Космические аппараты «Венера-15» и «Венера-16» оборудованы радиолокационными системами, состоящими из радиолокационной станции бокового обзора для получения изображений поверхности планеты и радиовысотомера для измерения ее высотного рельефа и локальных характеристик отражения. Установка радиолокатора на искусственном спутнике, движущемся около поверхности планеты, позволяла обеспечить высокий уровень отраженных сигналов, необходимый для получения изображений высокого качества. Создавались одинаковые условия наблюдения разных районов независимо от расположения на глобусе Венеры. Идея эксперимента и его научно-методические основы разработаны в Институте радиотехники и электроники АН СССР. Они подготовлены предшествующими радиолокационными наблюдениями Венеры с Земли.

Принцип получения радиолокационных изображений. В основе радиолокационного метода получения изображений лежит то, что отдельные элементы поверхности планеты, образующие горные хребты, долины, склоны кратеров, не одинаково отражают падающие на них радиоволны вследствие различной ориентации этих элементов по отношению к антенне радиолокатора, а также из-за отличия в электрических свойствах слагающих их пород. Измерив интенсивность радиоволн, отраженных отдельными элементами поверхности планеты, и представив ее, скажем, соответствующими потемнениями фотобумаги, можно получить изображение, подобное фотографическому.

Пространственная разрешающая способность. Детальность полученного изображения и, следовательно, круг задач, которые могут быть решены по результатам радиолокационной съемки, определяются пространственной разрешающей способностью радиолокационной системы. Первые советские космические аппараты серии «Зонд» фотографировали Луну с разрешением 3 км. Телевизионная съемка всей поверхности Марса, которая расценивалась как основной результат полета американского космического аппарата «Маринер-9», была выполнена широкоугольной камерой с разрешением 1 км. Фактическое разрешение зависело от расстояния и угла наблюдения (зенитного расстояния космического аппарата) в момент фотографирования. По этой причине разрешение поверхности Марса при съемке менялось от 1 до 3 км. Для картографирования поверхности Венеры с помощью космических аппаратов «Венера-15» и «Венера-16» технически оказалось возможным создать радиолокационную станцию с синтезированной апертурой с фактическим разрешением 1 – 2 км.

Для раздельного восприятия элементов поверхности Венеры размером 1 – 2 км с высоты 1000 – 2000 км, на что рассчитана радиолокационная аппаратура станций «Венера-15» и «Венера-16», пространственное разрешение должно быть примерно таким, какое дал бы невооруженный глаз при наблюдении поверхности Венеры с той же высоты, если бы над ней не было плотного облачного слоя. Обычные радиоантенны не могут обеспечить ту пространственную разрешающую способность, какую дают оптические приборы, вследствие много большей длины волны. Поэтому для получения необходимого пространственного разрешения применен метод радиолокации с «синтезом искусственного раскрыва антенны» (с «синтезом апертуры»), который для исследования Венеры с космического аппарата использовался впервые.

Метод синтезированной апертуры. Он основан на том, что расположенная на космическом аппарате антенна перемещается в пространстве, последовательно занимая позиции 1, 2, … N (рис. 9). Обрабатывая отраженные сигналы одновременно, синтезируют антенну в N раз длиннее той, что была на космическом аппарате. Соответственно возрастает пространственное разрешение по направлению трассы космического аппарата (Δх на рис. 9). Разрешение, достигнутое обработкой сигналов радиолокационной станции космических аппаратов «Венера-15» и «Венера-16», можно было получить при длине антенны 70 м, в то время как ее длина составляла всего 6 м. В направлении, перпендикулярном трассе, разрешение (Δу на рис. 9) достигалось, как обычно, за счет модуляции зондирующего сигнала, позволяющей разделять отраженные сигналы по времени их прихода к антенне.

Рис. 9. Принцип синтеза апертуры

Рис. 9. Принцип синтеза апертуры

Принципы радиолокационной съемки. Во время радиолокационной съемки антенна радиовысотомера направлена вдоль местной вертикали к центру планеты. Антенна радиолокационной станции с синтезированной апертурой отклонена от местной вертикали в сторону от плоскости орбиты (рис. 10). С помощью передатчика, установленного на космическом аппарате, периодически «освещается» участок 1 поверхности планеты, оказавшийся в пределах диаграммы направленности антенны. Элементы поверхности в пределах этого участка находятся на разном расстоянии и имеют разные радиальные скорости относительно космического аппарата. Поэтому отраженные ими и принятые на космическом аппарате сигналы не одинаково запаздывают и имеют разную частоту вследствие эффекта Доплера.

Рис. 10. Схема радиолокационной съемки с космического аппарата: 1, 2 – участки поверхности планеты, попадающие в диаграмму направленности антенны радиолокационной станции с синтезированной апертурой и радиовысотомера (штриховкой показан участок поверхности планеты, относительно которого измеряется высота космического аппарата при разделении отраженных сигналов радиовысотомера не только по запаздыванию, но и по частоте)

Рис. 10. Схема радиолокационной съемки с космического аппарата: 1, 2 – участки поверхности планеты, попадающие в диаграмму направленности антенны радиолокационной станции с синтезированной апертурой и радиовысотомера (штриховкой показан участок поверхности планеты, относительно которого измеряется высота космического аппарата при разделении отраженных сигналов радиовысотомера не только по запаздыванию, но и по частоте)

Например, точка А находится ближе к космическому аппарату, чем точка В, и отраженные ею сигналы приходят раньше. С другой стороны, точка С приближается к аппарату и отраженные ею сигналы имеют более высокую частоту, чем сигналы, отраженные точкой D, которая удаляется. Различие в запаздывании отраженных сигналов и их доплеровском смещении и было использовано для построения «кадра» радиолокационного изображения. Отдельные кадры, получаемые по мере движения космического аппарата, объединяются в сплошную полосу изображения (см. рис. 10).

Так же, как и при радиолокации с Земли (см. рис. 3), на поверхности планеты можно выделить линии равного запаздывания и доплеровского смещения. Линии равного запаздывания 1 являются концентрическими окружностями с центром в точке О под космическим аппаратом, линии равного доплеровского смещения 2 – гиперболы (рис. 11). Точки В и В′, расположенные симметрично относительно трассы, находятся на одинаковом расстоянии от антенны и имеют равные радиальные составляющие скорости. Отраженные ими сигналы разделяют, направив антенну в сторону от трассы. Отсюда происходит другое название метода – «боковой обзор».

Рис. 11. Линии равных запаздываний (1) и доплеровских смещений (2) на поверхности планеты. Для разделения сигналов, отраженных точками В и В′, расположенными симметрично относительно трассы, диаграмму направленности антенны (3) направляют в сторону от трассы

Рис. 11. Линии равных запаздываний (1) и доплеровских смещений (2) на поверхности планеты. Для разделения сигналов, отраженных точками В и В′, расположенными симметрично относительно трассы, диаграмму направленности антенны (3) направляют в сторону от трассы

По одному радиолокационному изображению так же, как и по одиночному фотографическому снимку, трудно судить о высоте видимых образований. Для измерения высотного рельефа поверхности планеты служит радиовысотомер. Непосредственно измеряется высота космического аппарата SO относительно среднего уровня поверхности в освещаемом пятне 2 под аппаратом (см. рис. 10). Величина местного радиуса планеты, зависящая от рельефа в данной точке, вычисляется как разность расстояния аппарата от центра планеты и измеренной высоты.

В отличие от орбитального аппарата «Пионер-Венера» измерения высоты шли через 2,5 км, и профиль высотного рельефа по трассам получался непрерывным. Разрешающая способность радиовысотомера космических аппаратов «Венера-15» и «Венера-16» была также выше и составляла 230 м против 600 – 900 м у аппарата «Пионер-Венера».

Измерение локальных характеристик отражения. Мощность отраженных сигналов зависит от электрических свойств материала поверхности и степени ее неровности. Электрические свойства материала характеризуются коэффициентом отражения радиоволн при нормальном падении, степень неровности поверхности – среднеквадратичным значением углов наклона. Эти параметры можно разделить, сравнивая между собой мощности отраженных сигналов в антенне радиовысотомера, направленной по вертикали к поверхности, и в антенне радиолокационной станции с синтезированной апертурой, направленной под углом 10° к вертикали.

Трасса измерения мощности отраженных сигналов радиолокационной станции с синтезированной апертурой отстоит от трассы полета, вдоль которой расположены измерения мощности отраженных сигналов радиовысотомера, на 180 – 360 км в зависимости от высоты (см. рис. 10). Прямое сопоставление измерений, относящихся к разным областям, может приводить к ошибке, связанной с различием характеристик отражения. Чтобы сопоставлять измерения, относящиеся к одной и той же области, берутся данные, полученные в разных прохождениях космического аппарата, для которых трассы измерений радиолокационной станции с синтезированной апертурой и радиовысотомера совпадают.

Выбор длины волны. При выборе длины волны радиолокационной системы руководствовались тем, что при заданном размере антенны (в том числе и синтезированной) с укорочением длины волны ширина луча уменьшается и, следовательно, растет разрешение. С другой стороны, на длинах волн короче 10 см резко падает мощность отраженных сигналов вследствие поглощения электромагнитного излучения в атмосфере Венеры, через которую проходят радиоволны, зондирующие поверхность. Как было показано выше, это проявляется в уменьшении отражательной способности планеты (см. рис. 6).

На длине волны 8 см, которая была выбрана для радиолокационной системы космических аппаратов «Венера- 15» и «Венера-16», поглощение при вертикальном прохождении атмосферы составляет 2,2 дБ (ослабление в 1,7 раза), что было учтено при расчете энергетического потенциала системы. Выбор волны для исследования Венеры очень критичен. Если бы волна была в 2 раза короче, то атмосфера ослабила бы отраженный сигнал почти в 8 раз (см. таблицу). Его мощности тогда бы не хватило для получения изображений хорошего качества.

Качество радиолокационного изображения. Качество радиолокационного изображения определяется его контрастностью и величиной шумов, присущих этому методу. Контрастность же зависит от того, насколько сильно изменяется мощность отраженных сигналов для участков поверхности, имеющих разный наклон к падающему лучу. Эта зависимость, полученная ранее на основе наземных радиолокационных наблюдений Венеры и пересчитанная к длине волны 8 см, приведена на рис. 12. Отсюда следует, что вначале мощность отраженных сигналов очень резко зависит от угла падения, и изменение его на 1° приводит к изменению мощности на 1 дБ (в 1,26 раза).

Рис. 12. Зависимость мощности отраженных сигналов от угла падения, по данным, полученным при радиолокации Венеры с Земли. Изменение угла падения от 0 до 20°, на что был рассчитан эксперимент, приводит к изменению мощности отраженных сигналов на 18 дБ (в 63 раза)

Рис. 12. Зависимость мощности отраженных сигналов от угла падения, по данным, полученным при радиолокации Венеры с Земли. Изменение угла падения от 0 до 20°, на что был рассчитан эксперимент, приводит к изменению мощности отраженных сигналов на 18 дБ (в 63 раза)

У радиолокационной станции с синтезированной апертурой космических аппаратов «Венера-15» и «Венеpa-16» угол обзора, составляемый электрической осью антенны и местной вертикалью (см. рис. 10), выбран в 10°. При отклонении падающего луча от вертикали на 10° мощность отраженных сигналов уменьшается на 10 дБ (в 10 раз). Эта величина определяет среднее значение яркости изображения, относительно которого выделяются детали изображаемой поверхности.

При этом некоторые элементы поверхности, такие, как склоны горных хребтов, кратеров и долин, обращенные к космическому аппарату, могут занять более удачное положение по отношению к падающему лучу. Мощность отраженных сигналов для них будет иметь превышение над средним значением до 10 дБ. Другие элементы оказываются ориентированными к падающему лучу менее удачно: для них значение угла падения больше 10° и мощность отраженных сигналов ниже среднего значения до 8 дБ (в 6,3 раза) при угле падения 20°. Следовательно, контрасты между отдельными элементами поверхности могут достигать 18 дБ (в 63 раза), подчеркивая форму геологических структур.

Максимальное отражение дают элементы с крутизной 10°, ориентированные перпендикулярно падающему лучу. Если крутизна становится больше 10°, то, как следует из рис. 12, мощность отраженных сигналов начинает уменьшаться, как и в случае меньшей крутизны. Поэтому при картографировании земных горных районов величину угла обзора рекомендуется брать в пределах 35 – 55°, чтобы сохранить однозначность между мощностью отраженных сигналов и отклонением элемента от средней поверхности планеты. В данном случае однозначность должна нарушаться, если крутизна склонов, обращенных к космическому аппарату, превышает 10°. Однако такие склоны с протяженностью, достаточной для того, чтобы проявиться при пространственном разрешении 1 – 2 км, встречаются редко.

Радиолокационная съемка ведется па одной частоте (в монохроматическом «свете»), что создает явление, носящее в оптике название «спекл-эффект». Оно вызывается интерференцией волн, отраженных отдельными точками поверхности в пределах разрешаемого элемента. Из-за случайного расположения точек отраженные ими волны у антенны радиолокатора в какой-то момент могут сложиться в фазе. На изображении в соответствующем кадре элемент будет выглядеть светлым. В следующий момент, когда антенна займет другое положение, они могут взаимно погаситься, и тот же элемент станет темным. По этой причине исходное радиолокационное изображение выглядит «зашумленным»: имеет рыхлый ноздреватый вид. Подобное явление наблюдается в оптике при освещении монохроматическим лазерным лучом. Лист белой бумаги, освещенный в темной комнате лазерным лучом, выглядит пятнистым.

В повседневной жизни это не наблюдается из-за широкого спектра частот, занимаемого видимым светом. Каждый его частотный компонент интерферирует по-своему, и изображение выглядит «гладким». Чтобы сгладить спекл-шумы и приблизить качество радиолокационного изображения кфотографическому, было применено совмещение нескольких кадров, полученных один за другим по мере движения космического аппарата. Один и тот же элемент поверхности виден с космического аппарата под разным ракурсом. Радиоволны при получении каждого кадра интерферируют независимо, и после совмещения кадров и усреднения измерений мощности отраженных сигналов происходит сглаживание изображения по свойству статистики.

comments powered by HyperComments