ЭД и РРВ (ЛК 9)

ВЛИЯНИЕ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ПРОЦЕСCОВ В ТРОПОСФЕРЕ

НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗЕМНЫХ ВОЛН

• многолучевость как результат флуктуационных процессов

в тропосфере;

• замирания сигналов при тропосферном распространении радиоволн;

• виды замираний радиосигнала в реальных условиях распространения;

• сезонные изменения уровня сигнала при тропосферном распространении;

• поглощение радиоволн в тропосфере.

Многолучевость как результат флуктуационных процессов

в тропосфере

Вертикальный индекс преломления подвержен непрерывным изме­нениям (флуктуациям) из-за неоднородностей тропосферы, что влечет за собой изменение напряжен­ности поля в месте приема. Это приводит к мед­ленным колебаниям уровня поля в месте приема, связанным с вариациями метеорологических условий. Встречаю­щиеся на пути электромагнитных лучей локальные неоднородности тропосферы влияют на скорость распространения, а следовательно, и на результирующую разность фаз интерферирую­щих лучей. Флуктуации фаз приводят к флуктуациям ре­зультирующего поля, т. е. к появлению замираний.

Многолучевость как результат флуктуационных процессов

в тропосфере

Неоднородности могут быть самой различной формы, размеров и ориентировки. Достаточно про­тяженные неоднородности по­рождают правильные (псевдо­зеркальные) отражения ра­диоволн (М, N и Р), а мелкие неоднородно­сти Q вызывают рассеяние радиоволн. Мно­жество быстро перемещаю­щихся и меняющих свою фор­му слоистых неоднородностей вызывают многолучевость, и как следствие, интерференцию ра­диоволн в точке В, а следовательно, и за­мирания, периодичность которых изменяется непрерывно.

Многолучевость как результат флуктуационных процессов

в тропосфере

Различают дискретную и непрерывную многолучевость. В первом случае в пункт приема попадает ограниченное число лучей, например два. Обыч­но длины путей, проходимые отдельными лучами, различны.

При непрерывной многолучевости в пункт приема попадает бесконечное множество лучей.

Замирания сигналов при тропосферном распространении

радиоволн

Характерной особенностью даль­него распространения УКВ за счет рассеяния в тропосфере являет­ся подверженность принимаемых сигналов замираниям, т. е. не­прерывным и беспорядочным колебаниям напряженности поля в месте приема. Другими словами, замирания ― это не­прерывные быстрые колебания уровня принимаемого сигнала, с длительностью порядка минут, секунд и даже долей секунд, кото­рые представляют собой искажения.

Случайные изменения среднего уровня обусловлены при тро­посферном распространении метеорологическими причинами — таки­ми, как изменение интенсивности флуктуации, изменение условий турбулентного перемешивания, прохождение фронтов, изменение температурного режима тропосферы и т. д.

Наличие замираний вынуждает вводить специальные опре­деления для характеристики среднего уровня принимаемого сиг­нала и степени отклонения мгновенных значений уровня от указан­ного среднего значения. Наиболее распространенным является вы­ражение среднего уровня в медианных значениях напряженности поля.

Замирания сигналов при тропосферном распространении

радиоволн

Предположим, что сигнал принимается в течение времени Т, причем изменения напряженности поля во времени пред­ставляются сплошной линией.

Для нахождения медианного значения напряженности поля необходимо провести прямую, параллель­ную оси абсцисс, на таком уровне, чтобы сумма промежутков вре­мени, в течение которых фактическое значение поля превышает указанный уровень, была равна сумме промежутков, в течение которых фактические значения меньше этого уровня.

Замирания сигналов при тропосферном распространении

радиоволн

Важными характеристиками замираний являются средняя ча­стота (иначе, среднее число замираний в минуту или в секунду) и глубина замираний. Частоту замираний обычно определяют по числу пересечений медианного уровня, разделенному на 2. Глубину замираний можно оценить только весьма условно. Прежде всего, нельзя под глубиной замираний понимать отношение максимального к минимальному зна­чению напряженности поля за время Т, так как отдельные пики могут достигнуть весьма больших значений. С другой стороны, глубокие минимумы маски­руются шумовым фоном. Поэтому обычно под глубиной замира­ний понимают разность (), выраженную в дБ. Согласно такому определению, по графику, следует установить уровень, превышаемый, скажем, в течение 10% времени и выра­женный в дБ по отношению к 1 мкв/м (), и уровень, превышае­мый в течение 90% времени, в тех же единицах (). Разность этих величин в дБ и будет характеризовать глубину замираний.

Виды замираний радиосигнала

в реальных условиях распространения

1) Рефракционные замирания из-за экранирующего влияния препятствий;

2) рефракционные замирания интерференционного типа;

3) интерференционные замирания из-за отражений от слоистых неоднородностей тропосферы;

4) замирания из-за экранирующего влияния слоистых неоднородностей тропосферы;

5) замирания из-за поглощения в газах;

6) замирания из-за ослабления радиосигналов гидрометеорами;

7) замирания из-за деполяризации радиоволн. Деполяризация радиоволн в тропосфере проявляется в возникновении ортогональной составляющей поля и наблюдается в интенсивных осадках на частотах выше 10 ГГц. Основными причинами деполяризации радиоволн в осадках являются наклонное падение частиц и отличие их формы от сферической. Деполяризация носит случайный характер из-за изменения ветрового режима и интенсивности осадков.

Сезонные изменения уровня сигнала при

тропосферном распространении

Влияние времени года на условия распростра­нения за счет рассеяния в тропосфере проявляется в том, что на трассах, расположенных в северном полушарии, уровень сигнала в летние месяцы выше, чем в зимние. В средних широтах сезон­ные изменения уровня сигнала достигают значений порядка 10 — 12 дБ.

На верхнем графике плавная кривая показывает изменение среднего уровня напряженности за трехлетний промежуток времени на частоте 104,5 МГц на трассе протяженно­стью 282 км. На нижнем графике показано изменение средне­го значения индекса преломления у поверхности Земли на се­редине трассы за тот же срок.

Поглощение радиоволн в тропосфере

При распространении радиоволн в тропосфере ослабление напряженности поля испытывают только радиоволны дециметрового и более коротковолновых диапазонов. Ослабление напряженности поля радиоволн связано с частичным преобразованием электромагнитной энергии в другие виды энергии и с рассеянием. Основной причиной поглощения радиоволн в тропосфере является наличие капель воды, присутствующих здесь в виде тумана или дождя.

Поле проходящей радиоволны наводит в каж­дой капле ток поляризации, который, во-первых, вызывает тепловые потери в воде капли и, во-вторых, является источником вторичного излучения, что приводит к рассеянию энергии радиоволны. Затухание возрастает с уменьшением длины волны и увеличением размера капель и интенсивности осадков.

Миллиметровые волны испы­тывают также добавочное поглощение в молекулах водяного пара и кислорода. Это поглощение связано с тем, что молекулы обладают постоянными элек­трическими моментами, а молекулы , ­— магнитными моментами.

Поглощение радиоволн в тропосфере

Для учета влияния ослабления в формулы, выражающие зависимости ам­плитуды напряженности поля от расстояния, вводится экспоненциальный множи­тель

, мВ/м

где — напряженность поля без учета поглощения; — коэффициент погло­щения радиоволн в тропосфере; — расстояние между передающей и приемной антенной.

Коэффициент погло­щения радиоволн в тропосфере