Дифракционное рассеяние электромагнитных волн в атмосфере

Рассеяние и ослабление электромагнитных волн зависит от соотношения длины волны и размера рассеивателя. Когда , то при этих условиях наблюдается геометрическое отражение и рассеяние. Для простейших целей мы оценивали ЭПР для шара: ; для пластины: ; для полупроводникового вибратора: (условие: ).

Расчет ЭПР для шара используется для калибровки метеорологических радиолокаторов, в диапазоне длин волн см, при этом соотношение между диаметром шара и длиной волны 1/10 ( .

Дифракционное рассеяние электромагнитных волн в атмосфере наблюдается при условии, что размеры цели во много раз меньше длины волны, т.к. цель при расчетах является сферической частицей, то размеры цели оцениваются или через диаметр, или через радиус этой частицы.

Радиолокационное обнаружение облаков основано на эффекте рассеяния радиоволн СМ-диапазона на частицах облаков и осадках. При взаимодействии падающей электромагнитной волны на гидрометеор, в нем индуцируется электрические и магнитные дипольные, квадр -, окто - моменты.

Энергия осцилляции (возникновения) исходит от падающей волны. Часто энергия при взаимодействии с гидрометеором переходит в тепло, часть вновь излучается в пространство в виде рассеянного электромагнитной поля на той же частоте, что и первично падающая электромагнитная волна. Способность облачных частиц и диэлектрических неоднородностей возвращать часть рассеянной энергии к источнику количественно характеризуется поперечным сечением обратного рассеяния или поглощения.

– поперечное сечение рассеяния, - поглощения, [см², м²].

Аналитическое выражение для расчета эффективной площади рассеяния получено из классической теории рассеяния электромагнитных волн:

(1.1)

(1.2)

- порядок парциальных волн (положительное число); - вещественная часть суммы параметров преломления, взятых с обратным знаком; и – коэффициенты Ми, которые определяются амплитуду парциальных волн, излученных индуцированными магнитными и электрическими ди -, квадр – и другими моментами.

, ,

где – волновое число, – цилиндрические функции Бесселя.

Эти функции позволяют решить задачи рассеяния внутри сферы (сходящиеся волны).

- цилиндрические функции Ханкеля, которые позволяют решить задачи рассеяния вне сферы (гидрометеора).

(1) примем для расчета характеристик рассеяния гидрометеора любых размеров и диэлектрических свойств. В литературе встречается понятие – нормальное поперечное рассеяние.

,

,

где – радиус рассеивающей частицы.

Рассеяние электромагнитных волн малыми частицами (релеевское рассеяние)

В области малых частиц при использовании формулы (1) вводятся следующие упрощения:

1) волновое число ;

2) все парциальные компоненты электромагнитных полей, кроме поля электрического диполя равны нулю, тогда поперечное сечение обратного рассеяния будет равно для отдельной частички:

(2),

(3),

где - комплексный коэффициент преломления.

Для оценки эффективной площади поглощения используется следующее выражение:

(4),

где - мнимая часть комплексного числа, характеризующая поглощение падающей электромагнитной волны.

Вода , лёд 0,197.

Водяные капли отражают и рассеивают примерно в 5 раз больше электромагнитной энергии, чем равновеликие ледяные частицы.

Увеличение размеров частиц вдвое приводит к росту ЭПР в 64 раза, а увеличение длины волны в 2 раза приводит к уменьшению в 16 раз.

Таким образом, общее поперечное ослабление для малых частиц равно примерно поперечному сечению поглощения:

При увеличении размеров частиц , и тогда .

Релеевское рассеяние справедливо при определенном соотношении между длиной волны, падающей на гидрометеор и диаметром этого гидрометеора.

Дифракционное рассеяние на крупных частицах

При увеличении диаметра капель, когда , рассеяние электромагнитных волн является результатом дифракции и интерференции парциальных компонент, излученных магнитным и электрическим диполем и т.д.

В этих случаях расчет производится по формулам Ми.

Рассмотрим ход лучей рассеянных электромагнитных сигналов в зависимости от фазового состояния гидрометеора.

1 – лед (диэлектрическая линза); 2 – вода; 3 – обводненная градина.

Лекция №7

Как будет меняться эффективная площадь рассеянных частиц, которые будут состоять из водяной и ледяной консистенции.

Зависимость эффективной площади рассеяния для МРЛ, работающих на см, см.

Используя формулы Ми, было рассчитана площадь эффективного рассеяния:

Как видно из рисунков 1 и 2, наблюдается зависимость ЭПР от длины волны. С ростом диаметров гидрометеоров растет ЭПР, следовательно, фазовые состояния также оказывают влияние на ЭПР. Увеличение размеров гидрометеоров приводят к росту ЭПР. Если возьмем предельные значения гидрометеоров, то эффективная площадь рассеяния будет приближаться к предельному значению пропорционально , где - радиус гидрометеора.