Тема №2. Ррв в тропосфере.
Рассмотрим, как распространяются волны в тропосфере.
Все погодные условия определяются эффектами, которые происходят в тропосфере.
Тропосфера от 12 до 60 км над Землей.
. Общие сведения о тропосфере. Понятие нормальной тропосферы и
эффекты РРВ в ней.
Пунктиром изображено значение показателя преломления. Мы считаем его примерно равным единице. (2) Он изменяется с высотой, но по линейному закону.
Давление паров Pe также меняется, но относительно линейно.
Рис. 1
Мы знаем, что:
Эффекты, происходящие с радиоволнами при распространении в тропосфере:
Рефракция.- пример рефракции: 1. миражи в пустыне – рефракция в оптическом диапазоне волн. 2. Асфальт при жаре как будто движется.
Рефракция имеет как негативные, так и позитивные моменты.
Ослабление энергии РВ. – Облачность, туман.
Отражение РВ от гидрометеообразований. - Потому что волны рассеиваются на каплях воды и теряеся соотношение сигнал/шум.
Рассеяние РВ на неоднородностях тропосферы. – В тропосфере существуют неоднородности, связанные с концентрацией всевозможных газов, с их движением. На этих неоднородностях будет так же рассеиваться Э.М. волна. Это приводит с одной стороны к уменьшению отношения сигнал/шум. С другой стороны мы можем использовать эти неоднородности для увеличения дальности радиосвязи.
Запишем дальность радиолокации и дальность радиосвязи:
(3)
(4)
Флуктуации показателя преломления в тропосфере очень небольшие и они вытекают из флуктуаций диэлектрической проницаемости:
n = 1,00026…1,00046;
На высотах для нормальной тропосферы: H = 8…10км, n = 1,00011.
С высотой диэлектрическая проницаемость меняется. И это изменение приводит к искривлению луча в пространстве – к рефракции.
Чтобы посчитать это выделяют области в тропосфере с условии, что в пределах области показатель преломления постоянен. Так называемая модель плоскослоистой тропосферы. Далее пользуемся законами геометрической оптики(3 закон Снелиуса).
Получается, что 4 слой более плотной. А при падении луча на с более плотного слоя на менее плотный происходит его искривление. Таким образом от слоя к слою происходит искривление траектории луча.
А если происходит искривление луча, то должно быть и уравнение луча. Запишем уравнение из несложных геометрических соображений.
Рассмотрим модель распространения волны на Рис.3. Все, что с индексом «0» - это параметры, которые считаются более-менее постоянными на малой высоте у поверхности Земли. А на высоте Hугол тэта и показатель преломления меняются.
Рис. 3
Уравнение траектории луча будет определяться:
;(5)
Остается выяснить, хорошо это или плохо.
С одной стороны искревление луча – это хорошо, потому что раз луч искривляется, то дальность радиосвязи будет больше, чем радиус прямой видимости.
С другой стороны раз он искривляется, то направление на объект (Рис.7, например) будет уже ошибочным. В итоге получается ошибка в измерении дальности и в измерении угла. Эти вещи нужно учитывать.
Представим модель земной поверхности в роли плоской поверхности, а не сферической, т.е. устремим радиус Земли к бесконечности:
Уравнение 6 – это уравнение траектории луча для идеально плоской поверхности Земли.
Также
нас интересует радиус кривизны луча 
:
Посчитав радиус кривизны луча мы получаем несколько кривых, которые отражены на Рис.5.
-
<0
– отрицательная рефракция.
-
>4Rз
– пониженная рефракция
-
=0
– отсутствие рефракции
-
=4Rз
– нормальная тропосферная рефракция
– присутствует практически постоянно.
-
<4Rз
– повышенная рефракция
-
=Rз
– рефракция критическая
-
<Rз
– сверхрефракция – распространение
радиоволн осуществляется путем
многократного отражения от поверхности.
(Пример про пустыню – сверхрефракция
в оптическом диапазоне волн). Сверхрефракция
характерна в приморских районах, когда
начинается прогреваться земная
поверхность. Когда нагревается земная
поверхность – сверхрефракция исчезает.
Рис. 5
Как учитывать нормальную тропосферную рефракцию в аппаратуре? Нужно выпрямить луч.
Для того чтобы выпрямить луч, следует выпрямить Землю, увеличив искусственный радиус Земли в технике. Rзэ=8470 км.
Так устраняются ошибки в угле при нормальной тропосферной рефракции.
Учтем это в дальности прямой видимости. Подставим вместо Rз.
13 – формула для дальности прямой видимости с учетом радиогоризонта.
За счет нормальной тропосферной рефракции увеличивается дальность обнаружения.
Приведенный
показатель преломления N:
NНеудобен для расчетов, т.к. очень мал
Индекс рефракции:
У поверхности земли М = 240…460. Индекс рефракции более удобен для расчетов.
Рис. 7 – недостатки и достоинства нормальной тропосферной рефракции
Ошибки в измерении угла
Выражения для дальности прямой видимости с учетом геометрического горизонта и радиогоризонта:
Ослабление энергии радиоволн тропосферой и его учет в радиолокации и радиосвязи.
Кроме рефракции в атомсфере Э.М. волна подвергается поглощению и рассеянью.