1.2Распространение радиоволн.

Законы распространения электромагнитных колебаний тесно связаны с электрическими и магнитными свойствами среды, которые характеризуются диэлектрической проницаемостью, измеряемой в фарадах на метр (Ф/м), магнитной проницаемостью, измеряемой в генри на метр (Г/м), и удельной электрической проводимостью, измеряемой в сименсах на метр (См/м).

Если бы Земля была идеальным проводником и ее поверхность представляла собой плоскость, а атмосфера, в которой распространяются электромагнитные волны, была идеальным диэлектриком, то распространение электромагнитных волн проходило бы без поглощения, так как идеальный проводник без потерь отражает электромагнитную волну, а в идеальном диэлектрике отсутствует поглощение.

В реальных условиях в приземном слое атмосферы распространение электромагнитных волн отличается от идеального. Электрические параметры земной атмосферы и поверхности Земли изменяются случайным образом не только в каждой точке пространства, но и во времени. Поверхность Земли имеет сложную форму и характеризуется чрезвычайным разнообразием физических свойств, которые по разному влияют на распространение ЭМВ. В общем случае электрические параметры зависят как от свойств среды, так и от длины волны взаимодействующих со средой электромагнитных колебаний. Так, для длинных волн (радиоволны) почвы по электрическим параметрам приближаются к идеальному проводнику. Поэтому длинные волны отражаются от земли без заметного поглощения. При уменьшении длины волн проводимость почвы уменьшается, и почва по своим свойствам приближается к диэлектрику. Поэтому короткие волны, распространяющиеся вблизи поверхности Земли, заметно поглощаются уже на расстоянии нескольких десятков километров. Поглощение радиоволн сильнее над влажной почвой и над морем. Однако поглощение становится существенным лишь при распространении радиоволн над поверхностью Земли на расстоянии длины волны. При прохождении на больших расстояниях от поверхности радиоволны практически не испытывают поглощения.

Угловая расходимость радиоволн во многом зависит от диаграммы направленности антенны. При этом существенную роль играет лишь некоторая ограниченная область, внутри которой распространяются волны, наиболее эффективно действующие на приемное устройство. Эта область заключена внутри эллипсоида вращения с фокусами А и В, в которых расположены приемная и передающая антенны. Малая полуось эллипсоида (рис. 1.10 ) имеет длину порядка

,

Где D- расстояние между точками А и В, а λ- длина волны.

Влияние Земли сказывается лишь тогда, когда часть земной поверхности оказывается внутри этого эллипса, что имеет место, как правило при распространении длинных и средних волн. При этом значительное влияние на распространение оказывают участки, непосредственно прилегающие к передающему и приемному устройствам.

Радиоволны, падая на поверхность Земли, вызывают в почве (или воде) колебания электрических зарядов (электронов, ионов), вследствие чего возникают вторичные волны той же частоты. Амплитуда и фаза вторичной волны зависят от соотношения вынужденной и собственной частоты колебаний заряженных частиц данной среды.

При сложении падающей и вторичной волн образуется результирующая волна, параметры которой будут отличаться от параметров падающей волны.

Так как почва и вода являются полупроводящими средами, то фронт волны у поверхности загибается в сторону Земли.

При распространении на большие расстояния необходимо также учитывать дифракцию радиоволн вокруг сферической поверхности Земли. Явление дифракции заключается в том, что радиоволна за счет наложения колебаний вторичной волны огибает встречающиеся препятствия и сферическую поверхность Земли. Во всех случаях дифракция сопровождается потерей энергии колебаний, которая убывает с расстоянием по экспоненциальному закону, т.е. гораздо быстрее, чем при распространении над плоской поверхностью. Поглощение энергии и дифракция имеют место также при прохождении радиоволн в залесенной местности, где препятствием являются деревья, а также вблизи искусственных сооружений. В этом случае короткие волны будут испытывать в большей степени поглощение, а длинные- дифракцию. При встрече электромагнитных волн с водной поверхностью происходит отражение и преломление волны. Для всех электромагнитных волн, падающих на плоскую отражающую поверхность, можно использовать законы геометрической оптики:

, ,

где -угол падения; - угол отражения; и - показатели преломления сред. Характер отражения волн зависит от неровностей отражающей поверхности. При этом различают зеркальное и диффузное отражение. Понятия «гладкая» или «шероховатая» поверхность определяются соотношением длины волны и высоты неровностей, а также углом падения. Так, холмистую поверхность с высотами рельефа порядка нескольких сотен метров для сверхдлинных волн можно считать гладкой, а для коротких волн чистое поле, покрытое травой, является шероховатым. Волны, отражаясь от шероховатой поверхности, испытывают диффузное отражение. В этом случае колебания отражаются во всех направлениях (см. Рис. 1.11 ).

Разность геометрических путей для луча АВС, отраженного нижним уровнем препятствия, и луча DEF, отраженного от верхней точки Е препятствия, равна , а разность фаз колебаний на линии FC (фронт отраженной волны), перпендикулярной фронту AD падающей волны, будет:

При зеркальном отражении радиоволны антенны двумя путями: по прямой АВ (см.Рис.1.12 ) и в результате отражения от некоторой точки С по ломаной АСВ. На трассах со сложным рельефом будет происходить отражение от нескольких точек трассы (см. Рис. 1.13 ).

При диффузном отражении волны достигают приемника разными путями. Однако суммарное искажение при диффузном отражении бывает небольшим вследствие случайного характера в определении фаз отраженных колебаний и их незначительных амплитуд.

Как уже отмечалось ранее, при прохождении в атмосфере наблюдается ослабление энергии электромагнитных колебаний, определяющее дальность действия приборов. Заметное ослабление испытывают дециметровые и более короткие волны и, в особенности, световые. Основной причиной ослабления электромагнитных колебаний является поглощение и рассеивание их гидрометеорами (дождь, снег, туман, град, облака). Поглощение возникает за счет тепловых потерь, возникающих в капельках воды за счет наведения в них токов проводимости. Рассеяние обусловлено излучением капельками вторичных колебаний, часть энергии которых направлена навстречу распространяющимся основным колебаниям. Миллиметровые и световые колебания кроме того испытывают добавочное рассеяние и поглощение молекулами водяного пара и кислорода. Наибольшее поглощение происходит тогда, когда частота электромагнитных колебаний совпадает с собственной частотой молекул (селективное поглощение). Твердые частицы, взвешенные в воздухе, также вызывают значительное рассеяние коротковолнового излучения. Рассеяние происходит также и на неоднородностях атмосферы.

Длинные электромагнитные волны при распространении в атмосфере могут проходить над поверхностью Земли по кратчайшему расстоянию АВ (см.Рис.1.14 ). Это так называемые поверхностные волны. Кроме того, они могут испытывать отражение от верхних ионизированных слоев атмосферы, находящихся на высоте более 60 км (пространственные волны). Так как ионосфера обладает заметной электрической проводимостью, то в ней изменяются направление и скорость распространения электромагнитных колебаний, что и вызывает преломление и отражение попадающих в нее электромагнитных волн.

Наличие ионизированного слоя приводит к тому, что волны длиннее 10 м не могут выйти за пределы земной атмосферы, тогда как для более коротких радиоволн и волн оптического диапазона ионосфера является прозрачной средой.

Электрические параметры ионосферы зависят от высоты, времени года и суток, а также от солнечной активности. При этом образуются слои, ионная конденсация в которых возрастает по мере увеличения высоты слоя. В результате однократного или многократного отражения от ионосферы увеличивается дальность распространения радиоволн. В тех точках, где одновременно принимаются прямая и отраженная волны, происходит искажение амплитуды и фазы колебаний поверхностной волны. Отражение приводит к потере мощности колебаний и искажению формы импульсов. Так как ионизированные слои атмосферы имеют неопределенные параметры, то учет искажений довольно сложен.

Длинные радиоволны вследствие дифракции огибают Землю и отражаются от относительно устойчивых слоев атмосферы, что обеспечивает постоянство условий распространения. Поэтому они распространяются далеко за пределы прямой видимости (до 3000 км и более). Недостатком этого диапазона является высокий уровень атмосферных помех.

Средние волны испытывают резкие суточные колебания напряженности в месте приема. В дневное время преобладает поверхностная волна, которая частично огибает земную поверхность, но в следствие значительного поглощения полупроводящей поверхностью Земли дальность ее распространения не превышает 1000 км. В ночное время усиливаются отраженные от ионосферы волны, фаза колебаний которых все время меняется вследствие флуктуаций ионосферной электронной концентрации.

Короткие волны распространяются на дальние расстояния главным образом за счет переотражения ионосферой, так как поверхностная волна вследствие значительного поглощения земной поверхностью быстро затухает. Поле таких волн неустойчиво из-за изменений в ионосфере, приводящих к замиранию сигнала. Для этого диапазона характерно наличие зоны молчания на некотором расстоянии от передатчика, где уверенный прием невозможен. Это объясняется невозможностью попадания в точку приема отраженной волны и быстрым затуханием поверхностной волны.

Ультракороткие волны. Заметное отражение от ионосферы наблюдается только для ультракоротких волн в диапазоне длиннее 4-5 м. Более короткие волны не отражаются от ионосферы, и их распространение почти прямолинейно. Незначительное огибание поверхности Земли обусловлено рефракцией радиоволн в атмосфере и в меньшей степени (только метровые волны) – дифракцией.

Волны светового диапазона распространяются почти прямолинейно. В приземных слоях атмосферы их путь искривляется за счет влияния рефракции. Кроме того, световые волны испытывают поглощение и рассеяние. В этом диапазоне достигается наибольшая точность геодезических наземных измерений. В настоящее время во многих геодезических приборах в качестве источников излучения используются лазеры, расходимость излучения которых очень мала. Непосредственное влияние поверхности земли в этом случае не сказывается, так как световой пучок проходит от нее на значительном (по сравнению с длиной волны) расстоянии.