Лекция №5-6. Конспекты к слайдам (1186393), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Поглощение и рассеяние радиоволн в гидрометеорах.

Ослабление радиоволн в тропосфере также имеет ме­сто при прохождении их через различные атмосферные об­разования (дождь, туман, снег, облака).

Всякое атмосферное образование состоит из от­дельных частиц — капель воды, льдинок (гидрометеоров), поэтому ослабление радиоволн в атмосферном образовании мож­но рассматривать как суммарное ослабление в каж­дом отдельном гидрометеоре.

Это парциональное ослаб­ление определяется в результате решения электродина­мической задачи о дифракции плоской электромагнитной волны на отдельной частице, которую для упрощения можно считать шаром.
Существенно, что для воды мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости в диапазоне сантиме­тровых волн такого же порядка величины, что и вещест­венная часть.

Отсюда следует, что ослабление радиоволн должно вызываться двумя причинами: поглощени­ем, т. е. преобразованием электромагнитной энергии в те­пловую внутри шара, и рассеянием, приводящим к умень­шению потока энергии первичной волны в направлении ее распространения.

В одном частном, но практически наиболее важном случае, когда радиус шара значитель­но меньше длины волны в среде шара, для расчета величины потерь энергии первичной волны на поглощение и рассеяние легко получить формулы, не прибегая к строгому решению задачи о диф­ракции волны на шаре.

Уменьшение энергии первичной волны вследствие рассеяния частицей характеризуется ее полным поперечным сечением рассеяния:

, (44)

где (а – радиус сферической частицы).

Как следует из формулы (44), полное сечение рассеяния обратно пропорцио­нально четвертой степени длины волны (закон Релея).

Интересно отметить, что закон рассеяния Релея объяс­няет, почему цвет неба голубой.

В самом деле, в атмос­фере всегда существуют малые флюктуации плотности воздуха, которые действуют как рассеивающие частицы.

Такие частицы согласно (40) должны наи­более эффективно рассеивать наиболее короткие волны видимого света, соответствующие голубому и фиолетово­му цвету.

Законом Релея объясняются и различные от­тенки туманов и дымов.

Уменьшение энергии первичной волны вследствие по­глощения характеризуется ее полным поперечным сечением по­глощения:

. (45)

Сравнивая формулы (44) и (45) видно, что при выполнении условия сечение поглощения зна­чительно больше сечения рассеяния и, следователь­но, потерей энергии на рассеяние можно пренебречь.

Это справедливо для капель туманов и облаков, размеры ко­торых чрезвычайно малы (а<0,01 см).

Можно считать, что преобладание поглощения над рассеянием имеет ме­сто и для дождей, но в длинноволновой части диапазона сантиметровых волн.

В общем же случае при расчете ос­лабления должно учитываться и поглощение и рассеяние.

Радиолокационные системы следует проектировать с учетом периодического появления дождя, облаков и локальных изменений плотности водяного пара.

На частотах ниже 6 ГГц затухание в дожде, за исключением редких случаев очень сильного дождя или града, особого значения не имеет.

В диапазоне частот от 6 до 200 ГГц затухание в дожде может оказаться существенным.

На частотах выше 200 ГГц особенно сильно сказывается влияние облаков и водяного пара [5].

Затухание, обусловленное обычными замерзшими частицами типа ледяных кристаллов и снега, на частотах ниже 60 ГГц невелико, но на более высоких частотах приобретает большее значение.

Град может вызвать существенное затухание даже на частотах до 1 ГГц, но он образуется редко, и при проектировании систем связи им обычно пренебрегают.

Слайд 31

Максимальная дальность действия РЛС при учете ослабления в тропосфере.

Полная перехватываемая частицей энергия первичной волны определяется суммой

. (46).

Уменьшение плотности потока энергии первичной вол­ны на элементе пути dr равно

, (47)

где N – число гидрометеоров в элементе объема.

Интегрируя (47), получаем

, (48)

где S₀ —плотность потока энергии в начале пути и S — в конце пути. Выражая соотношение (48) в дБ/км, получим следующую формулу для суммарного коэффициента ослабления, обусловленного поглоще­нием и рассеянием:

=4343N , дБ/км. (49)

Для расчета ослабления в конкретном ат­мосферном образовании не­обходимо знать распределе­ние гидрометеоров по их размерам.

Если оно известно, т. е. если известно число гидрометеоров, имеющих эффективное сече­ние _i для каждого i-го сор­та частиц, то коэффициент ослабления рассчитывают по формуле

, дБ/км. (50)

Распределение N_i определяется экспериментальным пу­тем для каждого вида атмосферного образования.

Наиболее изученными являются распределения капель дождя по размерам, которые можно систематизировать следующим образом:

Слайд 32

Распределение Лоуса-Парсона наиболее часто используется при расчете коэффициентов распространения радиоволн в дожде.

Полученные на его основе интегральные распределения ослабления хорошо согласуются с результатами измерений на частотах f < 30 ГГц.

Однако это распределение может давать завышенную концентрацию мелких капель с D < 1 мм, поэтому возникает вопрос о возможности его использования в диапазоне ММВ, где вклад мелких капель в ослабление значительно возрастает.

Экспоненциальное распределение имеет вид:

,

где N₀ – постоянная,  – коэффициент, зависящий от интенсивности дождя.

Недостатком экспоненциального распределения также являются завышенные значения для мелких капель.

Частными случаями экспоненциального распределения являются распределения Маршалла-Пальмера и Джосса.

Слайд 33

Гамма распределение наиболее правильно описывает мелкокапельную часть спектра частиц.

В общем виде его можно представить выражением:

,

где B, D,  и  – постоянные.

Также на практике используется логарифмически-нормальное распределение и распределение Вейбулла.

Доступным для измерения параметром является интенсивность дождя R.

Она равна количеству осадков в миллиметрах, выпадающих в течение часа.

При этом интенсивность дождя не является однозначной функцией размеров капель, поскольку в дожде заданной интенсивности одновременно присутствуют капли различных размеров.

Слайд 34

На основе расчетов _Д на разных частотах излуче­ния для разных интенсивностей дождя было получено выражение:

, (51)

где а и b — параметры, зависящие от частоты.

Значения а и b определялись полученные по результатам многочисленных экспериментов на различных частотах, результаты расчетов по формуле (51) для дождей различной интенсивности представлены на рисунке 9. Поскольку капли дождя считались сферическими, ослабление не зависит от поляризации излучения.

Температурная зависимость _Д в миллиметровом диапазоне практически отсутствует.

Наибольшее ослабление имеет место при t=20 °С, при этом изменение t от 0 до 40°С приводит к изменению ослабления ±4%.

Рисунок 9 – Коэффициенты ослабления для дождя различной интенсивности:

1,25 мм/ч – легкий дождь, 25 мм/ч – сильный дождь,

50 мм/ч – очень сильный дождь, 100 мм/ч – ливень.

Слайд 35

В связи с большим отклонением измеряемых величии _Д от средних значений, необходимо подчеркнуть преимущества статистического подхода к исследованиям ослабления миллиметровых волн в дожде, в частности к изучению зависимости коэффициента ос­лабления _Д от интенсивности дождя R и частоты излучения по интегральным распределениям _Д и R.

Зная коэффициент ослабления _Д (в децибелах на ки­лометр), нетрудно рассчитать максимальную дальность действия радиолинии. Напряженности поля с учетом ослабления в атмосфере E_m и свободном пространстве E_{0 m} связаны соотношением [7]:

, (52)

где r выражено в километрах.

Слайд 36

Отсюда следует, что формулы дальности действия РЛС должны при наличии ослабления содержать экспоненциально убывающий множитель.

Так, формула максимальной дальности действия радиолокатора в свободном пространстве при наличии ослабления в тропосфере будет равна

, (53)

где величина r_m вы­ражается в километрах.

Слайд 37

Следовательно, при наличии ослабления максималь­ная дальность определяется путем решения трансцендентного уравнения:

, (54)

где r_{m 0} – дальность действия РЛС в свободном пространстве, r_m и r_{m 0} выражены в километрах.

25

Характеристики

Список файлов лекций