63927 (Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн), страница 8

Оказалось, что расчеты коэффициента поглощения паров воды и кислорода путем суммирования спектральных линий с контурами типа линий Ван Флека, Вейсскопфа, Лорентца, Гросса и других авторов обладают ограниченной областью применимости. В случае кислорода не удастся описать эффект нереэонансного поглощения в кислороде, а формальное введение в формулы поглощения дополнительного члена для нерезонансной его части не имеет физическою обоснования в рамках модели упругих соударений. Более того, теория Ван Флека—Вейсскопфа приводит к результатам, противоречащим экспериментам в области наиболее высоких частот, где коэффициент поглощения не стремится к нулю и расходится с экспериментом при больших давлениях.

Это послужило основанием С.В. Титову и Ю.В. Калмыкову предложить и исследовать ансамбль невзаимодействующих полярных молекул кислорода в рамках модели j-диффузии, обобщенной на квантовый случай. В этой модели учитывается инерционность молекул, механизм интерференции линий и когерентность времени их соударений. На основе такой модели и существенно более простою 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 существенна даже при атмосферном давлении. Установлено, что модель 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 полуэмпирическис методы определения ослабления в парах воды и в кислороде, предложенные впервые А.Ю. Зражевским и позднее Г. Либе и хорошо согласующиеся с экспериментом. Согласно результатам работ величины поглощения в парах воды и в кислороде могут быть представлены в виде аналитических соотношений:

w<57 ГГц

w<63 ГГц

где и коэффициенты поглощения в парах воды и в кислороде, [дБ/км] соответственно;

w - частота излучения, [ГГц]; р - влажность воздуха

при температуре воздуха 20°С [г/м3].

Заметим, что в экспериментальных исследованиях молекулярного поглощения вплоть до последнее времени отсутствовала статистика различных уровней этого поглощения. Накопление этой статистики представляет собой весьма трудоемкую задачу из-за крайне сильной изменчивости значений влажности и ее зависимости от климатических условий.

В настоящее время удельное ослабление в дождях теоретически изучено достаточно полно путем строгого решения задачи о дифракции электромагнитной волны на водяной сфере в случае 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.

Ослабление в сухом снеге не поддается строгой теоретической оценке; однако известно, что оно примерно вдвое меньше, чем в дождях с интенсивностью менее 5 мм/ч. В мокром снеге ослабление оказывается в 2-3 раза больше, чем в дожде той же интенсивности, причем оно не поддается достаточно падежной теоретической оценке. Расчет ослабления в туманах и облаках проводится в приближении однократного рассеяния для различных функций распределения капель по размерам, при этом выполненные расчеты ослабления были проверены на экспериментах в камерах искусственных туманов.

Так как ослабление в этих случаях зависит от частоты и температуры окружающей среды, то для Оперативных оценок ослабления в мелкокапельных гидрометеорах рекомендуется пользоваться приближенной формулой:

где ослабление [дБ/км]; w - частота излучения; T - абсолютная температура [К]; q – водность тумана или облака [г/м3 ].

Заметим, что существующие методы оценки основных компонентов ослабления в атмосфере являются лишь первым приближением к действительности, поскольку атмосфера является постоянно меняющейся средой, и распространение ММ-радио-волн происходит, вообще говоря, в неоднородной атмосфере, поскольку ее параметры изменяются вдоль траектории распространения с высотой над земной поверхностью и во времени. Таким образом, в настоящее время возможно определение средних удельных значений ослабления, зависящих от различных параметров атмосферы, а также вероятности появления этих значений.

Дальность обнаружения объектов в реальной атмосфере.

Используя уравнение радиолокации в поглощающей среде, можно оценить дальность действия РЛС в дожде с учетом молекулярного поглощения

П = П0 - 2q - 2L - 2l/ - 2Sэ + s

где потенциал

П0 = Рпер/Рпр.пер;

q — отношение сигнал шум;

l - относительная длина волны к 1 мм;

L — потери в трактах;

Sэ - относительная эффективная площадь антенны к 1 м ;

s - эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) объекта к 1 м2.

Эффективные коэффициенты отражения и рассеяния радиоволн земной поверхности

Для успешного функционирования радиолокационных средств ММ диапазона необходимы данные о реальных эффективных коэффициентах отражения этих волн объектами и подстилающими поверхностями . В случае достаточно гладких по Рэлею (зеркальных) диэлектрических или металлических поверхностей нетрудно воспользоваться формулами Френеля и рассчитать зависимости модуля и фазы отраженных волн при горизонтальной и вертикальной поляризациях излучения как на дециметровых, так и на сантиметровых волнах. Однако в случаях неровной и шероховатой поверхности расчет эффективных коэффициентов отражения (рассеяния) сопряжен с немалыми математическими трудностями. По современным представлениям рассеивающие неровности могут быть разделены на три категории. Согласно критерию Рэлся для этих поверхностей существует три метода описания эффекта рассеяния радиоволн. Это метод возмущений, для которого характерны относительно небольшие неровности поверхности по сравнению с длиной волны, когда параметр p=2kssinq, где k=2л/l, l - лина волны, s - днеквадратическос отклонение высоты неровности, q - угол места антенны. Метод касательной плоскости, когда р»1 имеют место крупные размеры неровностей, причем задача об отражении решается в приближении геометрической оптики с использованием статистики точек зеркального отражения на случайно-шероховатой поверхности. В случае комбинации крупных и мелких неровностей, когда р=1 можно пользоваться двухмасштабной моделью отражения. В основе этой модели лежит предположение о том, что реальная поверхность является суперпозицией сглаженной поверхности и малых нормальных ее возмущений. Влияние крупных неровностей оценивается нулевым приближением метода касательной плоскости, влияние же мелких - первым приближением метода возмущений. Предполагается также, что оба типа неровностей статистически независимы, а рассеянные поля при этом некогерентны.

Ввиду особых трудностей исследования моделей шероховатых поверхностей в короткой части диапазона ММ-радиоволн можно ограничиться изложением результатов многолетних экспериментов приема рассеянных сигналов как от объектов наблюдения, так и от реальных подстилающих поверхностей. Такие данные к настоящему времени появились в литературе и были получены рядом НИИ (НИРФИ, ИПФ АН, ИРЭ РАН и ИРЭ АНУ).

Экспериментальные зависимости удельных ЭПР земной поверхности, покрытой травой, от угла места и длины полны излучения для случая ВП возрастают на ММ-волнах на 6.. 15 дБ в зависимости от угла с укорочением длины волны ЭПР.

Вероятность того, что значение ЭПP равно или меньше заданного, существенно зависит от высоты неровностей земной поверхности. Характер изменчивости удельной ЭПР различных видов земной поверхности может быть аппроксимирован формулой:

s0=-20 + 10lg q/25 – 15lg l

В настоящее время на ММ-волнах изучено воздействие ветра на ЭПР покровов с растительностью, а также получены данные о зависимости удельной ЭПР от времени суток и сезона.

6.2 Эффективные поверхности рассеяния объектов

Практический интерес представляют результаты измерений в короткой части ММ диапазона радиоволн неподвижных и находящихся в движении объектов. В качестве исследуемых объектов использовались бронетанковая, автотракторная техника и автомашины.

Анализ результатов измерений с использованием РЛС ММ диапазона для ряда длин волн позволяет сделать следующие заключения.

Для подвижных объектов, использующих гусеничную или колесную технику, ЭПР на длинах волн <3 см практически не зависит от длины волны. Более того, с вероятностью 0,9 в короткой части диапазона ММ волн эти ЭПР оказываются порядка величин, характерных для более длинных волн. Так, среднее значение ЭПР танка на l=8 мм s~9м , в короткой части ММ-волн s~10 м2.

В короткой части ММ-волн по сравнению с длиной волн 3 см и 8 мм появляется превосходная возможность обнаружения неподвижных объектов с работающим двигателем. Оценка работоспособности системы селекции движущихся целей с помощью РЛС на волнах 3 мм, 8 мм и 3 см показывает, что в первом случае амплитудные пульсации сигнала от объекта почти на 30 дБ больше, чем на волне 3 см. Для обнаружения объектов на остановке с работающим двигателем и для сопровождения медленно двигающихся объектов со скоростью 5 км/ч и менее необходимо применение когерентной обработки сигналов, что требует кратковременной стабильности генератора передатчика не хуже 10-9.

Возможность обнаружения неподвижных объектов на коротких ММ-волнах зависит, как это и следовало ожидать, только от разрешающей способности РЛС, удельных ЭПР объектов и фонов. Теоретические исследования радиолокационных контрастов проводились для объекта типа танка, для чего определялась величина контраста излучения К по отношению: где s0 и sЗП - ЭПР объекта и земной поверхности соответственно [м]; j - ширина диаграммы направленности антенны РЛС [град]; tи - длительность импульса передатчика РЛС [мкс]; D0 - дальность от РЛС до объекта.

Радиоконтраст существенно зависит от фона окружающей местности. Таким образом, при обнаружении неподвижных объектов на фоне подстилающей поверхности РЛС в коротковолновой части ММ диапазона волн могут иметь преимущество по сравнению с РЛС на сантиметровых волнах.

Результаты экспериментов показали, что на коротких ММ-волнах точность пеленгации объектов и определения координат увеличивается примерно в 1,5 раза. Оценка ошибок измерений пеленга позволила установить, что на трассе длиной 10 км составляющая из-за колебаний углов прихода не превышает 0,1 делений угломера (Д.у.), из за многолучевого распространения над поверхностью раздела — не более 1 д.у., из-за неровностей поверхности объекта типа танка - не более 0,3 Д.у., из-за аддитивных помех - не более 1 д.у. (одно деление угломера равно 3,6 угловых минуты) ,

Результаты экспериментов по пеленгации объекта типа танка на коротких ММ-волнах и на волне 3 см показывают, что на дальностях 500...3000 м вероятность пеленгации на ММ - волнах в 1,5...1,8 раза больше, чем на волне 3 см.

Таким образом, приведенные выше результаты теоретических и экспериментальных исследований показывают перспективность применения короткой части ММ диапазона волн для создания базовых средств обнаружения наземных объектов, разведки и высокоточной аппаратуры наведения летательных аппаратов. Яркостные температуры фонов и объектов. Впервые интерес к собственному излучению земных покровов возник еще в начале 70-х годах, когда была практически доказана возможность дистанционного измерения температуры земной поверхности как с борта летательных аппаратов, так и с ИСЗ сначала в ИК, а затем и в радиодиапазоне волн.

Последующие исследования основных характеристик различных покровов и атмосферы на сантиметровых и ММ-волнах проводились в СССР, США и ряде европейских стран, результатом которых явилось развитие практических применений по наблюдению в глобальном масшабе за Землей как за планетой (наблюдение облачности, морских волнений, слежение за состоянием посевов, картирование сельскохозяйственных угодий, поиск полезных ископаемых и др.). Параллельно с этим происходило развитие и создание пассивных радиолокационных устройств (ПРЛУ), в которых для индикации объектов или местности используются только характеристики собственного изучения.

Параллельно с ПРЛУ шло развитие систем радиовидения, использующих мощность радиолокационных передатчиков и высокую чувствительность радиометров.

6.3 Военные и гражданские применения

Анализ опубликованных материалов по созданию образцов радиоэлектронной техники (ГЛТ) в ММ диапазоне волн в армиях ряда стран, а также для различных народно-хозяйственных применений (навигация, связь, медицина, экология атмосферы, дистанционное зондирование и др.) показывает, что, начиная с 50 х годов, за рубежом и в России интенсивно проводятся такие работы. В первую очередь создавались активные и пассивные радиолокационные системы обнаружения и автоматического распознавания наземных и воздушных объектов, головок самонаведения управляемого оружия, а также систем контроля сельскохозяйственных угодий, картографирование земных покровов, аппаратуры связи и передачи информации и др.

Указанные информационные материалы позволяют заключить, что основные направления разработки зарубежной техники военного назначения по классификации и параметрам совпадают с разработками аналогичной техники в нашей стране.

Известно, что основной проблемой, не решенной до сих пор в радиолокации, остается проблема эффективного распознавания обнаруживаемых объектов. Доказано также, что радиолокационные системы в коротковолновой части ММ диапазона при решении подобных задач имеют ряд преимуществ по сравнению с РЛС сантиметрового и дециметрового диапазонов, однако эта проблема еще далека от своего решения.

Основными направлениями разработок РЛС для распознавания объектов в коротковолновой части ММ диапазона в настоящее время как у нас, так и за рубежом являются

1. Изыскание новых принципов создания систем радиовидения. Ожидается, что такая аппарату ра с диаметром параболической антенны 1 м, мощностью передатчика 1 Вт и чувствительностью приемника 10-20 Вт/Гц в дождях и туманах может обеспечивать получение изображений с разрешением 0,5 м на дальностях 1 ...2 км.

2. Изучение предельного сверхразрешения по дальности методом перестройки несущей частоты передатчика.

3. Развитие миогочастотиых и многопозиционных методов радиолокационного обнаружения, по зволяющих получить информацию о форме объекта, его размерах, особенно, в случаях, когда длина волны соизмерима с размерами элементов объекта.

4. Совершенствование нелинейных методов обнаружения объектов.

5. Изучение различий в спектрах флуктуации амплитуд, фаз и поляризационных характеристик отраженного сигнала объектов.

1. Системы морской и речной навигации

Известно, что максимальное число аварий судов морского и речною флота происходит в прибрежных зонах различных государств на подходе к портовым сооружениям.

Перед навигационными РЛС и радиометрическими комплексами ставятся следующие задачи:

- проводка судов при подходе к портам, проходе проливоп при отсутствии видимости;

- определение координат целей, идентификации морских объектов, а также контроль характеристик их движения;

- проводка ледоколов и судов через северный морской путь по данным собственного теплового излучения ледовых покровов.

Для повышения безопасности плавания судов намечается применение РЛС на волнах 8 мм и 3,3 мм, хотя на малых расстояниях при навигации судов в портах применение диапазона ММ-волн может быть расширено за счет использования волн 1,64, 2,5 и 5 мм. Теоретические оценки дальности действия активных радиолокационных систем для случая однородной атмосферы следующие: расчеты проводились для РЛС с параболической антенной диаметром 40 см и объекта с ЭПР, равной 5 м2. В числителе указаны дальности действия РЛС в случае чистой атмосферы, в знаменателе – дальности.

2. Микросотовые и пикосотовые линии связи в городах.

В настоящее время в связи с бурным развитием УКВ связи с подвижными и стационарными объектами для городов предложены так называемые микросотовые линии связи, представляющие собой цепочку ретрансляторов вдоль магистральных улиц, антенные системы которых приподняты на высоту 5..10 м, и обладают в отличии от сотовых систем слабой направленностью. Кроме того, рассматриваются возможности применения ММ-волн на пикосотовых линиях связи внутри производственных помещений. Протяженность таких линий составляет 0,4...1 и 0,1...0,4 км соответственно; распространение сигналов происходит исключительно в пределах прямой видимости в атмосфере или внутри производственных зданий.

Предложено использовать диапазон максимума поглощения на 5 мм, что позволяет резко увеличить полосу частот и обеспечить многократную ретрансляцию сигналов и подавление взаимных помех. Теоретические оценки показывают, что для типичных параметров аппаратуры неблагоприятные метеорологические условия могут уменьшать протяженность открытых трасс до 1...2 км по сравнению с условиями в чистой атмосфере. В качестве рабочей длины волны может быть также рекомендована полна 1,64 мм.

Переход к ММ-волнам позволяет увеличить полосу передаваемой информации примерно на порядок и уменьшить интенсивность облучения обслуживающего персонала.

3. Измерительные системы

В России и за рубежом систематически измеряется собственное тепловое излучение тропосферы, стратосферы и мезосферы. Эти измерения ведутся на линиях поглощения паров воды и кислорода с искусственных спутников Земли, летательных аппаратов, наземных установок и радиотелескопов. Основные направления этих работ - определение концентрации водяного пара, полной его массы, водозапаса облаков в атмосфере, а также восстановление профилей температуры, плотности воздуха, влажности, давления н стратосфере и тропосфере.

В США и России на волне 2,11мм вблизи теллурической линии озона проводится наблюдение в Антарктике и полярных районах, а также в ряде широт Мирового Оксана. Эти измерения позволили определить вариации интегрального содержания озона в слое 20...50 км над земной поверхностью. В России накоплен статистический материал о вертикальном ослаблении в дождях на волнах 8 и 3,3 мм, на волне 3 мм изучается прозрачность атмосферы на различных широтах.

4. Применение в медицине и биологии

Последние двадцать лет успешно развивались фундаментальные исследования воздействия ММ излучения низкой (нетепловой) интенсивности на биологические объекты, включая животных и человека, Эти работы, выполнявшиеся в России под руковод ством Н.Д. Девяткова, показали, что потоки непрерывного излучения с плотностью до 10... 15 мВт/см не оказывают вредного влияния на здоровье человека и биологические объекты. Установлено, что ММ излучение низкой интенсивности оказывает лечебное воздействие на живые организмы при различных видах заболеваний.

В результате клинических испытаний была установлена эффективность воздействия ММ излучения малой мощности на человека. В последние годы в ИРЭ РАН было обнаружено новое явление - конвективная неустойчивость жидкостей при поглощении ММ излучения.

Результатом многолетних совместных трудов Н.Д.Девяткова, М.Б.Голанта, О.В.Уецкого явилась разработка методов и аппаратуры для клинического лечения различных заболеваний человека (язва желудка, травмы опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистые заболевания, онкология и др.) Эти методы успешно применяются в ряде клиник Москвы.

Основными направлениями научно-исследовательских работ на ближайшие голы являются: исследования влияния атмосферы на точность определения координат различных объектов; изучение эффектов распространения в коротковолновой части ММ диапазона на относительно длинных неоднородных трассах; теоретические и экспериментальные исследования проблемы распознавания объектов на основе применения когерентных РЛС; изучение поляризационных матриц объектов примени тельно к задаче распознавания образов объекта; разработка пассивно-активных радиолокационных систем для обнаружения замаскированных и укрытых объектов; создание систем связи и радиолокационных систем на линиях поглощения паров воды и кислорода для обеспечения высокой скрытности и помехозащищенности средств; создание высокоточных радиолокационных систем наблюдения в космосе; разработка навигационных речных и морских радиолокационных систем навигации; разработка пикосотовых и микросотовых систем связи с подвижными и неподвижными объектами в городских условиях.

Нет сомнения в том, что в будущем ММ-волны будут находить все более широкое применение в различных областях народного хозяйства и в армии.

Заключение

В данной работе по имеющимся литературным данным мы описали устройства для генерирования и канализации волн субмиллиметрового диапазона, в том числе используемые резонансные системы, элементы трактов передачи. Рассмотрели методы и аппаратуру для измерения частоты и мощности, а так же распространение и применение радиотехнических систем миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн различных областях народного хозяйства и в армии.

Указанные применения ММ-волн в радиотехнических системах и научных исследованиях далеко не исчерпывает проблему применения этих диапазонов волн. В настоящее время они находят свое применение также в радиоастрономии, дефектоскопии, исследованиях полупроводниковых материалов, метеорологии, а также в ряде отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Список использованных источников

1. Р.А. Валитов, С.Ф. Дюбко, В.В. Камышан, В.М. Кузьмичев, Б.И. Макаренко, А.В. Соколов, В.П. Шейко «Техника субмиллиметровых волн» Под редакцией профессора Р.А. Валитова М. «Сов. Радио» 1869г., 480 с.

2. Выстров Р.П., Соколов A.B. «Применение миллиметровых и субмиллиметровых волн», Тр.IV Всес.Школы по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере. 3-10 сект. 1991 г. - Нопгород: АН СССР, 1991, с.229-235.

3. Введенский Б.А., Колосов М.А., Соколов А.В. «Радиотехника и электроника», 1967, т. 12, №11, с. 187

4. Тейлор Р. «Измерение обратных отражений от Земли и СМИ и ММВ» 1966г, 380 с.

5. Басе Ф.Г, Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности / Басе Ф.Г, Фукс И.М., М.: Паука, 1972.

6. Аренберг А.Г. Распространение дециметровых и сантиметровых радиоволн / Аренберг А.Г. — М., 1957.