карты поверхности Луны;

— исследования окололунного пространства.

Для решения поставленных задач на космический аппарат будет установлен многоцелевой радиофизический комплекс дистанционного зондированияРЛК-Л, состоящий из двух радиолокаторов: Радар-20 и Радар-200.

Приборная база

 Радар 20.  Радар-20 предназначен для исследования слоя грунта толщиной в несколько десятков метров в режиме моностатической локации. Фотография антенны Радара-20 дана на рис. 1, его технические параметры приведены в табл. 1.

Таблица 1. Технические параметры Радара-20

диапазон принимаемых частот по уровню минус 3 дБот 17,5 до 22,5 МГц
чувствительность приёмного тракта при отношении   сигнал/шум 10 дБ, не хуже          30 мкВ
полоса пропускания тракта промежуточной частоты в режиме активной локации по уровню минус 3 дБ    от 5 кГц до 5 МГц
диапазон амплитуд измеряемых сигналов, не менее  60 дБ
частота дискретизации сигнала, не менее 10 МГц
количество разрядов АЦП14
выходная мощность* передающего устройства, не менее          30 Вт
вид излучаемого сигнала импульсный, с внутренней ЛЧМ и ФКМ
длительность излучаемого импульса*250 мкс
длительность регистрации принятого сигнала* 350 мкс
частота следования импульсов, не менее1 Гц
диапазон частот излучаемого сигнала по уровню минус 1 дБ    от 17 до 23 МГц
средняя потребляемая мощность, не более20 Вт.

— уточняется после выбора орбиты.

Антенна радара согласована с помощью специально разработанного устройства, что позволило уменьшить длину антенны до 2,75 м, при этом рабочий диапазон частот составляет более 30 % относительно центральной частоты. На рис. 2 приведен график зависимости коэффициента отражения по входу антенны (S11) от частоты (Лаптев, 2019), измеренный на полноразмерном макете. Метки 1 и 2 на графике соответствуют границам диапазона рабочих частот антенны при коэффициенте стоячей волны равном 2.

Рис. 1. Радар-20

Рис. 2. График зависимости S11 от частотыдля вибраторной антенны на 20 МГц с согласующим устройством

Радар 200. Радар 200 предназначен для исследования шероховатости поверхности и слоя грунта толщиной в несколько метров.  Первоначально для работы локатора Радар-200 был выделен частотный диапазон от 175 до 225 МГц. Затем было принято решение о снижении рабочего диапазона частот до интервала от 144 до 176 МГц для реализации бистатической радиолокации совместно с Иркутским радаром некогерентного рассеяния находящимся в ведении Института солнечно-земной физики СО РАН. Основные параметры Радара-200 приведены в табл. 2.

Таблица 2. Технические параметры Радара-200

диапазон принимаемых частот по уровню минус 3 дБот 144 до 176 МГц
чувствительность приемного тракта при отношении сигнал/шум 10 дБ, не хуже20 мкВ
полоса пропускания тракта промежуточной частоты в режиме активной локации по уровню минус 3 дБот 5 кГц до 5 МГц
полоса пропускания тракта промежуточной частоты в режиме бистатической локации по уровню минус 3 дБ300 кГц
диапазон амплитуд измеряемых сигналов, не менее60 дБ
частота дискретизации сигнала, не менее10 МГц
количество разрядов АЦП14
выходная мощность передающего устройства, не менее30 Вт
вид излучаемого сигналаимпульсный с внутренней ЛЧМ и ФКМ
длительность излучаемого импульса250 мкс
длительность регистрации принятого сигнала350 мкс
частота следования импульсов, не менее1 Гц
средняя потребляемая мощность, не более                   20 Вт

Приемопередающая антенна Радара-200 представляет собой плоский биконический симметричный укороченный вибратор, состоящий из двух треугольных лепестков, каждый длиной 325 мм. На рис. 3 приведена фотография антенны и блока электроники радиолокатора Радар-200.

Рис. 3. Радар-200

Иркутский Радар Некогерентного Рассеяния (Потехин А.П. и др., 2008).В настоящее время в мире действуют 10 радаров некогерентного рассеяния. Единственный в России Иркутский радар некогерентного рассеяния (ИРНР), созданный на базе радиолокационной станции «Днепр», на котором в 1996 году начались регулярные наблюдения за состоянием ионосферы Земли. ИРНР представляет собой моностатическую, импульсную радиолокационную станцию с частотным сканированием в направлении Север-Юг в секторе ±30° путем изменения несущей частоты в диапазоне 154 – 162 МГц. Пиковая мощность двух передатчиков достигает 3.2 МВт, частота следования зондирующих импульсов примерно равна 25 Гц. Длительность зондирующего импульса составляет от 70 до 900 мкс. Коэффициент усиления антенны — около 35 дБ. Общий вид установки приведен на рис. 4.


Рис. 4. Иркутский Радар Некогерентного Рассеяния

 Приемо-передающая антенна Иркутского Радара представляет собой формирующий рупор с размерами апертуры 246 на 12.2 м, разделенный вдоль перегородкой на два симметричных полурупора, каждый из которых имеет свои независимые фидерные системы и выходы на приемные устройства. Дополнительным потенциалом ИРНР, изначально предназначенного для изучения физических процессов в верхней атмосфере Земли, является возможность наблюдения и радиолокации космических объектов. С мая 2011 г. ИРНР работает не только в активном, но и в пассивном режиме. Луна проходит через сектор сканирования ИРНР каждые 28 дней в течение 3 дней, при этом локация возможна на частотах 160-163 МГц. Время прохождения Луны через основной лепесток диаграммы направленности составляет около 1 часа. Следовательно, использование бортового радиолокационного комплекса РЛК-Л для проведения бистатического радиозондирования Луны возможно в течение 36 часов в год.

Режимы работы РЛК и схема экспериментов

Радиолокационный комплекс «РЛК-Л» будет функционировать в трех режимах радиолокации – активном (режим 1), бистатическом (режим 2) и пассивном (режим 3).

Радиолокационный комплекс «РЛК-Л» будет функционировать в трех режимах радиолокации – активном (режим 1), бистатическом (режим 2) и пассивном (режим 3).

Режим 1. На высотах 80…150 км радиолокационный комплекс «РЛК-Л» работает в режиме активной локации грунта: Радар 20 излучает ЛЧМ сигнал длительностью 250 мск, затем в течение 1 мкс переключается на прием, далее в течение 350 мкс принимает отраженный от поверхности Луны сигнал, после чего включается Радар 200, который работает по тому же алгоритму. Во время работы за счет широкой диаграммы направленности каждый радар облучает значительную область поверхности Луны. Схематично эта область показана на рис.4. Ее радиус зависит от высоты аппарата H и оценивается как

здесь a — радиус Луны, — скорость света, T — длительность сигнала.

 Считается, что область наибольшего отражения соответствует первой зоне Френеля (Сколник, 2014). На рис. 5 эта зона имеет радиус D3. Практика зондирования и численное моделирование показало, что, с учетом шероховатости поверхности, при анализе отраженного сигнала следует учитывать пятно, радиус которого составляет от 5 до 8 зон Френеля, на рис. 5  эта область имеет радиус D2.

Рис. 5. Схема соотношения зон отражения радиосигнала от поверхности в режиме моностатической локации

 Режим 2. В этом режиме на высотах 80…150 км Радар 200 работает в режиме бистатической локации грунта Луны совместно с ИРНР.

На рис.6 показаны схемы проведения измерений при бистатической радиолокации: часть 1 рисунка соответствует зондированию грунта, часть 2 дает представление о радиопросвечивании  плазменной оболочки. Эксперименты проводятся при прохождении Луной сектора сканирования ИРНР и соответствии расположения КА условиям для бистатической локации. Задачи радиолокации в этом случае рассматриваются в плоскости, проходящей через КА, центр Луны и ИРНР; координаты плоскости в каждый момент времени зависят от координат Земли, ее спутника и космического аппарата.  Положение КА в этой плоскости однозначно определяется двумя параметрами. Первый – угол падения радиоволн h — угол между нормалью к поверхности, проведенной из центра Луны, и направлением на ИРНР, равный углу отражения – углу между той же нормалью и направлением на КА. Второй параметр — r — расстояние от КА до точки на плоскости, через которую проходит нормаль. Эта точка считается центром области отражения радиоволн. Положение ИРНР определяется углом h и расстоянием до ИРНР, это расстояние мало отличается от расстояния от Земли до Луны и при расчетах считается равным L=3,8 *10м. Значение r определяется формулой

где  где a=1,737* 106 м – радиус Луны,   R=H+a — расстояние от центра Луны до КА, — высота КА над поверхностью Луны. Часть окололунного пространства, в которой невозможен прием радиосигнала с Земли, область радиотени, определяется углом 

При высоте КА 150 — 200 км угол  равен , т.е. до 40% орбиты КА может попадать в область радиотени. Оставшиеся 60% орбиты пригодны для проведения бистатической локации при условии что Луна в этот момент будет находиться в поле зрения ИРНР. Часть орбиты, определяемой разностью углов ,  — высота плазменной оболочки (см. рис.6, подходит для исследования плазменной оболочки Луны методом радиопросвечивания. Если высота  b достигает, согласно (Vyshlov, 1976) 50 км, разность углов соответствует , при этом время нахождения КА в области пригодной для радиопросвечивания составляет около 3-4 минут.

Рис. 6. Схема проведения бистатического радиозондирования Луны

Луна совершает полный оборот вокруг своей оси за 27.32 суток. В системе координат, связанной с Луной, орбита КА будет смещаться за один виток на  (при периоде обращения 2 часа). Эволюция орбит КА относительно Луны показана на рис. 7 (приведены отдельные витки, отстоящие друг от друга на десятки градусов, то есть по времени они разнесены более чем на земные сутки). Из рисунка видно, что орбиты 1 и 2 не попадают в радиотень, орбита 3 только касается области радиотени. Положение орбиты 5 соответствует изображению на рис. 6, то есть в радиотень попадает максимально возможная часть орбиты (40%). Орбита 4 занимает промежуточное положение между орбитами 3 и 5, в радиотень попадает от 10 до 20% ее части. Так как Луна равномерно поворачивается вокруг своей оси, витки орбиты равномерно распределятся в пространстве вокруг Луны. Если представить, что все витки орбиты лежат на сфере с радиусом (a + H), то область радиотени вырезает на ней сферический сегмент, ограниченный углом α = 71º (см. рис. 6). Тогда вероятность p попадания КА в область радиотени равна отношению площади этого сферического сегмента к общей площади сферы орбит , зависит только от высоты аппарата и для H = 100 км равна 0,34.

Режим 3 — регистрация электромагнитного излучения в окололунном пространстве осуществляется радиолокационным комплексом «РЛК-Л» (Радар 20 и Радар 200) в пассивном режиме при отключенных передатчиках.

Рис. 7. Эволюция орбиты КА относительно Луны (вид со стороны полюса Луны)

Ожидаемые результаты

Оба радара РЛК-Л излучают радиосигнал с меняющейся по линейному закону частотой (ЛЧМ). Аналитически такой сигнал задается формулой во временном интервале зондирования:

где = 250 мкс. Для Радара – 20: полоса частот соответствует Δƒ = 5 МГц, минимальная рабочая частота — ƒ˳ = 17.5 МГц. Для Радара – 200: Δƒ = 30 МГц, ƒ˳ = 144 МГц. Огибающая излучаемого сигнала представляет собой почти постоянную по амплитуде, прямоугольную функцию равную A. Спектр ЛЧМ сигнала формально не зависит от диапазона частот и тоже является почти прямоугольной функцией. На рис.7 приведен нормированный к единице спектр сигнала (кривая 1), излучаемого Радаром – 20. Если бы поверхность Луны была ровная и гладкая, отражение сигнала происходило бы только в одной подспутниковой точке (согласно волновому приближению), даже 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. 8  кривой 2, а от мягких грунтов — линия 3. Спектры отраженных сигналов, отличаются от спектра излученного сигнала  на множитель  , где ε1 диэлектрическая проницаемость грунта. Для реголита Rеε1 = 2.8, для базальта Rеε1 = 9 (Heiken,1991). При наличии подповерхностной границы между диэлектрически неоднородными средами, например, грунт-лед, реголит-базальт, отраженный сигнал представляет собой интерференцию двух сигналов: 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, хотя существуют интуитивные методы, позволяющие локализировать сигнал, например –  метод согласованной фильтрации. В частотной области эффект интерференции идентифицируется проще: спектр, приобретает осциллирующий вид. Период и амплитуда осцилляций, расположение локальных экстремальных точек в частотной зависимости модуля спектра зависят от диэлектрических характеристик пород и глубины залегания горизонтов их раздела. На рис.  8 приведен модуль спектра |U(f)| сигнала отраженного от слоя реголита, лежащего на базальте. Толщина слоя для линии 4 — 25 м, кривой 5 — 50 м.

Рис. 8. Спектр сигналов: 1— излученного, нормированного к единице; 2 — отраженного от грунта, состоящего из базальта;  3 — отраженного от грунта, состоящего из реголита; 4 – отраженного от слоя реголита толщиной 25 м, расположенного на базальте; 5- отраженного от слоя реголита толщиной 50 м, расположенного на базальте

Зависимый от частоты множитель, на который отличается спектр излученного сигнала от спектра отраженного, называется коэффициентом отражения (если  прием отраженного сигнала осуществляется не в точке излучения, то — коэффициент рассеяния). Задача определения параметров среды по частотной зависимости коэффициента отражения решена для ограниченного вида сред и относится к классу некорректно поставленных, а это значит, что при обработке сигнала должны быть учтены все факторы, влияющие на изменение его параметров. Одни измерения можно оценить заранее, например, такие как фазово-амплитудный фильтр аппаратуры, другие – являются результатом случайных воздействий, например отражение от неровной поверхности. Как меняются параметры сигнала в этом случае можно оценить при помощи численного эксперимента. Так как в данном случае интерес представляет отражение сигнала от конкретного района, над которым пролетает КА, для расчетов будет использована цифровая трехмерная карта Луны. О предоставлении такой карты достигнуто соглашение с  Комплексной Лабораторией Исследования Внеземных Территорий (МИИГАиК). Для расчётов выбрана модифицированная фацетная модель представления поверхности. Поверхность рассматривается как совокупность отражающих элементов, для каждого из которых выполняется закон Ламберта в сочетании с законом зеркального отражения при вертикальном падании радиоволн. Отраженный сигнал рассчитывается как сумма парциальных сигналов, каждый из которых сдвинут на время, необходимое для распространения сигнала от КА до центра соответствующего отражающего элемента и обратно. Если направление луча, соединяющего КА и центр отражающей площадки совпадает с ее нормалью, коэффициент отражения определяется значением . В противном случае коэффициент отражения изменяется как , где  — угол падения волны на отражающую поверхность. Такое представление о «идеально шероховатой» поверхности отражающего элемента является вполне приемлемым приближением для оценки отражения от многих видов поверхностей при средних углах падения радиоволн (Сколник, 2014).

Заключение

Опыт разработки, создания и эксплуатации радаров подповерхностного зондирования, как в земных, так и в космических исследованиях показывает, что радиолокационное подповерхностное зондирование может быть эффективным инструментом, предназначенным для изучения внутренней структуры грунта и подстилающей поверхности, поиска и оценки состояния природно-антропогенных объектов, скрытых толщей земного покрова. Радары подповерхностного зондирования позволяют исследовать внутреннюю структуру объекта без разрушения окружающей его среды.

В результате исследования и освоения Луны радиофизическими методами можно решить уникальные технические и научные задачи, обогатить человечество новым опытом и знаниями в вопросах, связанных и с планетологией, и с классической радиофизикой.

Литература

Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности//М.: Наука, 1972. 424 с.

Лаптев М.А.  Приёмо-передающая антенна декаметрового диапазона длин волн// Журнал радиоэлектроники.  2019. № 2.  http://jre.cplire.ru/jre/feb19/8/text.pdf

Павельев А.Г., Кучерявенков А.И. Двухпозиционное зондирование грунта планет// В кн.: Итоги науки и техники. Радиотехника. 1994. Т.44. С.81-181.

Потехин А.П., Медведев А.В., Заворин А.В., Кушнарев Д.С., Лебедев В.П., Шпынев Б.Г. Развитие диагностических возможностей Иркутского радара некогерентного рассеяния /  Космические исследования, 2008, Т. 46, № 4, с. 356–362.

Сколник М. Справочник по радиолокации//М.:Техносфера. 2014. — 1352 с.

Юшкова О.В, Рудаменко Р.А. , Юшков В.В. , Тертышников А.В.  Определение координат центра области отражения при бистатической радиолокации Луны// Журнал радиоэлектроники. 2018. № 7.  http://jre.cplire.ru/jre/jul18/2/text.pdf

Яковлев О.И.Космическая радиофизика//М.:Научная книга. 1998.-432 с.

Яковлев О.И.,Юшкова О.В.Анализ возможностей определения характеристик грунта Луны методом бистатической радиолокации. Радиотехника и электроника , 2017 , 62 (1). С. 26-34.

Heiken G., Vaniman D., French B. M. Lunar Sourcebook: A User’s Guide to the Moon / Cambridge University Press, 1991. 736 p.

Nozette S.; Lichtenberg C. L.; Spudis P. et al. The Clementine Bistatic Radar Experiment / Science, 1996. V. 274, № 5292. Р. 1495–1498.

Patterson G. W. , Stickle A.M., Turner F.S., Jensen J.R., Bussey D.B.J., Spudis P., Espiritu R.C., Schulze R.C., Yocky D.A., Wahl D.E., Zimmerman M., Cahill J.T.S., Nolan M., Carter L., Neish C.D., Raney R.K., Thomson B.J., Kirk R., Thompson T.W., Tise B.L., Erteza I.A., Jakowatz C.V. Bistatic radar observations of the Moon using Mini-RF on LRO and the Arecibo Observatory // Icarus 2017. V. 283, p. 2–19.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *