Echo radarowe

Podstawową miarą zdolności obiektu do wytworzenia echa jest radarowa powierzchnia skuteczna (RCS), która nie jest tożsama z geometryczną powierzchnią obiektu^[12][7]. RCS zależy od rozmiaru, kształtu, materiału oraz orientacji celu względem radaru^[12][13][7].

Duże, płaskie i gładkie powierzchnie mogą dawać bardzo silne echo, jeśli są ustawione niemal prostopadle do wiązki, natomiast po zmianie kąta ustawienia echo może istotnie osłabnąć, ponieważ energia zostaje odbita poza kierunkiem radaru^[13][12]. Silne echo mogą również powodować krawędzie, naroża i wnęki, a także reflektory narożne, które kierują część energii z powrotem ku źródłu^[14][12].

Dla powierzchni rozległych istotne są także chropowatość, nachylenie lokalne oraz właściwości dielektryczne materiału^{[15][16][5][6]}. Chropowatość jest przy tym pojęciem względnym i zależy od długości fali oraz kąta padania^[15][16][5]. Znaczenie mają także rodzaj materiału i jego wilgotność; obrazy mikrofalowe niosą informację o właściwościach geometrycznych i dielektrycznych powierzchni lub objętości, zależnych między innymi od chropowatości, rodzaju materiału i zawartości wody^[17][5][6]. W teledetekcji radarowej wzrost wilgotności gleby lub roślinności często zwiększa rozpraszanie wsteczne, natomiast gładka powierzchnia otwartej wody może dawać słabe echo, ponieważ większość energii odbija się zwierciadlanie poza kierunkiem radaru^[5][15][6].

Na postać echa wpływa również dominujący mechanizm rozpraszania. W radarze obserwacyjnym i w zobrazowaniach SAR wyróżnia się między innymi rozpraszanie zwierciadlane, rozpraszanie od powierzchni chropowatej, rozpraszanie objętościowe oraz efekt podwójnego odbicia^[5][18][6]. Rozpraszanie zwierciadlane jest typowe dla gładkich powierzchni, rozpraszanie objętościowe dla ośrodków złożonych z wielu elementów rozpraszających, takich jak roślinność lub suchy śnieg, a efekt podwójnego odbicia często występuje w środowisku zurbanizowanym, gdzie sygnał odbija się kolejno od powierzchni poziomej i pionowej^[5][19][6].

Długość fali wpływa na to, z jakimi strukturami sygnał oddziałuje najefektywniej, oraz na zdolność penetracji roślinności, gleby, śniegu czy lodu; dlatego ten sam obiekt lub teren może dawać odmienne echo w różnych pasmach radarowych^[5][16][6]. Zwykle dłuższe fale penetrują głębiej, natomiast krótsze są bardziej czułe na drobniejsze struktury powierzchniowe^[5][16].

Istotnym parametrem jest także polaryzacja sygnału. Różne kombinacje nadawania i odbioru w polaryzacji poziomej i pionowej są czułe na odmienne cechy obiektu i różne mechanizmy rozpraszania^[5][20][6]. W radarach dual-pol porównanie odpowiedzi w obu polaryzacjach pozwala lepiej wnioskować o rozmiarze i kształcie cząstek lub obiektów^[20][21].

Na siłę i charakter echa wpływa również geometria obserwacji, zwłaszcza kąt patrzenia i kąt padania. Nawet ten sam teren lub obiekt może mieć inną jasność radarową przy innej geometrii oświetlenia^[5][15][6]. W radarach obserwacyjnych i zobrazowaniach SAR zmiana kąta padania wpływa zarówno na intensywność sygnału wstecznie rozproszonego, jak i na głębokość penetracji w ośrodku^[5][16][6].

Długość impulsu i szerokość pasma wpływają na sposób odwzorowania echa w radarze. W prostym radarze impulsowym długość impulsu determinuje minimalny zasięg wykrycia, a także wpływa na rozdzielczość odległościową; krótszy impuls daje lepszą separację blisko położonych ech, natomiast dłuższy zawiera więcej energii i może sprzyjać wykrywaniu słabszych celów na większych odległościach^[2][3][7]. W radarach z kompresją impulsu kluczowe znaczenie dla rozdzielczości ma szerokość pasma sygnału^[7][22].

Znaczenie ma również częstotliwość powtarzania impulsów (PRF), która wpływa na kompromis między maksymalnym jednoznacznym zasięgiem a maksymalną jednoznaczną prędkością radialną, określany jako dylemat Dopplera^[7][23][24].

Rodzaj emitowanego sygnału decyduje ponadto, jakie informacje mogą zostać odzyskane z echa. Radar impulsowy mierzy odległość bezpośrednio z czasu przelotu sygnału, radar ciągły bez modulacji mierzy zasadniczo składową prędkości dzięki efektowi Dopplera, natomiast radar FMCW umożliwia wyznaczanie odległości na podstawie różnicy częstotliwości między sygnałem nadanym i odebranym^[7][25][26].

Na echo radarowe wpływają także warunki propagacji pomiędzy radarem a celem. Sygnał może być tłumiony przez atmosferę lub opad znajdujący się na drodze wiązki, a nietypowy pionowy rozkład temperatury i wilgotności może powodować anomalną propagację, prowadzącą do pojawiania się ech nieopadowych^[9][10][7]. W radarze meteorologicznym częstym przykładem takich ech jest ground clutter, czyli echo od stałych obiektów terenowych i budowli, szczególnie widoczne przy małych elewacjach wiązki^[8][27].