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)






Аппаратура и методика экспериментов



Трасса распространения, на которой проводились эксперименты, создана в Дмитровском районе Московской области. Длина трассы, угол наклона и средняя высота составляют 13,7 км, 8 угл.мин и 35 м соответственно. Подстилающую поверхность трассы составляют сельскохозяйственные угодья, небольшие рощи, водный канал и часть города Дмитрова – места расположения передатчика. Точка приема – радиотелескоп РТ-7,5, диаметр апертуры которого 7,8 м, а угловое разрешение 2 угл.мин на частоте 90 ГГц . Столь высокое разрешение полностью устраняет возможность приема волн, отраженных от подстилающей поверхности трассы. Передатчик представляет собой стабилизированный по частоте и по мощности генератор на лампе обратной волны, питающий параболическую антенну с угловым разрешением 30 угл.мин.

 

5.1.1. Для измерений флуктуаций ММВ разработана специальная приемная система, основанная на принципе конического сканирования луча антенны РТ-7,5. Эта аппаратура обеспечивает одновременное измерение и регистрацию флуктуаций интенсивности, флуктуаций вертикальной и горизонтальной составляющих угла прихода, а также медленные (до 3-х часов) изменения вертикальной компоненты угла прихода, обусловленные рефракцией. Упрощенная блок-схема приемной системы представлена на рис. 6.

 

 

Рис.6. Блок-схема аппаратурного комплекса для исследования стохастических вариаций амплитуды и угла прихода ММ волн.

 

Коническое сканирование луча радиотелескопа обеспечивается с помощью дискового контррефлектора (К), расположенного у первичного фокуса РТ-7,5. Волна, сфокусированная антенной РТ-7,5 (А) и отраженная контррефлектором, поступает на вход супергетеродинного приемника (П) , находящегося во вторичном фокусе. Контррефлектор вращается с частотой 137 Гц вокруг своей оси с помощью электродвигателя (ЭД), а плоскость диска К слегка наклонена относительно оси вращения так, что луч антенны вращается по конической поверхности с образующим углом 110 угл.сек. Таким образом, если существует небольшая разность (менее 40 угл.сек) между видимым направлением на передатчик и осью антенны, то выходной сигнал приемника будет модулирован по амплитуде с частотой вращения контррефлектора. Глубина модуляции пропорциональна отклонению оси антенны от угла прихода волны, а фаза модуляции определяется направлением этого отклонения.

В низкочастотной части системы информация, содержащаяся в выходном сигнале приемника, обрабатывается и распределяется по пяти каналам. В двух каналах, снабженных синхронными детекторами (СДВ, СДГ), генератором опорной частоты (ГОЧ) и цифровым фазовращателем (ЦФВ) выходные напряжения определяются соответственно вертикальной и горизонтальной компонентами угла прихода, умноженными на интенсивность принимаемого излучения. Зависимости выходных напряжений от угла прихода в этих каналах описываются пеленгационными характеристиками, имеющими линейных участок шириной около 70 угл.сек. В двух других каналах с помощью полосового фильтра (ПФ), амплитудного детектора (АД) и селективных усилителей (СУБ, СУМ) формируются напряжения пропорциональные соответственно быстрым флуктуациям (10-1-10 Гц) и медленным изменениям (10-3 -10-1 Гц) интенсивности.



Из-за изменений стратификации атмосферы в ходе длительных измерений флуктуаций среднее значение вертикальной составляющей угла прихода может измениться на величину до нескольких угловых минут и выйти за пределы линейного участка пеленгационной характеристики. Для того, чтобы преодолеть это ограничение, ось вращения контррефлектора К автоматически поворачивается в вертикальной плоскости с помощью специального электро-механического привода (ЭМП), напряжением питания которого является интегрированный по времени выходной сигнал канала вертикальной составляющей угла прихода, подаваемый в виде отрицательной обратной связи через усилитель УМ. Угловое положение оси вращения, зависящее от среднего значения угла прихода волны, измеряется датчиком ДУ и регистрируется.

В ходе экспериментов вся выходная информация приемной системы регистрировалась на многоканальном магнитографе (М) с частотной модуляцией. Затем она оцифровывалась и вводилась в память компьютера (К) для последующей статистической обработки.



Параметры приемной системы были тщательно рассчитаны и измерены. Расчетная угловая чувствительность составила 0,01 угл.сек, измеренная – 0,06 угл.сек. Отношение "сигнал-шум" 60 дБ. Взаимное влияние вертикального и горизонтального угловых каналов –18 дБ. Частотный диапазон измеряемых флуктуаций 10-3 –10 Гц.

 

5.1.2. Долговременные (до 24-х часов) вариации угла прихода, обусловленные регулярной рефракцией, исследовались с помощью радиометрического приемника, установленного в первичном фокусе РТ-7,5, а диаграммная модуляция была заменена на амплитудную. Методика измерений состояла в сканировании антенны РТ-7,5 в вертикальной или горизонтальной плоскостях относительно направления на передатчик. Сканирование выполнялось в виде пятиминутных серий по 10 сканов каждая. Затем результаты каждой серии усреднялись. Случайная ошибка измерений составила 1 угл.сек. Во время получасовых интервалов между сериями приемная антенна наводилась на передатчик для того, чтобы измерять текущие значения флуктуаций интенсивности принимаемого излучения и найти связь между флуктуациями и рефракцией.

Некоторые измерения угловой рефракции ММВ сопровождались синхронными измерениями рефракции в оптическом (видимом) диапазоне. Оптические измерения выполнялись совместно с Горьковским инженерно-строительным институтом с помощью геодезического теодолита с точностью 1 угл.сек. Источником оптического излучения служил осветительный прожектор, установленный на передающем пункте.

 

Результаты

 

5.2.1. В различных погодных и сезонных условиях проведено 9 сеансов непрерывных измерений флуктуаций с общим временем 12 часов. Получены среднеквадратичные величины флуктуаций интенсивности si, флуктуаций вертикальной sв и горизонтальной sг составляющих угла прихода. Значения si, sв и sгвычислялись по 40-секундным интервалам записи сигналов. С использованием теории распространения электромагнитных волн, разработанной Татарским В.И., и выражений для si, sв и sг для гауссового пучка электромагнитных волн по результатам каждого сеанса вычислялись значения структурной характеристики турбулентности Cn. Полученные данные представлены в таблице 2, где Cni и Cna - значения Cn , вычисленные отдельно по si и sв, sг, причем среднеквадратичная величина флуктуаций угла прихода вычислялась как геометрическая сумма sв и sг; t и p соответственно температура и давление воздуха, е- парциальное давление водяного пара, - скорость ветра. Разность величин Cni и Cna достигает 250%, что в данном случае определяет точность теоретических выражений для si, sв и sг.

В большинстве экспериментов отмечалась существенная анизотропия турбулентности, которая проявлялась в отличии sв от sг. Иногда отношение sв и sгдостигало 2,5.

Исследования спектрального состава флуктуаций показали, что в области частот, соответствующих инерционному интервалу турбулентности (порядка 0,1 Гц и выше) усредненный наклон спектров составляет –2,2, в то время как его теоретическое значение равно –2,67 (-8/3) . В низкочастотной области (менее 0,1 Гц), которая не описывается теоретически, отмечается существенное отличие спектров для вертикальной и горизонтальной составляющих угла прихода, которое свидетельствует о возрастании степени анизотропии турбулентности с уменьшением пространственной частоты турбулентных неоднородностей. Это означает, что более крупные неоднородности имеют плоско-слоистую форму.

 

Таблица 2.

 

Дата, время si , % sв,, угл. сек. sг , угл. сек. Сni *107, м-1/3 Сna *107, м-1/3 Метеоусловия
t, oC p, мб е, мб v, м/с
4 мая 16.03-16.50 0,61- -0,71 0,81- -1,6 0,96- -1,6 0,20- -0,39 0,64- -1,1 +8,8 9,8
4 мая 16.55-18.07 0,34- -0,64 0,45- -0,85 0,56- -1,0 0,18- -0,34 0,38- -0,70 +8,9 10,5
18 мая 00.23-02.42 0,91- -1,6 0,70- -2,1 1,32- -4,0 0,48- -0,86 0,82- -2,4 +10,5 10,2
18 мая 13.24-15.50 3,6- -6,1 1,0- -2,8 1,4- -4,2 1,8- -3,2 1,1- -2,8 +17,6 8,1
27 дек. 12.20-13.40 0,27- -0,88 0,40- -0,90 0,30- -0,81 0,14- -0,46 0,26- -0,64 -6,1 3,5
27 дек. 13.50-16.10 0,56- -1,3 0,18- -0,30 0,15- -0,20 0,31- -0,69 0,16- -0,24 -5,5 3,9
16 янв. 19.07-20.03 0,20- -0,61 0,70- -1,6 0,35- -0,70 0,11- -0,32 0,38- -0,91 -8,6 2,8
17 янв. 12.00-12.28 0,20- -0,30 0,25- -0,41 0,20- -0,35 0,10- -0,16 0,17- -0,26 -7,3 3,0
17 янв. 15.09-17.15 1,0- -1,8 0,41- -0,72 0,40- -0,68 0,53- -0,92 0,31- -0,53 -6,9 3,1

 

Относительное расхождение полученных экспериментальных данных и результатов теоретических расчетов объясняется влиянием подстилающей поверхности на структуру турбулентности ПСА, особенно на ее крупномасштабную часть. Можно заключить, что модель однородной изотропной турбулентности,недостаточно точна для теоретических расчетов параметров ММВ в ПСА.

Обнаружено, что распределение флуктуаций интенсивности ММВ подчиняется логарифмически-нормальному закону, а распределение флуктуаций углов прихода – нормальному.

Флуктуации интенсивности и углов прихода между собой не коррелируют (коэффициенты корреляции на интервалах времени 40 сек всегда были меньше 0,2).

 

5.2.2. Эксперименты по угловой рефракции выполнялись в течение двух-годового цикла в форме тринадцати 30-часовых сеансов непрерывных измерений с общим временем 370 часов.

Измеренные максимальные величины угла рефракции (угловой разности между видимым и истинным направлением на передатчик) и скорости его изменения для вертикальной компоненты угла прихода по результатам всех экспериментов составили соответственно 5 угл. мин и 3 угл. мин/час осенью при антициклональной погоде.

При одновременных измерениях рефракции по вертикали и горизонтали изменение угла горизонтальной рефракции всегда было меньше ошибки измерений (1 угл. сек). Таким образом, горизонтальная рефракция, по крайней мере, на два порядка меньше вертикальной, что согласуется с известными данными о структуре ПСА [70]. Поэтому все приведенные ниже результаты относятся только к рефракции по вертикали.

По двух-годовому циклу измерений получен закон распределения углов рефракции, который оказался несимметричным и достаточно точно был аппроксимирован гамма-распределением. Среднее значение угла рефракции и его среднеквадратичный разброс составили соответственно 70 и 50 угл.сек.

В среднем рефракция ночью в 2-3 раза больше, чем днем; летом в 2 раза больше, чем зимой. В ряде экспериментов максимальные величины рефракции отмечались в моменты восхода и захода Солнца, что связано с подъемом инверсионных слоев температуры и влажности ПСА в утренние и вечерние часы.

Спектры изменений угла рефракции в диапазоне частот 10-5-10-3 Гц очень изменчивы в зависимости от погодных и сезонных условий. Однако, эти спектры, как правило, имеют два максимума, один из которых соответствует превышению дневной рефракции относительно ночной (период колебаний 24 часа), другой отражает эффект роста рефракции при восходе - заходе Солнца (период около 12 часов). В усредненном по всем измерениям спектре 24-часовой максимум в три раза больше 12-часового.

По результатам проведенных двух серий экспериментов построены обобщенные спектры вариаций вертикальной и горизонтальной составляющих угла прихода ММ излучения в диапазоне частот 10-5 -10 Гц (периоды колебаний от 0,1 сек до 30 часов). Эти спектры показаны на рис.7, где В- спектр вертикальной компоненты, Г – горизонтальной. Вертикальными отрезками на спектре В показаны диапазоны сезонных и погодных вариаций спектральной плотности.

 

 

Рис.7. Обобщенные спектры вариаций вертикальной (В) и горизонтальной (Г) составляющих угла прихода ММ волн. Вертикальными отрезками на кривых В и Г показан диапазон сезонных и погодных изменений спектральной плотности.

 

Какая-либо устойчивая связь между основными параметрами атмосферы, измеренными вблизи земной поверхности, рассчитанным по ним показателем преломления воздуха, уровнем флуктуаций интенсивности принимаемого излучения и углом рефракции не обнаружена. Коэффициенты корреляции между перечисленными величинами в среднем не превышали 0,2.

В результате одновременных измерений рефракции ММВ и оптического излучения обнаружено, что в летний период нет устойчивой связи между углами рефракции в этих диапазонах (коэффициент корреляции 0,4), тогда как зимой корреляция достигала значения 0,97. Это обусловлено тем, что с понижением температуры понижается абсолютная влажность воздуха и, следовательно, уменьшается вызванное ей различие в показателях преломления и траекториях лучей для ММ и оптических волн.

 


Эта страница нарушает авторские права

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