5.2. Коэффициент отражения горизонтально поляризованной волны

Исходя из равенств тангенциальных составляющих полей, получаем следующую исходную систему уравнений:

E_{m пад} + E_{m отр} = E_{m пр}, (5.8)

H_{m пад} cos  H_{m отр} cos = H_{m пр} cos, (5.9)

откуда, выполняя преобразования аналогично предыдущему разделу, определяем коэффициент отражения R_Г

. (5.10)

Случаи различных свойств отражающей поверхности:

а) почва – диэлектрик. Тогда коэффициент отражения

вещественен, для всех углов  R_Г < 0, следовательно, при любых  сдвиг фаз _Г равен . При  = 0 R_Г = 1, с ростом  R_Г плавно убывает, и при R_Г= , что равно величине R_Вдля того же угла.

б) почва  проводник. В этом случае для любых углов  R_Г  1, т. е. вся падающая энергия отражается, фаза меня­ется на , что следует из (5.8): если E_{m пр} = 0, то должно быть E_{m пад} = E_{m отр}.

в) почва – полупроводник. В этом случае R_Г  комплексный.

Из полученных выше результатов следует, что |R_Г| = |R_В| при  = 0 и . Для всех других углов скольжения |R_Г| > |R_В|, что является, в частности, причиной преимущественного применения в радиолокации, телевидении, УКВ волн с горизонтальной поляризацией.

6. Влияние шероховатости отражающей поверхности

Выражения для коэффициентов R_В и R_Г были получены в предположении ров­ной отражающей поверхности, по крайней мере, в пределах области формирова­ния отраженной волны. Однако, реальная земная поверхность никогда не бывает абсолютно гладкой. Даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. Если не­большие неровности в среднем расположены равномерно, такую поверхность называют шероховатой (для УКВ это, например, взволнованная поверхность моря; для СВ и ДВ  небольшие холмы и здания). Отражение от неровной поверхности является рассеянным, поэтому напряжен­ность поля в направлении зеркального отражения будет меньше, чем для гладкой поверхности. Это ослабление можно учесть с помощью эффективного коэффициента отражения R_эфф, расчет коего достаточно сложен. Качественно «гладкость» поверхности можно оценить с помощью критерия Релея.

6.1. Критерий Релея. Пусть плоская волна отражается от неровной поверхности с максимальным разме­ром неоднородностей h (рис. 6.1). Часть мощности падающей волны отразится на верхнем уровне (b), часть  на нижнем (a). Плоскость m  m является плоскостью равных фаз падающей волны. Определим фазовые отношения на плоскости, перпендикулярной направлению отражения волны n  n. Наибольшая разность фаз  будет между волнами, отражен­ными в т. т. D и B. Разность хода лучей mDn и mBn r = ABC = 2AB = 2hsin, отсюда . Считается, что отражающую поверхность можно считать гладкой, если допустимые фазовые искажения на плоскости n – n

,

отсюда, собственно, критерий Релея

. (6.1)

Из (6.1) следует, что чем более полога траектория и чем больше , тем слабее возмущающее действие неровностей. Например, для волны длиной  = 10 см при угле скольжения 5⁰ h_доп = 14 см, а при уменьше­нии  до 0,5⁰ h_доп возрастает до 1,4 м.

Критерий Релея носит приближенный характер, поскольку не учитывает форму неровностей, вид поляризации и т. п. Однако, качественно он правильно оценивает степень шероховатости отражающих поверхностей.

2. Закон Ламберта. Если отражающая поверхность является матовой, т. е. покрыта неоднородностями с h > h_доп по Рэлею, наблюдается диффузное, или рассеянное, отражение, при котором "яркость" отражающей поверхности во всех направлениях при равных углах скольжения примерно одинакова (рис. 6.2). Зависимость интенсивности J рас­сеянного сигнала от угла  описывается законом Ламберта

J = J₀ cos (6.2)

(J₀  значение J при  = 0), который был установлен в результате экспериментальных исследований яркости светящихся поверхностей. Закон Ламберта выполняется при наличии следующих условий:

1) концентрация неровностей постоянна на всей отражающей поверхности,

2) отражающая поверхность в среднем не отклоняется от плоскости,

3 ) неодородности не создают теневых областей, что справедливо, если неоднородностей имеют разме­ры  .

3. Отражающая поверхность Земли не бывает идеально гладкой или только шероховатой, поэтому отражение радиоволн зачастую носит полурассеянный характер с максимумом в направлении зеркального отражения (рис. 6.3). Чем короче волна, тем вероятнее выполнение условий, при которых отражение близко к диффузному. Это в первую очередь относит­ся к см и более коротким волнам.