Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Особенности распространения миллиметровых волн в дожде



Введение.

Понимание особенностей взаимодействия волн ММ диапазона с молекулами атмосферных газов, с гидрометеорами, с турбулентными неоднородностями воздуха, а также оценка влияния на характеристики принимаемых сигналов вертикальной стратификации атмосферы и отражений от подстилающей поверхности являются весьма важными во многих практических приложениях. В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в ИРЭ РАН в последние годы по этим направлениям .

Проблема описания микроволнового поглощения в газах интересует радиофизиков как в России, так и за рубежом более полувека. Однако, несмотря на значительные усилия специалистов по теоретическому описанию спектров полярных газов, до сих пор не удавалось создать теорию, адекватную измеряемым величинам поглощения. Из-за сложности способов учета межмолекулярных взаимодействий до сих пор еще не получены аналитические выражения для спектров поглощения воздуха в широком диапазоне частот, а также давлений и температур.

В ИРЭ РАН был предложен и развит новый подход к описанию молекулярного поглощения. Оказалось, что результаты теоретических расчетов на основе метода функций памяти и моделей обобщенной вращательной диффузии хорошо согласуются с экспериментом без привлечения других гипотез (например, димерного механизма поглощения). Этот подход позволил лучше понять механизм взаимодействия электромагнитных волн с молекулами паров воды и кислорода .

В окнах прозрачности атмосферы на приземных линиях связи миллиметровые волны (ММВ) наибольшее ослабление испытывают в осадках. Вызвано это двумя причинами: во-первых, тем, что характерные размеры капель того же порядка, что и длина волны излучения, из-за чего дифракционное рассеяние каплями носит резонансный характер; во-вторых, тем, что большие значения мнимой части комплексного показателя преломления воды, обусловливают высокий уровень поглощения энергии волны в объеме капли. Следует отметить, что весьма основательно экспериментально и теоретически изучено ослабление радиоволн в осадках, установлены его спектральные и температурные зависимости, а также статистические характеристики; заметно хуже исследовано рассеяние радиоволн в осадках.

Влияние рассеяния ММВ в осадках на работу приземных линий связи может быть крайне неблагоприятным, так как оно приводит к ухудшению условий электромагнитной совместимости линий связи между собой и с другими радиоэлектронными системами, уменьшает скрытность передачи информации, создает электромагнитные помехи различным службам, нарушает экологию окружающей среды.



Вертикальная неоднородность атмосферы может приводить к искривлению траекторий распространения (рефракции), к смещению центра пучка, и

соответствующему изменению уровня сигнала, к многолучевому и волноводному распространениям или даже к отсутствию связи между пунктами. Для определения рефракции в сферически-слоистой атмосфере был разработан алгоритм, позволяющий при любых вертикальных профилях коэффициента преломления находить траектории радиоволн по координатам источника и приемника. С помощью этого алгоритма по метеопараметрам, измеренным Институтом экспериментальной метеорологии (ИЭМ) на высотах от 0 до 300 м в течение года, исследована статистика траекторных параметров на различных трассах приземного слоя атмосферы (ПСА).

Из-за влияния подстилающей поверхности ПСА чрезвычайно изменчив в пространстве и времени и является самым сложным для изучения слоем атмосферы. До сих пор для поля показателя преломления в ПСА не существует достаточно надежной и универсальной математической модели, позволяющей в любых ситуациях рассчитывать параметры, распространяющихся в нем ММВ. Вариации амплитуды и угла прихода миллиметровых волн ( =3,3 мм), обусловленные турбулентностью и стратификацией приземного слоя атмосферы, экспериментально исследовались на трассе длиной 14 км совместно с МГТУ им. Баумана. В течение двух лет изучались статистические характеристики вертикальной и горизонтальной составляющих угла прихода и их временные спектры в диапазоне 10-5 –10 Гц.

При функционировании атмосферных радиоканалов систем передачи информации при небольших (~ 10 - 15 м) высотах корреспондирующих пунктов (малые углы скольжения) на вход приемной антенны из-за многолучевости могут поступать как прямые, так и отраженные подстилающей поверхностью сигналы, что вызывает различные интерференционные эффекты и приводит к существенным ограничениям ширины полосы.



 

Молекулярное поглощение.

При вычислении молекулярных спектров поглощения газовых компонент атмосферы в силу сложности теории приходится использовать многочисленные аппроксимации, влияющие на точность конечного результата или приводящие к асимптотическим зависимостям для отдельных областей спектра, отдельных линий и даже частей линий (крыла, периферии, центра). Существенным моментом в теоретическом анализе частотных зависимостей спектров поглощения полярных газов является вопрос о расхождении экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов (например, в случае кислорода при больших давлениях, водяного пара), основанных на трактовках соударений, известных как приближения Лорентца, Ван Флека-Вейскопфа, Гросса и некоторых других. В этих трактовках столкновительного уширения решение задачи об определении поглощения сводится к рассмотрению двухуровневой системы, обуславливающей отдельные спектральные линии. В результате спектр поглощения представляет собой совокупность вкладов от изолированных переходов. Для объяснения указанных расхождений теории с экспериментом вводят предположения о характере межмолекулярных взаимодействий (столкновений), требующие рассмотрения многоуровневых систем, и подчеркивается важность учета возникающих в таких системах эффектов интерференции линий. Выдвигаются также гипотезы о дополнительных механизмах молекулярного поглощения. При этом иногда возникает ряд противоречий в качественной трактовке расхождений теории с экспериментом.

 

 

Рис.1. Отнесенный к давлению тангенс потерь молекулярного кислорода как функция давления P на частоте n=0,3023 см-1, рассчитанный для моделей J-диффузии (сплошная линия) и Ван Флека-Вайскопфа (штриховая линия); квадратики - экспериментальные данные.

 

Особенности распространения миллиметровых волн в дожде

 

Как известно, максимум ослабления радиоволн в дождях наблюдается в ММ диапазоне волн. Ослабление обусловлено двумя механизмами: поглощением энергии волны в объеме капли дождя и дифракционным рассеянием излучения каплей во внешнее пространство. Вклад в ослабление вносит лишь рассеяние в направлении вперед, которое для очень разреженной среды случайно расположенных капель, каким является дождь, всегда когерентно. Представление о его роли в ослаблении радиоволн в дождях различной интенсивности можно получить с помощью спектральной зависимости альбедо однократного рассеяния , численно равного отношению коэффициента рассеяния к коэффициенту ослабления , / , (рис. 4).

 

 

Рис.4. Спектральная зависимость альбедо однократного рассеяния элемента объема дождя при интенсивностях дождя R, равных 1 – 100 мм/ч, 2 – 12,5 мм/ч, 3 – 1,5 мм/ч.

 

Из рисунка следует, что вклад рассеяния в ослабление радиоволн ММ и СМ диапазонов существенно различается. Так ослабление ММВ на 50% определяется рассеянием излучения, причем, как показывают расчеты, для этой части диапазона волн практически не зависит от длины волны, интенсивности дождя, распределения капель по размерам и термодинамической температуры воды в каплях. В диапазоне СМ волн является убывающей степенной функцией длины волны излучения, зависит, также, от интенсивности дождя, распределения капель по размерам и термодинамической температуры капель .

В обзорах подробно рассмотрены особенности распространения. Причинами появления поляризованного излучения ММВ в дожде являются: несферичность падающих капель дождя и наличие направления предпочтительной ориентации осей симметрии таких капель. Это находит выражение в спектральных зависимостях комплексных волновых чисел волн разных поляризаций.

Важнейшим свойством рассеяния ММВ в направлениях, отличных от направления вперед, является то, что для случайно распределенных в пространстве капель дождя его можно считать независимым. Это следует из того, что капли достаточно далеко удалены друг от друга (находятся в дальней волновой зоне по отношению друг к другу) и, таким образом, каждая капля взаимодействует с электромагнитной волной так, как если бы других капель не существовало. Это обстоятельство позволяет полагать, что рассеянное совокупностью различных капель излучение является некогерентным.

 

 

Рис.5. Нормированные индикатрисы рассеяния элемента объема дождя:

1 - = 1,4 мм; R = 12,5 мм/ч,

2 - = 1,4 мм; R=1,56 мм/ч,

3 - = 2,2 мм; R=12,5 мм/ч,

4 - = 2,2 мм; R=1,56 мм/ч,

5 - = 3,3 мм; R=12,5 мм/ч,

6 - =3,3 мм; R=1,56 мм/ч,

7 - = 8,6 мм; R= 12,5 мм/ч,

8 - =8,6 мм ; R=1,56 мм/ч.

 

Угловое распределение рассеянного элементом объема дождя неполяризованного излучения характеризуют нормированной индикатрисой рассеяния. Нарис.5 представлены индикатрисы рассеяния радиоволн длиной l = 1,4; 2,2; 3,3 и 8,6 мм в дождях с интенсивностями R = 1,56 и 12,5 мм/ч. Расчеты выполнены по теории Ми для распределения капель по размерам в соответствии с законом Лоуса-Парсонса . Несмотря на то, что форма индикатрисы рассеяния излучения отдельной частицеймноголепестковая (число лепестков ~ где - модуль комлексного показателя преломления вещества частицы, а , здесь - длина волны излучения в свободном пространстве, - радиус частицы), форма индикатрисы рассеяния полидисперсной среды (каковой является дождь) весьма сглажена, но эффект Ми хорошо выражен в диапазоне ММВ в отличие от диапазона СМ волн, где индикатриса рассеяния близка к релеевской.

Эффект Ми состоит в том, что:

-главный лепесток значительно вытянут в направлении распространения волны;

-степень вытянутости индикатрисы зависит от длины волны излучения (растет с уменьшением длины волны), интенсивности дождя (более вытянут у дождей с большей интенсивностью) и формы функции распределения капель по размерам.

Из рис.5 видно, что индикатриса рассеяния элемента объема дождя на длине волны = 8,6 мм близка по форме к релеевской, а с уменьшением длины волны передний лепесток вытягивается, причем анизотропия рассеяния тем больше, чем больше интенсивность дождя. Последнее обстоятельство связано с тем, что с ростом интенсивности дождя растут число и размеры крупных капель. Знание индикатрис полезно на практике, для оценки уровня возможных помех между радиосистемами при рассеянии радиоволн в дождях, и в теоретических исследованиях переноса радиотеплового СВЧ излучения в осадках.

Индикатрисы рассеяния ММВ в дожде можно, с хорошей для практических применений точностью, аппроксимировать однопараметрическим соотношением, представляющим собой произведение индикатрис Релея и Хеньи-Гринстейна. Большей точности аппроксимации удалось достичь с помощью двухпараметрического выражения.

Упомянутое выше предположение о независимом рассеянии СВЧ излучения отдельными каплями в дождях позволяет существенно упростить оценку эффектов некогерентного многократного рассеяния, используя для этого хорошо развитую феноменологическую теорию переноса излучения. Так на базе численного решения векторной задачи переноса СВЧ излучения в дожде проанализировано влияние многократного рассеяния излучения на уровень взаимных помех между спутниковыми и приземными линиями связи. В диапазоне ММВ важно учитывать вклады рассеяний высоких кратностей даже в дождях небольшой интенсивности и облаках.


Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2018 год. Все права принадлежат их авторам!