ЭФФЕКТ КАБАНОВА, КАК ОСНОВА ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЗАГОРИЗОНТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ

THE KABANOV EFFECT AS THE BASIS FOR BUILDING BEYOND-THE-HORIZON DETECTION SYSTEMS

Zaitsev Yefim Nikolaevich 

Cadet, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet Union G. K. Zhukov, Russia, Tver

Secrieru Daniil Mikhailovich

Cadet, Military Academy of Aerospace Defense named after Marshal of the Soviet

Union G. K. Zhukov, Russia, Tver

Аннотация. В работе анализируются физические механизмы дальнего коротковолнового рассеяния, обусловленные взаимодействием ионосферного отражения и диффузного рассеяния на рельефе местности. Показано, что использование эффекта позволяет реализовать принцип загоризонтной радиолокации: обнаружение воздушных и баллистических целей на дальностях до 3000 км и более за пределами прямой видимости

Abstract. This work analyzes the physical mechanisms of long-range shortwave scattering, governed by the interaction between ionospheric reflection and diffuse scattering from terrain features. It is demonstrated that utilizing this effect enables the implementation of over-the-horizon radar principles: specifically, the detection of aerial and ballistic targets at ranges of up to 3000 km and beyond, exceeding the line of sight.

Ключевые слова: эффект Кабанова, ионосфера, радиоволны, частота.

Keywords: Kabanov’s effect, ionosphere, radio waves, frequency.

«Радиоволны, отраженные от ионосферы, при падении на землю частично рассеиваются ее поверхностью, при этом некоторая доля рассеянной энергии возвращается к источнику излучения, где и может быть зарегистрирована.» [1] - эта фраза является словесным выражением формулы, выведенной в своих научных трудах  советским учёным-радиотехником, доктором технических наук, профессором НЭТИ (Новосибирского электротехнического института) Н.И. Кабановым (далее Кабановым). Данный вывод стал результатом исследования метеоритов во время метеорного дождя «Дракониды» 9 и 10 октября 1946 года. Для этого сотрудники Астрономического института им. Штернберга обратились к Кабанову с предложением новой методики – применением радиолокационной станции.

После изобретения радио и применения радиоволн с целью обнаружения целей долгое время распространенным являлось суждение, что для осуществления связи и эффективного распространения волн наиболее практичным будут волны: для связи – от нескольких сотен метров (около 1МГц), для станций радиолокации- до десятков метров (волны ВЧ). Во втором случае дальность их распространения составляла не более 200 км. Применение волн большей частоты считалось неэффективным из-за больших потерь в мощности.

Это озадачило Кабанова и требовало применения нестандартных способов обнаружения целей. В ходе исследования было выявлено, что ионизированный след в атмосфере, оставшийся после падения метеоров и их сгорания в верхних слоях атмосферы, растягивался на многие километры и мог быть обнаружен не только на расстоянии нескольких сотен, но и, в некоторых случаях, около тысячи километров. Энергия радиоволны, поступающая с антенны радиолокационной станции, при попадании на «ионизированный хвост», оставшийся после пролета метеора, частично рассеивалась и после отражения возвращалась и фиксировалась приемниками станции, регистрируя при этом получение сигнала. Исследование данного явления навело Кабанова на мысль о том, что в таком случае не только ионы, но и поверхность Земли отражает сигнал, перенаправляя его часть обратно на принимающее устройство.  Так, открытие нового свойства стало не только важным шагом для обнаружения целей на больших расстояниях, но и основополагающим принципом построения отечественных комплексов систем загоризонтного обнаружения целей (для фиксации запуска межконтинентальных баллистических ракет с территории противника, массированного и одиночного взлета летательных аппаратов в зоне обнаружения).

Сущность эффекта Кабанова

Теперь детальнее рассмотрим сущность эффекта Кабанова.  Волны, обладающие длиной λ = 10-100 м, при распространении, достигая ионосферы, отражаются в ней и возвращаются обратно к Земле. Количество волн, рассеиваемых атмосферой, зависит от частоты излучения. При переходе от средних волн (λ = 100-1000 м) к коротким волнам (λ = 10-100 м), несмотря на двукратное пересечение ионосферы, потери энергии в существенно уменьшаются, но при этом происходит переотражение большей части волн, а, следовательно, и меньшие потери энергии электромагнитных волн. Однако в этом случае также увеличивается потери при попадании на Земою при последующих последовательных «скачках» распространяющегося потока. Именно поэтому, связь необходимо осуществлять не поверхностными, а пространственными волнами, при работе в коротковолновом диапазоне. Преимуществом при этом значительно: в первом случае дальность действия ограничена несколькими сотнями километров, во втором – около нескольких тысяч километров.

При применении эффекта Кабанова на практике имеет место ряд особенностей, которые учитываются при работе. Во-первых, имеется так называемая «Зона молчания»(«Зона молчания» - это область пространства, ограниченная максимальной дальностью распространения поверхностной волны и минимальной дальностью первого скачка пространственной волны, где обнаружение целей невозможно вследствие экспоненциального затухания поверхностной волны из-за потерь энергии в подстилающей поверхности и отсутствия условий для возвращения пространственной волны на землю, поскольку для данных расстояний угол излучения превышает критическое значение, необходимое для отражения от ионосферы.). Во-вторых, по мере увеличения частоты электромагнитного колебания (увеличения его длины волны) преломление волн в ионосфере также уменьшается, в связи с чем радиоволны могут пройти сквозь нее, при этом не отразившись на Землю[2]. В связи с этим, частота выбирается так, чтобы соответствовать требуемой зоне обнаружения, с учетом угла антенны, которая излучает волны.

Рисунок 1. Рассеивание электромагнитных волн в ионизированном слое атмосферы

Во избежание подобных ситуаций необходимо, чтобы рабочая длина волны превышала критическую длину волны слоя F2 (λкр = 23÷45 м), либо, если используются более короткие волны, угол возвышения луча должен оставаться ниже критического угла δкр. В подобной обстановке (λкр < 23÷45 м) дистанция связи пространственными лучами не может сокращаться ниже конкретного значения Rз. Учитывая, что поверхностная волна 3 быстро затухает даже вблизи передатчика, формируется зона молчания. С уменьшением минимально допустимой длины волны (и ростом максимально допустимой частоты) снижается критический угол возвышения луча δкр, что ведет к увеличению дистанции Rз от излучателя до ближнего отраженного луча. Так, летним полуднем при λмин = 40 м радиус зоны молчания Rз составляет 250 км, при λмин = 30 м Rз = 750 км, при λмин = 20м Rз = 1500км и при λмин = 15м Rз = 2000км. Поскольку ночью и в зимний период ионизация слоя падает, радиус Rз в эти промежутки времени превышает показатели лета и дня. Следующая характеристика распространения волн связана с наличием оптимальных частот связи f для различных суток и сезонов. Понятно, что данная частота не должна превышать значение (fмакс), при котором на указанном удалении от передатчика появляется зона молчания. Однако снижение f относительно fмакс влечет за собой увеличение энергопотерь в ионосфере, в частности в слое F2. Таким образом, наилучшие частоты связи приближены к fмакс, а длины волн λ — к λмин. Для страховки от сбоев связи, вызванных случайными колебаниями ионизации, устанавливают f ≈ 0,85fмакс (λ ≈ λмин/0,85). Днем целесообразно использовать самые короткие волны с λ = 10-25 м. В ночные часы их применение исключено, так как плотность ионизации слоя существенно ниже дневной, что делает невозможным отражение волн этого диапазона на Землю. Ночью рекомендуется применять волны с λ = 35-100 м; несмотря на меньшую частоту по сравнению с дневными, потери в слое Е растут незначительно, ведь плотность ионизации этого и других слоев уменьшилась. При усредненной освещенности наилучшими считаются волны с λ = 25-35 м. Третий нюанс состоит в том, что в коротковолновом диапазоне наиболее ярко выражены факторы, дестабилизирующие связь. В первую очередь это дальние замирания (фединги). Их отличие от ближнего фединга в том, что на коротких волнах интерферируют обычно две пространственные волны (в отличие от поверхностной и пространственной на средних волнах), из-за чего замирания результирующих полей становятся глубже и чаще. Причин для фединга тут также больше: в ионосфере варьируются не только фаза, но и поляризация волн; в приемной антенне на коротких волнах может происходить интерференция более двух волн от одной станции; при переходе от средних волн к короткому идентичному изменению разности хода интерферирующих волн провоцирует изменение фазового сдвига между ними в десятки раз сильнее. Для коротковолнового диапазона характерны также ближнее и дальнее эхо. Под радиоэхо понимается повтор сигнала вследствие последовательного приема волн, отраженных от ионосферы один или несколько раз. Ближнее эхо возникает благодаря волнам, идущим от передающей антенны к приемной кратчайшим путем, а в формировании дальнего эха участвуют волны, отразившиеся от ионосферы единожды, либо обогнувшие Землю по длинной траектории. Вследствие низких потерь энергии при распространении волн между ионосферой и Землей вторичная волна может быть достаточно интенсивной и существенно ухудшить качество радиосвязи. Это приобретает практическую значимость при приеме коротких сигналов (к примеру, фототелеграфных).