книги из ГПНТБ / Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие

к магнитному полю Земли линейно-поляризованная волна в общем случае распадается на две линейно-поляризованных волны: обык­ новенную (вектор Е совпадает с вектором Н) и необыкновенную (вектор Е перпендикулярен к вектору Н). Для обыкновенной вол­ ны диэлектрическая проницаемость среды и скорость распростра­ нения таковы, как если бы магнитного поля не было вовсе. Для необыкновенной волны диэлектрическая проницаемость меньше, а

фазовая скорость ѵ = ------— - больше, чем для обыкновенной вол-

I ен.необ

ны. В результате обыкновенная и необыкновенная волны отра­ жаются от ионосферы при разных значениях электронной концент­ рации. Высота точки отражения необыкновенной волны 1 ниже (рис. 14.14), чем обыкновенной волны 2, т. е. имеет место двойное лучепреломление. Кроме того, необыкновенная волна имеет про­ дольную составляющую электрического поля Е г, сдвинутую по фазе на 90° относительно поперечной составляющей Е х:

Анализ условий распространения радиоволн при учете столкно­ вения электронов с молекулами показывает, что необыкновенные волны испытывают большее поглощение, чем обыкновенные.

В о б щ е м с л у ч а е распространения волны при произвольном направлении магнитного поля линейно-поляризованная волна рас-

щепляется на необыкновенную и обыкновенную волны с эллипти­ ческой поляризацией. При этом большие оси их эллипсов повернуты относительно друг друга на 90°, а направления вращения резуль­ тирующих векторов противоположны. Обе волны распространяют­ ся с разными фазовыми скоростями и испытывают различное погло­ щение [6].

§ 14.7. М ЕТОДЫ ЭК СП ЕРИ М ЕН ТАЛ ЬН О ГО И ССЛ ЕД О ВАН И Я ИОНОСФ ЕРЫ

Вертикальное зондирование ионосферы с помощью ионосферных станций. Этот вид исследования ионосферы является одним из ос­ новных.

Автоматическая ионосферная станция представляет собой слож­ ное радиотехническое устройство и по принципу действия похожа на радиолокационную станцию. Она состоит из передатчика и при-

Рис. 14.14 . Рис. 14.15

емника, расположенных рядом. Передатчик вырабатывает короткие радиоимпульсы, которые с помощью специальных антенн излуча­ ются вертикально вверх. Достигнув ионизированной области,

чика с мощностью в импульсе в несколько десятков киловатт по­ даются в передающую антенну и излучаются вертикально вверх.

Отраженные от ионосферных областей сигналы принимаются приемным устройством Пр и поступают на индикатор И. На стан­ ции имеется два типа индикаторов: один из них является обычным осциллографом, на экране которого наблюдаются зондирующий и отраженные импульсы; второй индикатор предназначен для полу­ чения высотно-частотной характеристики, которая фотографирует­ ся. Автоматическая работа станции обеспечивается блоком автома­ тики БА.

На рис. 14.16 показан образец высотно-частотной характеристи­ ки. По оси абсцисс отложены частоты, на которых производится

418

зондирование ионосферы, а по оси ординат — так называемые дей­ ствующие высоты, на которых происходит отражение радиоволн от ионосферы.

При определении действующей высоты обычно предполагается, что радиовол­ ны проходят весь путь со скоростью света, т. е.

скоростью, меньшей скорости света. Это приводит к тому, что действительная высота отражения радиоволн от ионосферных областей оказывается меньше дей­ ствующей высоты, определяемой по формуле (14.51).

Определим соотношение между действующей и действительной высотами. На рис. 14.17 обозначены:

Практическая ценность результатов работы ионосферных стан­ ций заключается в получении оперативной информации о состоянии ионосферы. Эти данные используются, например, на коротковолно­

вых линиях связи для повышения эффективности их работы. Дан­ ные ионосферных станций в совокупности с результатами наблю­ дений за другими геофизическими явлениями дают возможность составлять прогнозы состояния ионосферы на несколько дней, ме­

сяцев и даже лет.

При помощи наземных ионосферных станций исследование ионосферы можно производить до ограниченных высот, а точнее до высоты, соответствующей максимуму электронной концентрации са­

мой высокой области Р 2.

В последнее время появились сообщения об исследовании ионо­ сферы с помощью специальных ионосферных станций, установлен­

сотно-частотной характеристики, полученной с ионосферной стан­ ции, установленной на канадском спутнике «Алует», который дви­ гался почти по круговой орбите на высоте 1000 км. Отсчет высот производился от спутника. На рис. 14.18 пунктирная кривая соот­ ветствует действительным высотам отражения радиоволн от ионо­ сферы. Она получена расчетным путем по экспериментальной вы­ сотно-частотной характеристике (сплошная линия) с учетом груп­ повой скорости распространения радиоволн в ионосфере.

Возвратно-наклонное зондирование ионосферы. Метод возврат­ но-наклонного зондирования (ВНЗ) основан на эффекте Кабанова [53], который можно сформулировать следующим образом. Радио­ волны, отраженные от ионосферы, при падении на Землю частично рассеиваются ее поверхностью. При этом некоторая доля рассеян­ ной энергии возвращается к источнику излучения (рис. 14.19).

Величина рассеянного поля определяется свойствами земной по­ верхности. Она больше на поверхности с резко выраженной элект­ рической неоднородностью, например у берега моря, а также в местах, где имеются резкие изменения рельефа местности.

Кроме земной поверхности,, рассеяние радиоволн происходит также в области Е, которая дважды пересекается волной. Однако, как показали измерения, рассеяние от области Е много меньше рассеяния от земной поверхности.

420

В результате образуется зона молчания, т. е. поверхность, на ко­ торую не приходят сигналы, отраженные от ионосферы. Лучи,

имеющие угол больше критического, создают освещенную зону (зо­ ну приема).

Передняя граница рассеянного сигнала соответствует началу освещенной зоны. Зная время запаздывания рассеянного сигнала,

производят зондирование ионосферы на нескольких частотах, а за­ тем последовательно группируют осциллограммы рассеянных сиг­ налов. На рис. 14.21 приведен образец дистанционно-частотной характеристики (сплошная линия), полученной при возвратно­ наклонном зондировании ионосферы на. шести частотах [53]. Зачер­ ненными участками показаны изображения отраженных сигналов на осциллограмме.

421

В соответствии с дистанционно-частотной характеристикой ра­ бочие частоты для коротковолновой линии связи необходимо выби­ рать так, чтобы корреспондент находился несколько дальше грани­ цы освещенной области.

Метод возвратно-наклонного зондирования имеет большое зна­ чение для радиосвязи на коротких волнах. В отличие от вертикаль­ ного зондирования он дает возможность получить истинную карти­ ну состояния ионосферы и условий распространения коротких ра­ диоволн в данный момент времени в заданном направлении. С его помощью можно контролировать прохождение радиоволн и коррек­ тировать рабочие частоты на действующих коротковолновых лини­ ях связи.

Необходимо отметить, что эффект Кабанова дает возможность производить коротковолновую радиолокацию на сверхдальние рас­ стояния до нескольких тысяч километров. Это имеет большой науч­ ный и практический интерес. Например, с помощью эффекта Каба­ нова можно обследовать за короткое время большие пространства земной поверхности, зарегистрировать извержения вулканов, обна­ ружить и наблюдать движение больших айсбергов и т. д.

Использование ракет и искусственных спутников Земли для ис­ следования ионосферы. Исследование ионосферы с помощью стан­ ций возвратно-наклонного зондирования и ионосферных станций относится к методам косвенных измерений. Они не могут заменить прямых методов измерений с помощью приборов, установленных на ракетах и искусственных спутниках Земли.

До появления ракет и искусственных спутников Земли плот­ ность атмосферы на высотах до 40 км измеряли с помощью мано­ метров-анероидов, размещенных на воздушных шарах. С помощью геофизических ракет параметры ионосферы измеряют до высот в несколько сот километров. До высоты примерно 100 км плотность атмосферы измеряют тепловым манометром, а выше — ионизацион­ ным. По принципу действия последний напоминает обычную радио­ лампу. В зависимости от плотности воздуха в манометре изменяет­ ся ток, протекающий между нитью накала и анодом. Изменение тока передается на Землю по телеметрической системе.

Определение плотности атмосферы можно производить также по измерению орбиты искусственного спутника Земли, радиус которой постоянно уменьшается вследствие торможения спутника в земной атмосфере.

Для определения плотности атмосферы в конкретной точке над поверхностью Земли используют метод паров натрия: с геофизиче­ ской ракеты или спутника в заданной точке атмосферы выпускают облако паров натрия. В результате диффузии облако постепенно расширяется. Наблюдая за скоростью его расширения, можно оп­ ределить плотность атмосферы на данной высоте.

Измерения концентрации электронов и ионов в ионосфере про­ изводились с помощью дисперсионных радиоинтерферометров, установленных на геофизических ракетах, а также специальными электронными и ионными ловушками, размещенными на искус­

422

Г л а ва 15

РАСПРОСТРАНЕНИЕ УКВ НА ЛИНИЯХ ЗЕМЛЯ — ЗЕМЛЯ, ЗЕМЛЯ — ВОЗДУХ

§ 15.1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УКВ. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИИ

Ультракороткие волны находят применение практически во всех рассмотренных в главе 10 радиолиниях. Особенно следует отметить такие области техники, как радиолокация и радионавигация, в ко­ торых в подавляющем большинстве случаев используются УКВ.

Основные области применения УКВ в определенной мере свя­ заны с их поддиапазонами. Так, метровые волны используются главным образом в телевидении и частотно-модулированном веща­ нии. В последнее время метровые волны применяются для осуще­ ствления радиосвязи на дальние расстояния за счет рассеяния ра­ диоволн на неоднородностях тропосферы и ионосферы. Радиоволны дециметрового и сантиметрового диапазонов используются в теле­ видении, радиолокации, радионавигации и многоканальной связи. Миллиметровые волны находятся в стадии освоения; они применя­ ются в радиолокации и других отраслях техники.

Так как УКВ находят широкое применение во вторичных радио­ линиях, рассмотрим возможные источники вторичных излучений и их основные характеристики, а также получим уравнение для вто­ ричной радиолинии, которое называется основным уравнением ра­ диолокации.

Источником вторичного излучения может быть всякий объект, тело пли совокупность тел, если хотя бы один из их электромагнит­ ных параметров отличается от соответствующих параметров окру­ жающей среды (в нашем случае параметров атмосферы, земной или водной поверхности). При облучении поверхности подобных тел часть падающей энергии рассеивается, т. е. поверхность физи­ ческих тел (точнее все тело) как бы становится источником вторич­ ного излучения.

Ко вторичному излучению относятся всевозможные виды отра­ жения радиоволн телами с гладкими поверхностями, а также рас­ сеяние радиоволн статистически неровными и неоднородными по­ верхностями и объемно-распределенными объектами.

Кроме естественных участков поверхности Земли и неоднород­ ностей атмосферы, вторичными излучателями являются такие объекты радиолокационного обнаружения, как корабли, самолеты, ракеты, различные сооружения на поверхности Земли, мосты, же­ лезные и шоссейные дороги, железнодорожные станции, населен­ ные пункты и др.

Для уяснения процессов рассеяния радиоволн сложными объек­ тами рассмотрим вначале рассеяние радиоволн объектами прос­ тейшей конфигурации, такими, как пластина, сфера и т. п.

424

Характеристика рассеивающих свойств объекта

Применительно к .вторичным радиолиниям основной интерес представляет отражение или рассеяние радиоволн в обратном на­ правлении. Вторичное излучение радиоволн в обратном направле­ нии может вызываться следующими причинами:

1) частичным рассеянием радиоволн в обратном направлении гладкими поверхностями, в том числе, отражением от плоских по­ верхностей, перпендикулярных к направлению распространения ра­ диоволн;

Рис. 15.1

2) рассеянием радиоволн (Потр) в различных направлениях, в том числе в обратном направлении [П(я)отр], шероховатыми поверхно­ стями (рис. 15.1) и объемно-распределенными отражающими объектами (например, рассеяние дождем волн миллиметрового и сантиметрового диапазонов).

Для характеристики отражающих свойств тела вводится поня­ тие эффективной площади рассеяния тела аэ. При этом поле вто­ ричного излучения тела уподобляют полю воображаемого нена­ правленного излучателя, имеющего мощность излучения, равную гьПпад, и создающего в месте расположения приемника такой же поток энергии, как и поток, создаваемый в действительность отра­ жающим телом:

где Ппад — плотность падающего потока мощности (среднее значе­ ние вектора Пойнтинга), создаваемого передатчиком в точке рас­ положения объекта; П 0тР — плотность отраженного потока мощно­ сти в месте расположения приемника.

Произведение аэПпад представляет собой мощность, как бы улав­ ливаемую и переизлучаемую гипотетическим телом равномерно по всем направлениям. Таким образом,

Величина аэ характеризует отражающую способность тела в направлении, для которого определяется Потр. Если приемник по­ мещен в-том же месте, где расположен передатчик, то сгэ(л) харак­ теризует отражающую способность объекта в обратном направле­

425

нии (составляющем с направлением падающей волны угол 0 = зт). Эффективную площадь обратного рассеяния объекта иногда назы­ вают радиолокационным сечением объекта. В соответствии с (15.1)

(15.2)

Таким образом, радиолокационной площадью рассеяния объек­ та аэ(я) называется площадь поперечного сечения такого вообра­ жаемого объекта, который при изотропном переизлучении падаю­ щей на него мощности (т. е. переизлучении, равномерном во всех направлениях) создает у передатчика такую же плотность потока мощности, как и плотность потока мощности, создаваемую реаль­ ным объектом.

Рис. 15.2

Так как в дальнейшем рассматривается только радиолокацион­ ная площадь рассеяния, то для упрощения записи скобки при л могут опускаться.

При изменении угла, под которым на тело падают электромаг­ нитные волны, обычно изменяется также величина электромагнит­ ной энергии, рассеиваемой этим телом в обратном направлении (рис. 15.2, а). Это происходит главным образом вследствие несимметрии тела и неоднородностей его состава и структуры. Влияние направления облучения тела на его радиолокационные свойства может быть охарактеризовано диаграммой обратного излучения (рис. 15.2, б), которая характеризует зависимость напряженности или плотности потока мощности отраженного поля в точке приема от угла облучения при постоянной величине Ппад. Диаграмма об­

ратного излучения обычно строится в нормированном виде или по

£7

напряженности -----^— = / г(Ѳ), или по мощности

^-0 max

При сложной форме объекта эта диаграмма может быть много­ лепестковой. В простейшем случае рассеяния радиоволн однород-

426