Диссертация (1149467), страница 18
Текст из файла (страница 18)
3.8б). Т.е. в рамках рассматриваемой модели также можнообъяснить наблюдаемое различие форм ортогональных составляющих110горизонтальной составляющей магнитного поля, отмеченное в главе 2.Следует заметить, что, меняя количество и пространственную ориентациюотдельных сегментов, можно получить формы компонент, качественноописывающие наблюдаемые особенности. Таким образом, численныеоценки,выполненныедляотдельныхконкретныхобразцовпространственных структур каналов, иллюстрируют значительное влияниегеометрии разряда на форму и амплитуду возбуждаемых импульсов ЭМИ.Использование точечного диполя в качестве модели молниевого разрядаприменяется в ряде алгоритмов однопунктовых пеленгаторов-дальномеров.Определим границы применимости дипольного приближения с помощьюразработаннойпротяженноймоделипроизвольнойпространственнойориентации.
Из уравнений (1.1) для точечного диполя следует, что еслиэлектрическую и магнитную компоненты подать на преобразующиефильтры-антитрассы с коэффициентами передачиK Ea ( p ) =1p 2 + m0 pα + m0α 2,(3.7)c1,α= ,K Ha ( p ) = 2Rp + pαто отклики этих фильтров совпадут с точностью до постоянных множителейи будут представлять собой восстановленные дипольные моменты PE и PH .Но если источником служит не диполь, а протяженный молниевый каналпроизвольной пространственной конфигурации, то между восстановленнымидипольными моментами для дипольной формулы возникнет невязка.Определив невязку Φ между восстановленными дипольными моментами PEи PH * ( PH * = PH ⋅ Z 0 , Z 0 = 120π Ом) как:*∑ (PE (t ) − PH (t ))2*∑ (PH (t ))2Φ=можнодатьколичественнуюоценку,(3.8)применимостидипольногоприближения.По данным экспериментальных наблюдений разряды ОЗ типа имеютпреимущественно вертикальное направление с небольшими отклонениями.На Рис.
3.9 представлены расчетные формы электрической и магнитной111компонент (левая колонка) и восстановленные дипольные моменты (средняяколонка) на фиксированном расстоянии (10 км), а также невязка взависимости от расстояния (правая колонка) для вертикального молниевогоканала (Рис. 3.9а), наклонного молниевого канала с отклонением отвертикали 15° (Рис. 3.9б) и 45° (Рис. 3.9в).
Основание излучателярасположено на земле.10 E z , H ϕ * , В/ма)5000200400t, мкс0б)0200t, мкс-10-20200400t, мкс002004001000 P Ez , P H ϕ ∗ , Кл·м*E z , H ϕ , В/м0200500-5000в)400-201001000 P Ez , P H ϕ ∗ , Кл·мE z , H ϕ ∗ , В/м10t, мкс0-500-20-10Φ1t, мкс0-10P Ez , P H ϕ ∗ , Кл·м1000400500t, мкс0-50002004000.5R, км002040Φ10.5R, км002040Φ10.5R, км002040Рис. 3.9. Формы поля, восстановленных дипольных моментов и невязка дляа) вертикального; б) наклонного, θ = 15°; в) наклонного, θ = 45° молниевогоканала. Основание излучателя расположено на земле (разряды ОЗ типа).Как видно из графиков зависимостей невязки от расстояния, чем большемолниевый канал отклоняется от вертикали, тем с больших расстоянийприменимо дипольное приближение. Так, невязка не превышает 10% длявертикального молниевого канала с расстояний порядка 10 км, длянаклонного молниевого канала с отклонением от вертикали на 15° – срасстояний порядка 15 км, для наклонного молниевого канала с отклонениемот вертикали на 45° – с расстояний порядка 30 км.
Поскольку по данным112экспериментальныхнаблюденийразрядыоблако-земляимеютпреимущественно вертикальное направление с небольшими отклонениями(среднее значение 15°), то можно сказать, что дипольное приближение дляразрядов облако-земля применимо для расстояний, начиная с 15…20 км.Внутриоблачные разряды располагаются на высоте (средние значенияпорядка 3 км) над земной поверхностью и могут иметь существенноеотклонение от вертикали.
На Рис. 3.10 представлены расчетные формыэлектрической и магнитной компонент (левая колонка) и восстановленныедипольные моменты (средняя колонка) на фиксированном расстоянии (10км), а также невязка в зависимости от расстояния (правая колонка) длявертикального молниевого канала (Рис. 3.10а), наклонного молниевогоканала с отклонением от вертикали 15° (Рис.
3.10б) и 45° (Рис. 3.10в).Основание излучателя поднято на высоту 3 км.1 Ez, Hϕ*, В/мt, мкс0-1а)020040002004002004000-0.5 0-1-1.5200t, мкс100400200-20 020400.55080604001 ΦPEz, PHϕ, Кл·мt, мксR, км0-50 0-2R, км000.5 Ez, Hϕ*, В/мв)t, мкс150t, мкс0б)0.550-50 01 Ez, Hϕ*, В/м-11000-21 ΦPEz, PHϕ, Кл·м150200400020401 ΦPEz, PHϕ, Кл·м0.5t, мкс200400R, км002040Рис. 3.10.
Формы поля, восстановленных дипольных моментов и невязка дляа) вертикального; б) наклонного, θ = 15°; в) наклонного, θ = 45° молниевогоканала. Основание излучателя поднято на высоту 3 км (разряды ВО типа).113Из приведенных графиков следует, что невязка не превышает 10% дляприподнятого вертикального молниевого канала с расстояний порядка 30 км,для наклонного молниевого канала с отклонением от вертикали на 15° – срасстояний порядка 35 км, для наклонного молниевого канала с отклонениемот вертикали на 45° – с расстояний порядка 50 км.Неумаляяважностиразработкимоделеймолниевыхразрядов,незаменимых при расчете ближних полей и возбуждаемых ими наводок вблизлежащих объектах, следует сказать, что их использование в алгоритмахпассивной локации гроз, при широком интервале возможных вариацийдальности и условий распространения, оказывается излишне сложным итрудоемким.
Кроме того, неполнота и недостаточная статистическаядостоверность модельных параметров для большинства типов естественныхразрядов не позволяет добиться точности расчета возбуждаемых имиимпульсов ЭМИ, требуемой для многих практических приложений. Поэтомув последующем при проведении расчетов полей в волновой зоне (как былопоказано, начиная с 50 км) мы будем пользоваться моделью точечногоизлучателя,описываяЭМИисточникатиповымиформами,классифицированными в главе 2.3.2. Методика расчета ЭМИ в волноводном канале Земля-ионосфераСильноточные компоненты молниевых вспышек, развивающиеся какмежду облаком и землей (ОЗ), так и внутри грозовых облаков (ВО), имеютмаксимум спектральной плотности в СДВ диапазоне, что обусловливает ихспособность распространяться в волноводном канале Земля-ионосфера сотносительно небольшим затуханием на очень большие расстояния (до 10тысяч километров и более).
При регистрации на поверхности Землидоминирующий вклад в основные регистрируемые компоненты поля (какправило, это вертикальная составляющая электрического и горизонтальныесоставляющие магнитного полей) вносят вертикальные составляющие токовразрядов.114Рассмотрим особенности трансформации волновых форм атмосфериковприраспространениинадповерхностьюЗемливрамкахмоделисферического волновода, образованного поверхностью Земли и радиальнонеоднороднойанизотропнойпогрешностейионосферой,многопунктовыхобусловленных эффектамиСДВимеяцельюсистемуменьшениеместоопределения,распространения. В настоящее время несуществует единой методики расчета электромагнитных полей, которая быохватывала весь частотный диапазон радиоизлучения токовых компонент,возбуждаемых в процессе развития молниевых вспышек и диапазонвозможных расстояний (от единиц километров до нескольких десятков тысячкилометров).
В соответствии с общепринятой методологией расчета полей воколоземном пространстве наиболее простые расчетные соотношения,удобные для последующего практического использования, получены врамкахподразделениянаближнюю,среднююидальнююзоныраспространения. Границы указанных зон весьма условны и зависят как отвида источника излучения, так и от значений рабочих частот. На частотахСДВ диапазона, соответствующего максимуму спектральной плотностисильноточных компонент молниевых вспышек как ОЗ, так и ВО типов,используемого в большинстве существующих и вновь разрабатываемыхметодов, устройств и систем местоопределения источников излучениясильноточных молниевых разрядов, границам указанных зон условно можноприписать значения 10…100 км, 100…1000 км и 1000…10000 км.Решениепроблемыраспространениярадиоволннадземнойповерхностью и в волноводном канале Земля-ионосфера имеет достаточнодлинную историю.
Трудности ее решения обусловлены неоднороднойструктурой ионосферы в радиальном направлении, ее нерегулярностью как впродольном, так и в поперечном направлении относительно трассыраспространения.Всеэтопривелокнеобходимостиразработкиииспользования достаточно сложной математической техники вычислений.Существенный прогресс достигнут с начала 60-х годов 20 века, когдапроблема возбуждения волновода вертикальным электрическим диполембыла детально исследована для его регулярной и отчасти для нерегулярноймоделей [Budden, 1961; Krasnushkin, 1962; Wait, 1962; Galejs, 1972].
Впоследующем было опубликовано большое количество работ в этой области,115в которых обсуждаются различные аспекты вышеупомянутых проблем.Следует отметить значительный вклад в их решение российскими учеными, вчастности,исследованиями,выполненнымипредставителямирадиофизической научной школы Санкт-Петербургского государственногоуниверситета, большинство которых отражены в 29 регулярных выпускахнаучного сборника "Проблемы дифракции и распространения радиоволн", аобобщенные результаты приведены в монографиях [Макаров, Новиков,Рыбачек, 1991; Макаров, Новиков, Рыбачек, 1993], а также в сборнике"Проблемы дифракции и распространения радиоволн", 2000, вып.
28.Обсудим некоторые результаты численных расчетов атмосфериков,обращая внимание на те их особенности, которые могут быть полезны дляпонимания рассматриваемых далее конкретных методов, устройств и системместоопределения сильноточных молниевых разрядов. Методы расчета ЭМИв средней и дальней зонах распространения основываются на двухотличающихся по виду, но практически адекватных по результату,представлениях решения в виде разложений в ряды по скачкам (илиионосфернымотражениям)илипонормальнымволнам(модам).Теоретические основы обоих методов достаточно полно и подробно описаныв монографии [Макаров, Новиков, Рыбачек, 1993].В рамках скачкового метода выражение для спектральной составляющейэлектрического поля Er , являющейся основной при использовании вразличных системах местоопределения в сферической системе координат,начало которой совмещено с центром Земли, а приемник расположен нарасстоянии R от источника, может быть представлено в виде разложения вряд по скачкам:∞Er = Er 0 + ∑ Eri( m ) ,m =1где Er 0 – земная волна, Eri(m)– последовательные отражения от поверхностиЗемли и от ионосферы.
Для вычисления земной волны Er 0 используетсяразложение в ряд [Фок, 1970]:Er 0 = k 2 P ( 2πε 0 )−1( exp ( ikR ) / R ) π xθsin θ116exp ( ixts )f vS ( y ) f vS ( y1 ) ,2t−qs =1s∞exp ( iπ 4 ) ∑D = aθ ,здесьx = ( ka 2 ) θ ,q = i ( ka 2 ) δ ,1/31/3⎛σδ = ⎜⎜ ε m' + iωε 0⎝−1⎞⎟⎟ ,⎠f vS ( y ) , f vS ( y1 ) – высотные коэффициенты, равные 1, если приемник иизлучатель расположены на поверхности Земли. Выражение для Er(m)вслучае изотропной радиально-неоднородной ионосферы представляется ввиде:( m)Erk 2 P eik 2 mDmθ=sin 2 ϕm ×4πε 0 2mDmsin θcosψ m ⎡( e ) ⎤ 2 ⎡ ( e ) ⎤ m −1 ⎡ ( i ) ⎤ m+1RF⎦ ⎣ RF ⎦ ⎣ RF ⎦ .cos ϕ m ⎣где RFe, i – коэффициенты отражения Френеля от земли и ионосферы длясферической землиВ случае использования разложения по нормальным волнам выражениедля спектральной составляющей электрической компоненты записывается вEr =виде.гдеa4W= 2 2brθsin θk 2 Pe eikRW,2πε 0 RΛν fν ( kb ) fν ( kr )e∑ν ν(e)=(e)⎛ 1⎞i⎜ν + ⎟θν⎝ 2⎠, R = aθ .nΛν – коэффициент возбуждения ν-моды, ν – собственное число задачи.Геометрия, обозначения и более подробное представление для обоихметодов, а также структура расчетного алгоритма приведены в приложенииВ.Приведем некоторые результаты численных расчетов, проведенных сиспользованием программного пакета, созданного на кафедре радиофизикиСанкт-Петербургскогогосударственногоуниверситета,использующегоданные методы.Предварительно была проведена оценка необходимого количествачленов рядов в обоих представлениях, а также верхней граничной частоты,обеспечивающих заданную точность вычислений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
