Глава четвертая. Эффект кабанова

В ноябре 1960 г. председатель Государственного комитета по делам изобретений при Совете Министров СССР вручил Н. И. Кабанову диплом открытия, суть которого в следующем: 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. Этому открытию присвоено наименование эффекта Кабанова.

9 и 10 октября 1946 г. должно было наблюдаться очень редкое явление — метеорный дождь «Дракониды». Кроме обычных астрономических способов наблюдения за метеорами, возникла мысль использовать для этой цели радиолокацию. Сотрудники Астрономического института им. Штернберга обратились к Н. И. Кабанову с предложением организовать наблюдения за метеорным дождем с помощью радиолокационной станции. Это предложение несколько озадачило Н. И. Кабанова, так как в то время считали, что максимальная дальность действия радиолокационных станций не превышает 200 кмкм. Однако оказалось, что следы ионизированного газа, остающиеся за метеором, когда он пронизывает плотные слои атмосферы и сгорает в них, тянутся на многие километры и могут быть обнаружены с помощью радиолокационной станции.

Под руководством Н. И. Кабанова 9 и 10 октября были проведены такие наблюдения. Использование радиолокации для исследования метеоров было шагом вперед, так как никто до сих пор не проводил подобные эксперименты. Кроме того, было установлено, что метеорные следы могут быть обнаружены на расстоянии в несколько сотен, а в отдельных случаях до тысячи километров. Анализ результатов наблюдений показал, что метеорные следы рассеивают электромагнитную энергию, поступающую от радиолокационной станции. Часть этой энергии возвращается назад к станции, где и регистрируется в виде сигнала. Это обстоятельство навело Н. И. Кабанова на мысль, что рассеивать сигналы может и поверхность Земли, когда на нее падают радиоволны. Следовательно, часть энергии рассеянной волны может возвратиться к передатчику и там быть зарегистрирована. Эта гипотеза противоречила взглядам на распространение радиоволн, господствовавшим в то время.

Вопрос о том, рассеивает земная поверхность радиоволны или нет, был поставлен задолго до Н. И. Кабанова. Со времени начала работы коротковолновых линий радиосвязи (примерно с 1926 г.) наблюдались некоторые явления, которые ученые не в состоянии были объяснить. Например, иногда регистрировались случаи, когда прием сигналов мощных коротковолновых радиостанций происходил в мертвой зоне, т. е. в зоне, в которую обычно не попадали отраженные от ионосферы сигналы. Принимаемый в мертвой зоне сигнал обычно сопровождался искажениями. Они проявлялись в виде «ворчания» радиотелефона или ошибок радиопеленгатора, принимавшего одновременно как прямой, так и рассеянный сигналы. Для выяснения причин этих непонятных явлений были организованы большие экспериментальные работы, особенно в Англии. В результате этих исследований на протяжении 1932—1940 гг. группа сотрудников под руководством Т. Эккерслея установила, что короткие радиоволны в процессе своего распространения испытывают рассеяние.

Объясняя это явление, Т. Эккерслей утверждал, что причина рассеяния радиоволн — нижний слой ионосферы. Если же и есть рассеяние, вызванное Землей, то его практически обнаружить невозможно. Этот ошибочный взгляд Т. Эккерслея был опубликован в 1940 г. в его книге «Анализ рассеянных отражений, наблюдавшихся при радиосвязи». Этот взгляд господствовал в научных кругах Запада, поэтому Н. И. Кабанов отдавал себе отчет, в какое противоречие он вступает с представлениями Т. Эккерслея. Тем не менее он решил экспериментально проверить свою гипотезу, что и удалось ему в 1947 г.

Рис. 12. Рисунок, поясняющий эффект Кабанова.

На экране локатора им были обнаружены сигналы. Но это не были сигналы, отраженные летящим самолетом, метеорами и ионосферой. Анализ и расчеты с достоверностью показали правильность предположения ученого. Локатор, работавший на самых высоких частотах коротковолнового диапазона, принял сигналы, отраженные поверхностью Земли в двух с лишним тысячах километров от передатчика. В последующие годы эти эксперименты тщательно проверялись. Их результатом был доклад Н. И. Кабанова, сделанный советской делегацией в 1959 г. в США на IX пленарной ассамблее Международного консультативного комитета по радио (МККР). Из доклада было ясно, что методом Н. И. Кабанова можно обнаруживать и определять местонахождение самых различных процессов, явлений и предметов на сверхдальних расстояниях, в любой точке земного шара.

Необходимо отметить, что аналогичные выводы о рассеянии радиоволн поверхностью Земли были получены за рубежом на 3 года позже.

Объяснение эффекта Кабанова схематически показано на рис. 12. Отражение коротких радиоволн от ионосферы происходит в области F2. Попадая на земную поверхность, волна отражается от нее по закону «угол падения равен углу отражения». Кроме того, в месте падения волны происходит ее рассеяние во все стороны, а также и в направлении прихода волны. Эта рассеянная часть радиоволны возвращается к передатчику, где и регистрируется на экране осциллографа.

Как показали исследования, величина рассеянного поля определяется свойствами поверхности Земли. Она будет больше на поверхности с резко выраженной электрической неоднородностью, например от берега моря, а также, если имеются резкие изменения рельефа местности (горы). Передатчик мощностью в несколько киловатт создает в пункте приема рассеянное от поверхности земли поле, напряженность которого составляет примерно несколько микровольт на метр. Помимо рассеяния земной поверхностью, на пути распространения радиоволн происходит также рассеяние в слое E, который дважды пересекается падающей радиоволной. Однако, как показали измерения, рассеяние от слоя Е намного меньше рассеяния от земной поверхности.

На рис. 13 показаны импульсные сигналы, наблюдавшиеся на экране осциллографа во время эксперимента, проведенного Н. И. Кабановым 19 декабря 1949 г. Передатчик был установлен в Москве.

Рис. 13. Отражение радиоволн от берегов Черного моря.

Радиолокация проводилась в направлении к Черному морю. Первый импульс, расположенный в левой части рисунка, соответствует моменту импульсного излучения радиолокационной станции, работавшей на частоте 16,2 Мгц. Второй импульс появился в результате прихода рассеянного сигнала от берега Черного моря (Крым), а третий импульс — от другого берега Черного моря в районе Малой Азии (1 750 км). Между вторым и третьим импульсами имеется резко выраженный провал, соответствующий ровной поверхности Черного моря.

Подобная радиолокация территории происходит за одно отражение сигнала от ионосферы. В этом случае говорят об односкачковом распространении коротких радиоволн. При односкачковом распространении можно осуществить радиолокацию на расстоянии до 4 000 км. Радиолокация на более дальние расстояния проводится путем двух- и трехскачкового распространения радиоволн.

Приведенный пример радиолокации района Черного моря показывает, что с помощью эффекта Кабанова можно проводить радиолокацию на сверхдальние расстояния практически любой точки земного шара. Это имеет большой научный и практический интерес. Например, с помощью «радиоэха Кабанова», как иногда называют это явление, можно обследовать большие пространства земной поверхности за короткое время. С его помощью можно регистрировать извержения вулканов, обнаруживать и наблюдать движение больших айсбергов .и т. п.

Эффект Кабанова имеет исключительно большое значение для радиосвязи на коротких волнах. На нем основан метод возвратно-наклонного зондирования ионосферы (сокращенно ВНЗ), который позволяет значительно повысить устойчивость радиосвязи и радиовещания на коротких волнах. Метод ВНЗ позволяет получить истинную картину состояния ионосферы и условий распространения радиоволн в данный момент времени в заданном направлении. С его помощью можно контролировать прохождение радиоволн и корректировать рабочие частоты на действующих линиях связи.

Рис. 14. Определение зоны молчания при возвратно-наклонном зондировании ионосферы.

Идея метода ВНЗ аналогична эффекту Кабанова. Радиоволны, посылаемые передающей станцией, отражаясь от ионосферы, падают на Землю. Некоторые волны, рассеянные земной поверхностью, возвращаются назад к передающей станции с запаздыванием по времени, где регистрируются осциллографом. Осциллограммы возвратных рассеянных сигналов аналогичны приведенной на рис. 13.

Схема пространственного распространения радиоволн показана на рис. 14. Радиоволны, падающие на отражающий слой под углами, меньшими, чем критический угол $\Theta_{кр}$, не отражаются ионосферой. Лучи, имеющие угол больше критического, создают освещенную зону (зону приема). Между передатчиком и освещенной зоной находится зона молчания, т. е. поверхность, на которую не падают прямые лучи.

Передняя граница рассеянного сигнала соответствует началу освещенной зоны. Следовательно, зная время запаздывания рассеянного сигнала, можно найти ближайшую границу освещенной зоны и определить, насколько данная частота пригодна для радиосвязи с заданным приемным пунктом. Например, пусть время запаздывания рассеянного сигнала равно 10 мсек. Так как скорость распространения волны составляет 300 000 км/сек, то двойной путь, пройденный сигналом, будет равен:

$$2D=3\cdot10^5\cdot10\cdot10^{-3}=3000 км,$$

откуда

$$D=\frac{3000}{2}=1500 км,$$

т. е. протяженность зоны молчания составляет 1 500 км.

Таким образом, зная время запаздывания рассеянного сигнала, можно определить размеры зоны молчания. Однако зондирование на одной частоте в некоторых случаях не дает нужных результатов.

Рис. 15. Дистанционно-частотная характеристика при возвратно-наклонном зондировании ионосферы.

Рассеянные сигналы часто имеют очень сложный характер, и их трудно анализировать.

На сигналы, рассеянные земной поверхностью, накладываются сигналы, рассеянные от неоднородностей ионосферы. В результате принимаемый сигнал теряет четкие очертания своей формы, что затрудняет определение границ мертвой зоны.

В таких случаях зондируют ионосферу не на одной, а на нескольких частотах. Если сгруппировать затем последовательно осциллограммы рассеянных сигналов, то можно получить определенную частотную зависимость верхнего предела диапазона рабочих частот от расстояния. Такую зависимость называют дистанционно-частотной характеристикой (ДЧХ). На рис. 15 приведена ДЧХ для случая, когда зондирование проводилось на частотах 9, 12, 14, 17, 18 и 20 Мгц. Наблюдавшиеся возвратные рассеянные сигналы нанесены на график в возрастающем порядке. Линия, которая проходит через начало групп рассеянных сигналов, представляет собой дистанционно-частотную характеристику.

Для оперативного использования результатов возвратно-наклонного зондирования необходимо ДЧХ вычерчивать отдельно. Рабочие частоты по ДЧХ для коротковолновой линии связи необходимо выбирать так, чтобы корреспондент находился несколько дальше границы освещенной области. Если корреспондент находится на ее границе, то прием сигналов будет сопровождаться большими замираниями. Если же он будет расположен ближе границы, то прием будет отсутствовать.