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

ет поглощение радиоволн, причем наибольшее поглощение испыты­ вают радиоволны, проходящие через центральную, наиболее плотную часть струи. Для уменьшения поглощения радиоволн необ­ ходимо увеличивать угол между осью ракеты и направлением рас­ пространения радиоволн. Это достигается путем удаления наземной антенны от места запуска ракеты, а также путем удаления антенны ракеты от двигателя.

§ 16.6. ОШИБКИ, ВНОСИМЫЕ АТМОСФЕРОЙ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ СПУТНИКА РАДИОТЕХНИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Присутствие атмосферы Земли приводит к тому, что при изме­ рении радиотехническими методами угловых координат спутника и расстояния до него в результаты измерений вносятся ошибки, обус­ ловленные влиянием атмосферы на распространение радиоволн.

О ш и б к и при и з м е р е н и и у г л о в ы х к о о р д и н а т спутника наблюдаются за счет искривления траектории ,волны при ее распрост­ ранении в тропосфере и ионосфере. Они возникают в результате того, что направление прихода радиоволн от объекта не совпадает с истинным направлением на объект.

Для рассмотрения влияния т р о ­ п о с ф е р ы на точность определения угловых координат обратимся к рис. 16.10. Ошибкой за счет рефрак­ ции радиоволн в тропосфере будем называть угол Аф между истинным направлением А С на объект и ка­ сательной A B к траектории волны в точке расположения приемной ан­ тенны, т. е.

А?=9и —<Рк*

Из рис. 16.10 следует, что угол фи как внешний угол треугольни­ ка О А С равен сумме углов а и ф:

487

Выражение для tgcp можно найти из уравнения траектории вол­ ны в тропосфере (14.4), которое в принятых на рис. 16.10 обозна­ чениях имеет вид

п3а sin срк — п Н sin <р,

где п3— показатель преломления тропосферы у поверхности Земли. Отсюда

Подставим (16.17) в (16.16), а затем полученное выражение в (16.15)'. Интегрируя величину da, находил? следующее выражение для угла а:

Здесь h0 — высота нижней границы ионосферы, примерно 60 км, а Ф о — угол падения волны на нижнюю границу ионосферы.

488

Г л а в а 17

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ САНТИМЕТРОВЫХ, МИЛЛИМЕТРОВЫХ И ОПТИЧЕСКИХ РАДИОВОЛН В ТРОПОСФЕРЕ

§ 17.1. О С Л А БЛ ЕН И Е ЭЛЕКТРОМ АЕНИТНЫ Х ВОЛН В ТРОП ОСФ ЕРЕ

Прежде всего отметим, что, кроме сантиметровых (?.= І4-10 см) и миллиметровых (А,= І4-10 мм) волн, в настоящей главе рассмат­ риваются особенности распространения оптических волн, которые подразделяются на: дальние ИКВ (инфракрасные — субмиллимет­

=0,4 жюи4-0,75 мкм).

Характерной особенностью сантиметровых и более коротких ра­ диоволн является их ослабление в тропосфере. Для учета ослабле­ ния в соответствии с (7.24) в формулы радиосвязи, определяющие мощность принимаемых сигналов, должен быть введен экспоненци­ альный множитель

(17.1)

где ѵ0 = 2а — коэффициент ослабления волн по мощности в тропо­ сфере.

В формулы радиолокации для учета ослабления на прямом и обратном пути распространения волн вводится множитель

(17.1а)

Ослабление радиоволн, как отмечалось в главе 16, происходит как в «чистой» атмосфере (водяной пар и молекулы газа), так и в результате ослабляющего действия взвешенных жидких и твердых частиц (атмосферные образования, например, в виде пыли, осад­ ков, тумана и др.). Поэтому

где уа — коэффициент ослабления в «чистой» атмосфере; \д— коэф­ фициент ослабления в атмосферных образованиях.

Может оказаться, что разные причины, вызывающие ослабление радиоволн, имеют место на различных участках радиолинии. Х а ­ рактерным примером этого является рассмотренная в главе 16 ли­ ния Космос— Земля. Здесь от спутника до верхних слоев ионосфе­ ры практически нет ослабления радиоволн, а на участке от верхних до нижних слоев есть. Далее на участке линии в стратосфере ос­ лабление сравнительно мало, и затем имеет место ослабление в тропосфере. Ослабление радиоволн в тропосфере, обусловленное водяными парами и газами, происходит на протяжении всей тропо­ сферы, а ослабление в гидрометеорах — только на некоторых участ­

489

ках тропосферы. В связи с этим множитель ослабления в общем ви­ де может быть записан следующим образом:

полные показатели ослабления на участках радиолинии в «чистой» атмосфере и гидрометеообразованиях.

Ослабление в «чистой» атмосфере и атмосферных образованиях происходит в результате поглощения энергии радиоволн и их рассея­ ния молекулами газов или взвешенными частицами вещества. Поэ­ тому

Ya = Yan + Tap И Ѵд=Ѵдп + Ѵд;. О7-4)

где индекс «п» обозначает поглощение, а индекс «р»— рассеяние радиоволн.

Рассмотрим более подробно ослабление радиоволн в «чистой» тропосфере, являющейся наиболее плотным слоем атмосферы. При­ нято отличать молекулярное поглощение от молекулярного рассея­ ния радиоволн. *

Молекулярное поглощение является результатом расходования энергии распространяющейся волны на нагревание газов, а в слу­ чае волн оптического диапазона, кроме того, на возбуждение атомов и молекул и т. д.

При поглощении энергии радиоволн атомы и молекулы перехо­ дят из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энер­ гией. Подобные переходы имеют резонансный характер, что приво­ дит к резонансному или селективному поглощению электромагнит­ ных волн.

Поглощение электромагнитных волн различных диапазонов в тропосфере в основном определяется кислородом, водяным паром, озоном и углекислым газом. Остальные газы, содержащиеся в тро­ посфере, не вносят заметного вклада в поглощение. Кислородом оп­ ределяется основная доля поглощения в длинноволновой части сантиметрового диапазона радиоволн. В коротковолновой части сан­ тиметрового диапазона и во всем миллиметровом диапазоне погло­ щение радиоволн связано также с молекулярным поглощением во­ дяных паров. На рис. 17.1 представлены расчетные зависимости ко­

490

ражена в километрах. Уменьшение же напряженности поля будет определяться множителем jo-0,05^ 7’-

Из рис. 17.1, в частности, видно, что в миллиметровом диапазоне радиоволн между частотами резонансного поглощения имеются

491

участки спектра со сравнительно малыми коэффициентами погло­ щения. Эти участки принято называть «окнами» прозрачности тро­ посферы. Они расположены в окрестности длин волн, указанных в табл. 17.1.

Следует, однако, иметь в виду, что на длинах волн, соответ­ ствующих «окнам» прозрачности, ослабление будет более значи­ тельным, чем ослабление радиоволн сантиметрового и более длин­ новолновых диапазонов. Необходимо отметить, что для кислорода теоретические значения коэффициента поглощения подтверждают­ ся экспериментальными данными, в то время как для паров воды они несколько расходятся с экспериментом. Поэтому эксперимен­ тально определенные значения суммарного коэффициента поглоще­ ния уа.п в 1,54-3 раза больше расчетных величин. Особенно большое отличие наблюдается на частотах резонансного поглощения. Даль­ нейшие исследования должны установить причину указанного не­ соответствия. Кривые рис. 17.1 были рассчитаны для атмосферы на уровне моря при нормальных условиях (летом в средних широтах), а именно: t = 20° С, р —760 мм рт. ст., влажность атмосферы р= = 7,5 г/мг. С высотой, как известно, изменяются температура атмо­ сферы и содержание газов и водяных паров. Поэтому с увеличением высоты над уровнем моря коэффициент поглощения радиоволн уменьшается:

уровне моря соответственно в кислороде и водяном паре, опреде­ ляемые, например, по кривым рис. 17.1.

Выражение (17.5) справедливо для сантиметрового и милли­ метрового диапазонов радиоволн за исключением областей резо­

нанса.

В верхней части инфракрасного диапазона электромагнитных волн (20-4-1000 мкм) поглощение определяется в основном кислоро­ дом и водяными парами. На рис. 17.2 приведена кривая зависимо­ сти коэффициента поглощения для этого диапазона волн [67]. В ди­ апазоне ?.= 104-70 мкм вследствие сильной осцилляции у'а.п пред­ ставлены только огибающие максимумов (пунктирная кривая) и минимумов коэффициента поглощения.

Из рис. 17.2 следует, что в субмиллиметровом Диапазоне «окна» прозрачности располагаются в окрестности длин волн, указанных в табл. \72.

492

Гал^/км

В диапазоне длин волн О-г-20 мкм, кроме кислорода и водяного пара, радиоволны поглощают также озон 0 3 и углекислый газ С 0 2. Зависимость коэффициента поглощения в нормированном виде для этого диапазона волн представлена на рис. 17.3.

По этому рисунку можно установить «окна» прозрачности [68]. По рис. 17.3 можно также определить абсолютные значения коэф­

493

494

цей) во всех направлениях, к плотности мощности падающего пото­ ка энергии:

(17.6)

,ип

где

P s= j‘ l T 0r 2^ 2 .

б

Под 0а понимают отношение мощности Р я, поглощаемой объек­ том, к величине 1ІП:

(17.7)

Величины os, оа и 0o= 0s + 0a связаны с коэффициентом ослабле­ ния следующим соотношением:

N ,

У л ~ Ѵ д . р і - Ѵд. й = 4 , 3 4 3 . ІО 5 2 (Д г + а аі) —

где Ооі[см2\— эффективная площадь ослабления сферической ча­ стицы диаметром (1{ [см]; iV) — число частиц гидрометеоров в 1 см3.

Здесь предполагается, что частицы гидрометеообразований сфе­ рические. Если - ■ 1 С 1, то при отсутствии поглощения (е" = 0)

имеем формулу Релея:

порциональна четвертой степени длины волны. Формула Релея объясняет, почему цвет неба голубой. В самом деле, солнечный бе­ лый свет рассеивается молекулами и атомами воздуха, размеры которых меньше длин волн падающего света. При этом в соответ­ ствии с формулой Релея синие лучи о малой длиной волны рассеи­ ваются почти в 16 раз сильнее, чем более длинноволновые красные

Формулы (17.8) и (17.9) справедливы для сантиметрового диа­ пазона радиоволн в случае слабого дождя, тумана и облаков, ког­ да аг-^0,1 мм. Для капель умеренного и тем более сильного дождя,

снега, града неравенство —■ < 1 не соблюдается в диапазоне сан-

А

495

тішетровых и особенно миллиметровых волн. Поэтому расчеты не­ обходимо вести по точным формулам, полученным еше в 1908 г. в работе Ми [11]:

Здесь все величины аналогичны величинам формулы (15.6). Результаты расчетов уд для радиоволн сантиметрового и мил­

лиметрового диапазонов, распространяющихся в дождях интенсив­ ностью от 0,1 мм/ч (очень слабый моросящий дождь) до 100 мм/ч (ливень), представлены в виде кривых на рис. 17.4 [69].

Закон распределения размеров капель дождя взят такой же, как в главе 15, при температуре дождя 18° С. Следует отметить, что

Тд, о5/км

496