Распространение радиоволн в атмосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Принципы распространение радиоволн

1.1 Распространение миллиметровых радиоволн в атмосфере

В миллиметровом (ММ) и субмиллиметровом (субММ) диапазонах радиоволн существует значительное количество линий поглощения паров воды, кислорода и примесных газов, обладающих постоянными электрическими и магнитными моментами, способными взаимодействовать с электромагнитным излучением.

При функционировании радиотехнических систем (РТС) в атмосфере энергия электромагнитных колебаний при распространении ослабляется экспоненциально по закону Бугера. Поэтому для определения реальной дальности действия РТС необходимы данные о коэффициенте суммарного поглощения и ослабления, а также его распределения в пространстве и во времени.

Рассмотрим оценку этого коэффициента на основе аддитивности механизмов поглощения и ослабления электромагнитной энергии в атмосфере.

Полный коэффициент поглощения и ослабления может быть представлен в виде суммы

г_пол = г_Н20 + г_О2 + г_Д + г_Т + г_о + г_м.с. + г_с (1.1)

где г_Н20 - коэффициент поглощения в водяном паре; г_О2 - коэффициент поглощения в кислороде; г_Д - коэффициент ослабления в дожде; г_Т -коэффициент ослабления в тумане; г_о - коэффициент ослабления в облаках; г_м.с. - коэффициент поглощения в мокром снеге; г_с - коэффициент поглощения в сухом снеге. Все коэффициенты выражаются в децибелах/километр. Переход от величин г в децибел/километр к б 1/км (неперам) осуществляется по формуле: г = 4,34б.

В настоящее время закономерности поглощения радиоволн изучены теоретически и экспериментально достаточно хорошо на малых расстояниях. Однако модели лежащие в основе теоретических исследований - Ван Флека, Т. Роджера, В. Вейсскопфа, С.А. Жевакина, A.П. Hayмова, Дж. Бастина и ряда других, не были адекватными процессам резонансного поглощения, вследствие чего теоретически полученные величины поглощения оказались в 1,5...2 раза меньше экспериментальных значений, наблюдавшихся, в основном, в окнах прозрачности спектра поглощения паров воды. Сейчас процесс развития и совершенствования теории квантово-механического поглощения еще далек от своего завершения.

Наиболее результативными явились исследования ансамбля невзаимодействующих полярных молекул кислорода в рамках модели J-диффузии, обобщенные на квантовый случай, проведенные С. В. Титовым и Ю. В. Калмыковым. В этой модели учитывается инерционность молекул, механизм интерференции линий и когерентность времени их соударений. На основе такой модели и существенно более простого математического аппарата по сравнению с ударными теориями перекрывающихся линий удалось рассчитать поглощение и дисперсию показателя преломления в парах воды и в кислороде, где интерференция линий уже существенна даже при атмосферном давлении. Установлено, что модель J-диффузии хорошо описывает поглощение в кислороде, нерезонансное поглощение в широких интервалах изменения давлений и эффект смещения максимума поглощения в диапазон более низких частот с ростом давления, а также частотную зависимость поглощения в парах воды.

Из-за трудностей точного расчета поглощения широкое распространение в научно-технической литературе получили полуэмпирические методы определения ослабления в парах воды и кислороде, предложенные впервые А.Ю. Зражевским, а позднее Г. Либе и хорошо согласующиеся с экспериментом. С учетом результатов этих работ величины поглощения в парах воды и кислороде могут быть представлены в виде аналитических соотношений:

;

(1.2)

(1.3)

(1.4)

где щ - частота излучения в гигагерцах; с- влажность воздуха в грамм/метр в кубе при температуре 20°С.

При необходимости для оценки молекулярного поглощения в инфракрасном диапазоне волн коэффициенты поглощения в окнах прозрачности атмосферы могут быть взяты из таблице 1.1.

Таблица 1.1. Значения коэффициентов поглощения в инфракрасном и видимом диапазонах радиоволн в окнах прозрачности атмосферы

Рисунок 1.1 - Сравнение значений молекулярного поглощения паров воды

Заметим, что оптическая толща -- это произведение коэффициента поглощения на высоту слоя однородной атмосферы, в котором энергия излучения ослабляется, также как и в неоднородной атмосфере.

Необходимо также отметить, что в экспериментальных исследованиях молекулярного поглощения радиоволн вплоть до последнего времени отсутствовала статистика различных уровней этого поглощения. Ясно, что накопление этой статистики представляет собой весьма трудоемкую задачу из-за крайне сильной изменчивости влажности воздуха р и ее зависимости от климатических условий.

На рисунке 1.1 показано сравнение теоретических значений молекулярного поглощения в парах воды с полученными полуэмпирическим методом расчета и экспериментально. По оси ординат отложены величины удельного ослабления г, по оси абсцисс - частота щ, точками обозначены результаты многочисленных экспериментов, пунктирная кривая - расчет по методу С.А. Жевакина и А.П. Наумова с формой линии, рассчитанной по кинетическому уравнению, сплошная кривая - расчет по методу Л. Ю. Зражевского.

1.2 Ослабление миллиметровых радиоволн в гидрометеорах

Наиболее сильное ослабление в ММ-диапазоне радиоволн оказывают "дожди, туманы и облака, в то время как снег град и твердый аэрозоль вызывают существенно меньше ослабление.

Удельное ослабление в дождях теоретически изучено достаточно полно на основе строгого решения задачи о дифракции электромагнитной волны на водяной сфере для ансамбля частиц с заданным распределением их по размерам.

При расчетах ослабления в ансамбле капель дождя для реальных значений комплексного показателя преломления воды, заимствованных из результатов экспериментов, факторы эффективности ослабления, рассеяния и поглощения могут быть представлены в виде бесконечных рядов, число членов которых должно иметь порядок X.

Обычно величина ослабления, рассеяния и поглощения в дожде представляется в виде:

радиотехнический атмосфера электромагнитный гидрометеор

(1.5)

В выражении (1.5) эти факторы могут быть представлены как

где N₀- полное число капель в объеме; Х= 2ра/л, а - радиус капли, л - длина волны; m - комплексный показатель преломления отдельной капли; а_n и b_n - комплексные коэффициенты, пропорциональные амплитудам электрических и магнитных мультиполей, которые, в свою очередь, представляются функциями Рикатти-Бесселя; f(a) - функция распределения капель по размерам.

При инженерных оценках дальности действия РТС Международным Комитетом по Радио рекомендуется определять коэффициент г_д, для разных частот в диапазоне 10... 100 ГГц по эмпирическому соотношению:

, (1.6)

где А(щ)и В(щ) - постоянные коэффициенты для данной частоты излучения; J_Д - интенсивность дождя в миллиметрах/час, определяемая высотой столба жидкой воды в 1 см³ площади.

Знамения коэффициентов А(щ)и В(щ) полученные в итоге многочисленных и неоднократных измерений, приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Значения коэффициентов А(щ)и В(щ)

Рисунок 1.2 - Ослабление радиоволн в дождях

Коэффициент ослабления в дождях можно приближенно определить также на основе результатов теоретического расчета по графикам, приведенным на рисунке 1.2.

В таблице 1.3 даны результаты расчетов и экспериментов коэффициента ослабления радиоволн ММ-диапазона в дождях различной интенсивности (результаты экспериментов обозначены звездочкой и приведены через дробь только для волны 3,2 мм.)

Таблица 1.3 - Коэффициенты ослабления радиоволн ММ-диапазона в дождях различной интенсивности

Рисунок 1.3 - Распределение интенсивности дождей в течении года

Рисунок 1.4 - Зависимость среднегодовой продолжительности дождей от их интенсивности

На рисунке 1.3 представлены графики распределения интенсивности дождей J_Д от времени года t_год, построенные по материалам детального изучения статистики дождей на земном шаре для различных климатических условий: 1 - морской субтропический; 2 -- континентальный умеренный; 3 -- морской умеренный; 4 -- для среднепересеченной и возвышенной местности; 5 -- пустынной местности. На рисунке 1.4 приведены результаты исследований, проведенные в ИРЭ РАН, зависимости среднегодовой продолжительности дождей от их интенсивности, где: 1 - результаты измерений для европейской территории России; 2 - результаты расчета; 3 - результаты измерений для северо-западной части Германии. Анализ материалов детального изучения статистики дождей на земном шаре в результате изучения распределения интенсивности дождей во времени показал, что в средней части Европы дожди с интенсивностью выше 5 мм/ч появляются в течение 0,15% времени всех дождей года. Вероятность же появления дождей с интенсивностью меньше 5 мм/ч из всего количества дождей года составляет 0,75%. Для определения ослабления в дожде на волнах 0,63 и 10,6 мкм может быть рекомендована простая эмпирическая формула: .(1.7). Найденные таким образом коэффициенты ослабления в дожде позволяют определять потери энергии излучения на трассе при условии выпадения однородного по пространству дождя. В случае его пространственной неоднородности необходимо для оценки потери дальности действия иметь данные о распределении его интенсивности либо пользоваться существующими моделями пространственного распределения дождей, основанными на многочисленных экспериментах. Ослабление радиоволн в снегопаде не поддается строгой теоретической оценке. Однако известно, что оно примерно вдвое меньше, чем в дождях с интенсивностью J_c ? 5 мм/ч. В мокром снеге ослабление оказывается в 2...3 раза больше, чем в дожде той же интенсивности, причем оно не поддается достаточно надежной теоретической оценке.

Таблица 1.4 Значения коэффициентов ослабления ММ-волн в снегопаде

Рисунок 1.5 - Зависимость среднегодовой продолжительности снегопада от его интенсивности

Характерные значения коэффициентов ослабления ММ-радио-волн в снегопаде приведены в таблице 1.4.

Среднегодовая продолжительность снегопада определенной интенсивности J_c для средней полосы европейской территории России приведена на рисунке 1.5 (кривая 1); кривая 2 - выпадение снега, а кривая 3 - снежной крупы в Японии.

Анализ распределения вероятностей выпадения снега для средней полосы европейской части Российской Федерации показывает, что снегопады с интенсивностью J_c = 1 мм/ч и более составляют менее одних суток в году.

Ослабление радиоизлучения в туманах и облаках может быть найдено по графикам на рисунке 1.6 и рисунке 1.7 соответственно. Для приближенных оценок величина ослабления в таких гидрометеорах может быть вычислена по формуле:

,(1.8)

где q - водность тумана или облака в граммах на куб. метр; щ - частота излучения; Т - абсолютная температура в градусах Кельвина

На рисунке 1.6 под термином "Видимость" понимается оптическая дальность видимости. На рисунке 1.7 косыми линиями (от 20 до 1000 м) обозначена оптическая видимости в облаках.

Рисунок 1.6-1.7 - Ослабление миллиметровых волн в туманах и в облаках

Рисунок 1.8 - Частотные зависимости молекулярного поглощения и ослабления в атмосфере

На рисунке 1.8 приводятся частотные зависимости молекулярного поглощения и гидрометеорных ослаблений в атмосфере, где кривая 1 - дождь 100 мм/ч (10^-4%); 2 - дождь 50 мм/ч (8*10^-4); 3 - дождь 10 мм/ч (2*10^-2); 4 -дождь 5 мм/ч (10^-1%); 5 - туман, дальность видимости 200 м (5%) (в скобках даются усредненные по времени в течение года значения продолжительности компонентов поглощения для средней полосы России); 6 - туман, облака, дальность видимости 50 м; 7 -- пары воды при нормальных условиях (30 %) (здесь под нормальными условиями понимаются: температура воздуха +20°С, атмосферное давление 760 мм рт.ст. и абсолютная влажность 7,5 г/м3); 8 - кислород; 9 - нерезонансное поглощение кислорода на частоте менее 10 ГГц; 10 -пыль; 11 - дым, видимость 200 м.

Анализ особенностей распространения радиоволн показывает, что в короткой части ММ-диапазона радиоволн имеется ряд участков спектра (в районах волн 8; 3,3; 2,3 и 1,3 мм), так называемых "окон прозрачности", где ослабление невелико.

1.3 Вероятностные характеристики ослабления миллиметровых радиоволн в атмосфере

Необходимо заметить, что существующие методы оценки основных компонентов ослабления в атмосфере являются лишь первым приближением к действительности, поскольку атмосфера - постоянно меняющаяся среда, и распространение ММ-радиоволн происходит, вообще говоря, в неоднородной атмосфере, так как ее параметры изменяются вдоль траектории распространения от высоты над земной поверхностью и во времени. Таким образом, в настоящее время требуется определение средних удельных значений ослабления, зависящих от различных параметров атмосферы, а также вероятности появления этих значений.

Анализ результатов указанных выше основных работ по исследованию распространения радиоволн СМ-, ММ- и субММ-диапазонов в атмосфере и гидрометеорах применительно к разработке радиолокационных систем обнаружения наземных объектов. Такие данные в виде таблиц усредненных значений с учетом вероятности появления этих значений приводятся ниже.

Так, средние значения коэффициентов ослабления в атмосфере для "окон прозрачности" в ММ- и субММ-диапазонах, которые соответствуют нормальным погодным условиям, следующие:

л, мм......... 8 3,2 2,2 1,24 0,98 0,86

г_a, дБ/км…….0,06 0,4 0,72713

Текущие значения коэффициента ослабления в атмосфере г_a связаны с абсолютной влажностью, которая, как было сказано выше, является определяющей характеристикой ослабления, поэтому для практических оценок [г_a'] часто используют следующую упрощенную формулу:

(1.9)

где р(г/м³) ? 0,8 l_в (мбар) - абсолютная влажность; l_в - упругость водяного пара.

Известно, что величина р может меняться в широких пределах от 1,5 до 17 г/м³ и зависит от погодных условий. Как правило, в зимний период величина р не превышает 4 г/м³ (таблица 1.5); в осенний и весенний периоды, летом в сухую и жаркую погоду она может быть в пределах 7… 10 г/м³, а в условиях тумана и осадков, а также в период испарений значение р может быть выше 12 г/м³. В таблице 1.5 (в нижней строке) также приведены результаты расчетов усреднённых значений коэффициента ослабления в атмосфере с вероятностью появления Р_г=0,8. Данные таблицы 1.5 применимы для оценки энергетического потенциала радиолокационных систем.

Таблица 1.5.Усредненные значения коэффициента ослабления радиоволн в атмосфере

Интересны для практики также результаты статистических исследований, зависимости коэффициента ослабления радиоволн в короткой части ММ-диапазона от вероятности их появления. Так, в результате исследования среднегодовых колебаний абсолютной влажности в приземной атмосфере, а также для заданных значений вероятности их появления Р_г в интервале от 0,1 до 1 получено, что значения коэффициента ослабления в атмосфере г_а для длин волн 1,2 и 3 мм не будут превышать значения, приведенные в таблице 1.6.

Наибольшее ослабление в кислороде атмосферы за счет молекулярного резонанса имеет место на волнах длиной 5 и 2,5 мм, соответствующих максимумам линий молекулярного поглощения.

Таблица 1.6 Коэффициенты ослабления в атмосфере г_а

Таким образом, анализ особенностей распространения радиоволн ММ- и субММ-диапазонов показывает, что в ММ-диапазоне радиоволн имеется целый ряд участков спектра (в районах волн 8; 3,2; 2,3; 1,3 мм), где ослабление невелико. Это позволяет утверждать о возможности широкого применения таких волн в радиолокационных системах обнаружения особенно в ночных условиях, когда обнаружение с помощью визуального наблюдения, в том числе и с использованием приборов ИК-диапазона, сильно затруднено или невозможно.

Размещено на Allbest.ru