7.1.4. Влияние рефракции радиоволн и оптического излучения на связь

Рефракцией называется изменение направления распространения плоской электромагнитной волны в неоднородной среде, в частности в тропосфере. В терминах геометрической оптики рефракция – это искривление траектории луча. Допустим, ε тропосферы монотонно убывает с высотой. Тогда тропосферу приближенно можно разбить на слои (рис.7.6), в пределах которых ε постоянна и изменяется скачком при переходе к другому (соседнему) слою на величину Δε (h) равную

Рис.7.5. Ослабление излучения в гидрометеорах

Рассмотрим равносторонний треугольник с основанием АВ и вершиной в т. О^΄ (рис.7.6). Из этого треугольника найдем ,а из треугольника АВС величину стороны АВ

.

Из закона преломления , учитывая малость, получим. Таким образом, для радиуса кривизны траектории луча найдем

где

вертикальный градиент диэлектрической проницаемости воздуха,

< 0.

При φ=90º (луч идёт вдоль земной поверхности) и линейном законе изменения ε с высотой траектория луча совпадает с дугой окружности радиуса ρ.

Вводится эквивалентный радиус Земли. Предполагается, что разность кривизны земной поверхности и кривизны траектории луча равна разности эквивалентной кривизны Земли и кривизны прямолинейного луча. где g_N – вертикальный градиент показателя преломления воздуха.

Таким образом, введение эквивалентного радиуса Земли сводит задачу о рассмотрении электромагнитной волны в неоднородной атмосфере по криволинейной траектории к прямолинейному распространению волны над сферической земной поверхностью с радиусом равным а_э .

где g_N – вертикальный градиент показателя преломления воздуха.

Рефракция называется положительной, если g_ε < 0 и при распространении волна поворачивает в сторону земной поверхности, и – отрицательной, если g _ε > 0 и волна удаляется от поверхности. При критической рефракции (g_ε= – 31,4·10^-8 [1/м]) луч света совпадает с окружностью, при сверхрефракции (g _ε< – 31,4·10^-8 [1/м]).луч света возвращается к земле. В земной атмосфере реализуется нормальная рефракция (g _ε= – 8·10^-8 [1/м]).

Вертикальные неоднородности тропосферы приводят к ошибкам следующего рода:

– к рефракционным ошибкам в РТС и РОС связи, (рис.7.8),

– к ошибкам определения углов места и дальности цели,

– к интерференционным замираниям на радиорелейных линиях связи,

– к уменьшению или увеличению дифракционного ослабления при отсутствии прямой видимости между пунктами связи.

Рис.7.6. Изображение хода оптического луча в атмосфере с учетом рефракции

Здесь φ –угол падения луча на уровне поверхности Земли, а- радиус Земли, ρ – радиус кривизны траектории луча, h – высота над поверхностью Земли, ─ толщина элементарного слоя,

ε, ε + Δε – значения диэлектрической проницаемости атмосферы в соседних слоях.

(7.8)

Вследствие рефракции максимум излучения антенны смещается от оптической линии связи, т.е. в приёмную антенну попадает боковое излучение передающей антенны, которое принимается приёмной антенной также боковыми лепестками диаграммы. Изза этого происходит уменьшение уровня принятого сигнала.

Рис.7.7. Виды рефракции

Рис.7.8. Влияние рефракции на связь

То же самое относится и к оптической рефракции. Однако, в связи с тем, что влажность воздуха не влияет на распространение света, рефракция света в тропосфере меньше по абсолютной величине рефракции радиоволн при прочих равных условиях.