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)






Рефракция на приземных трассах



 

Распространение ММВ в приближении геометрической оптики может быть описано траекторией луча, а во многих практических случаях набором траекторных параметров - углами выхода и прихода луча, полной рефракции, геометрическим и видимым расстояниями.

Существующие методы расчета таких параметров не пригодны для всех вертикальных структур поля преломления и не позволяют найти траекторию луча по заданным истинным координатам пунктов связи, а также не определяют видимые координаты источника, наблюдаемого под малыми отрицательными углами места. С целью учета рефракции для модели сферически-слоистой атмосферы в ИРЭ РАН был разработан такой алгоритм, который позволил находить траектории, связывающие источник и приемник излучения при любых заданных как их координатах, так и вертикальных профилях коэффициента преломления. Этот алгоритм, состоящий из компактных выражений, приспособлен для численных расчетов на ЭВМ. Он пригоден также и для случаев многолучевого распространения, когда конечные пункты могут быть связаны несколькими траекториями.

Алгоритм основан на описании траектории в слоистой среде с постоянными grad n в слоях, что приводит к искривлению траектории только внутри слоя, при этом преломления на границах слоев нет. Все возможные траектории находятся при сканировании по углу места. Предложенный алгоритм позволяет также определять истинные координаты источника по видимым. Погрешность метода при расчете угловых величин в атмосфере оценивается в 1 угл. сек.

Этот подход был применен для оценки влияния метеоусловий на траекторные параметры волн миллиметрового и оптического диапазонов, распространяющихся вблизи горизонта в приземном слое атмосферы, где поле коэффициента преломленияn подвержено сильным вариациям.

На основе данных метеонаблюдений ИЭМ на 15-ти уровнях мачты высотой ~ 301 м, полученных в годовом цикле 2-х суточных сеансов с интервалами в 6 часов внутри сеанса и 12 между ними, были рассчитаны текущие вертикальные профили n в миллиметровом и оптическом диапазонах. Для расчета n в ММ диапазоне была применена созданная в ИРЭ РАН инженерная методика расчета вращательной части диэлектрической проницаемости водяного пара, учитывающая спектральные зависимости преломления и не приводящая к потере точности по сравнению с полным квантово-механическим расчетом .

Численное моделирование распространения в приземном слое выполнено для трассы с высотами передатчика и приемника 10 и 70 м соответственно, и дальностью 15 км. Обнаружена существенная связь характера отклонений видимого угла прихода от направления на источник с метеообстановкой. Для такой трассы определены средние и среднеквадратичные величины ошибки определения координат источника, амплитуда и фаза ее суточной компоненты и их зависимости от синоптической обстановки. Получено, например, что максимальное изменение видимого угла в ММ диапазоне может составить около 20 угл. мин. в антициклональной ситуации теплого дня. В оптическом диапазоне это изменение на порядок меньше и фаза его отстает от ММВ на 6 - 7 часов.



По этим же метеоданным за годовой период был проведен расчет статистических характеристик отклонений углов прихода и выхода от истинного направления R1 и R2 у приемника и передатчика соответственно и электрической длины пути между ними - .

Были вычислены коэффициенты корреляции между различными траекторными параметрами в каждом диапазоне волн и между соответствующими траекторными параметрами радио и оптических волн. В январе в большинстве случаев значения R1 и R2 в радиодиапазоне меньше, чем в оптике. В июле существенное влияние влажности приводит наоборот к большему диапазону изменения R1 и R2 на ММ волнах.

Средние за сутки значения в радиодиапазоне всегда больше, чем в оптическом. Средняя ошибка радиодальности для рассмотренной трассы изменяется от 4,6 м зимой до 4,84 м летом при девиации 5 и 17 см соответственно. Годовой ход в оптическом и ММ диапазонах противоположен по фазе.

Из результатов расчета следует, что в целом корреляция между R1, R2 и в каждом диапазоне волн и между диапазонами отсутствует.

Вышеприведенные результаты относятся к случаю фиксированных высот приемника и передатчика. Поскольку по расчетам было замечено, что траектория между ними не существует при определенных метеоусловиях, то анализировалась возможность отсутствия связи при изменении высоты передатчика от 2 до 301 м. По месяцам года были определены те минимальные высоты H2, при расположении источника выше которых, уже не наблюдались случаи отсутствия связи. Эти высоты имеют сезонный ход и меняются от ~ 20 м в январе до ~ 60 м в июле. Отсутствие связи происходит из-за наличия слоев воздуха со сверхрефракционными свойствами между конечными пунктами трассы. Расчеты показывают, что на приземной трассе возможно не только отсутствие связи, но и возникновение многолучевости, обусловленной только особенностями преломления в атмосфере.



Прогноз условий распространения на трассе возможен при контроле высотного хода метеопараметров. Ошибки при их измерении могут заметно влиять на точность такого прогноза.

При расчетах вертикальной рефракции атмосфера предполагалась горизонтально однородной. Обоснованность этого предположения подтверждалась тем, что, во-первых, в экспериментах по наблюдению Солнца в МГТУ на =3,3 мм при компенсации астрономической рефракции в реальном масштабе времени по методике были получены максимально возможные величины горизонтальной рефракции вблизи горизонта, меньшие 10 угл. сек, и естественно, что на приземной трассе эта величина будет существенно меньшей. Во-вторых, при измерении на приземной трассе максимально возможная горизонтальная рефракция всегда была меньше ошибки измерений, то есть меньше 1 угл.сек.

Турбулентность

 

Рассмотрим особенности влияния турбулентности на распространение миллиметровых волн. Наиболее адекватной моделью тропосферной турбулентности является локально-однородная и изотропная среда с Кармановским спектром флуктуаций показателя преломленияn:

 

, (1)

где , и - внешний и внутренний масштабы турбулентности, Cn - структурная характеристика показателя преломления. В окнах прозрачности ММ и СМ диапазонах волн Cn, характеризующая интенсивность флуктуаций показателя преломления, практически не зависит от длины волны.Такое описание турбулентных неоднородностей показателя преломления применимо для трасс с небольшим перепадом высот, когда ширина пучка много меньше высоты трассы и влиянием конвекции можно пренебречь. Метод решения задачи распространения в локально-однородной и изотропной среде зависит от соотношения длины волны , протяженности трассы и внешнего и внутреннего масштабов турбулентности, а именно, от соотношения между длиной трассы L, и . Для типичных значений параметров = 1 мм, = 10 м получаем, что в ММ и СМ диапазоне для всех длин волн этих диапазонов, а может быть как больше, так и меньше длины трассы L, т.е. в отличие от оптического диапазона волн метод геометрической оптики не применим для описания распространения ММВ в турбулентной среде. Для ММ и СМ волн наиболее приемлемым для нахождения статистических характеристик флуктуации амплитуды и фазы является метод плавных возмущений (МПВ), учитывающий многократное рассеяние и дифракционные эффекты . Для большинства задач, связанных с распространением узких пучков излучения, можно положить .

Поскольку одним из преимуществ ММВ диапазона является возможность формирования узконаправленных пучков излучения, учет распределения поля по апертуре передающей антенны весьма важен для получения количественных оценок интенсивности флуктуаций амплитуды и фазы поля.

Основной параметр, характеризующий распространение пучка в турбулентной среде, - это волновой параметр , где - волновой вектор, - эффективный радиус пучка вблизи передающей антенны. Предельные случаи P<< P>>1 соответствуют плоской и сферической волнам. Как в ММ, так и в СМ диапазоне для трасс порядка нескольких километров в пределах прямой видимости значения P достаточно велики. Так например, при L = 10 км, = 2,2 мм и = 0,5 м P =14.

Заметим, что средний квадрат уровня амплитуды (A – амплитуда поля в турбулентной среде, A0 - амплитуда поля в свободном пространстве) при малых относительных флуктуациях амплитуды совпадает со средним квадратом этой величины, т. е. .

Показано, что средний квадрат уровня амплитуды пучка ММВ зависит лишь от длины волны и длины трассы и не зависит от размеров пучка:

 

. (2)

Среднеквадратичные флуктуации амплитуды пучка ММВ в 1,8 раза меньше, чем для плоской волны [56]. Следует отметить, что рассмотренная модель турбулентности применима для расчета флуктуаций амплитуды поля в полосе частот от десятых долей Гц до 20 Гц, вызванных быстрыми изменениями показателя преломления.

Структурная функций флуктуаций фазы пучка ММВ Df монотонно возрастает с увеличением разноса точек приема . Так например при значении волнового параметра P =80 (это соответствует = 2,2 мм, = 0,3 м и L = 20 км, Cn = 0,5´10-6 м-1/3 - лето) для = 1 м = 1,5x10-6, т. е. среднеквадратичная разность фаз между точками, разнесенными на 1 м (одна из них - на оси пучка) составляет 4 угл. мин.

Исследовано также влияние усредняющего действия приемной апертуры на интенсивность флуктуаций амплитуды. Функция усреднения Qm, характеризующая отношение дисперсии флуктуаций амплитуды на выходе приемной антенны радиуса к дисперсии флуктуаций амплитуды в случае точечного приемника, может быть аппроксимирована выражением вида

 

, (3)

где b = 1,6 для длин волн ММ диапазона.

Среднеквадратичные флуктуации направления распространения пучка ММВ в случае точечного приемника определяются не внутренним масштабом турбулентности, как в случае плоской монохроматической волны, а эффективным начальным радиусом пучка :

 

. (4)

 

Установлено, что поглощение в ММ и СБММ диапазоне не оказывает существенного влияния на интенсивность флуктуаций амплитуды, фазы и направления распространения пучка ММВ – его влияние составляет доли процента даже вблизи линий поглощения.

В таблице 1 приведены значения в процентах и дисперсии направления распространения пучка ММВ в угловых секундах для различных длин волн l в зависимости от длины трассы L при = 0,3 м, Cn = 0,5´10-6 м-1/3 (лето).

Таблица 1. Средний квадрат флуктуаций уровня амплитуды и дисперсия направления распространения пучка ММВ.

, %
длина волны, мм L, км
2.20 3.8 7.2 13.6 19.8
3.30 3.0 5.7 10.8 15.6
8.60 1.7 3.3 6.2 8.9
дисперсия направления распространения , угл. сек
8.60 2.2-8.6 15.5 21.9 38.0

 

При сравнении экспериментальных данных с теоретическими расчетами следует иметь в виду, что для корректного сопоставления с приведенными в этом разделе результатами необходимо выделить в спектре амплитудных флуктуаций и флуктуаций угла прихода участок, соответствующий инерционному интервалу турбулентности – ориентировочно от 0,1 Гц до 20 Гц.

Влияние турбулентности на распространение широкополосного сигнала ММ диапазона: расчеты, выполненные для трасс протяженностью 15 и 30 км, частот 34,9 и 136,4 ГГц, соответствующих окнам прозрачности атмосферы, и радиуса пучка 30 см, показали, что при разносе частот порядка 10 ГГц модуль функции когерентности спадает на 2 - 6%. При распространении одиночного гауссовского импульса с полушириной 0,1 нс в окнах прозрачности гауссовская форма огибающей практически сохраняется, а эффективная длительность незначительно увеличивается - например, на частоте 136,4 ГГц и трассе 30 км относительное уширение не превосходит 1 - 2 %.

 


Эта страница нарушает авторские права

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