- •Министерство общего и профессионального образования российской федерации
- •Е. М. Калабанов в.И.Юдин
- •Учебное пособие Воронеж 2000
- •Введение
- •1. Рассеяния и поглощение электромагнитных волн отдельной частицей
- •Каноническое уравнение эллипсоида имеет вид
- •Значение параметров формулы Дебая
- •Значения комплексных показателей преломления
- •2. Однократное взаимодействие оптических и миллиметровых волн с ансамблем частиц
- •З.Ослабление электромагнитного излучения атмосферными образованиями
- •3.1. Затухание в воздухе
- •3.2. Затухание в дымках, облаках, туманах и пыли
- •3.3. Ослабляющие свойства дождей
- •Среднее по сезонам года значение Hi, определяется из соотношений [18]
- •Значения параметров м, m1 и b для различных метеостанций
- •3.4. Ослабляющие свойства снегопадов
- •Классификация снегопадов по водности
- •Коэффициенты ослабления в дожде и снеге на разных частотах
- •4. Методы оценки ослабления волн вдоль траектории распространения
- •4.1. Приземные трассы
- •4.2. Наклонные трассы
- •5. Энергетический расчет приземных и наклонных трасс связи
- •5.1. Ослабление оптического излучения на приземных трассах
- •Отношения коэффициентов ослабления в миллиметровом и оптическом диапазонах волн
- •5.2. Ослабление оптического излучения на наклонных трассах
- •5.3. Ослабление миллиметровых волн на приземных трассах
- •5.3.1. Расчеты затухания в воздухе
- •5.3.2 .Расчет затухания в туманах и пыли
- •Зависимости действительной ' и мнимой " частей диэлектрической проницаемости частиц от влажности q и температуры t, где 1 - ’; 2 - " ;
- •5.3.3. Расчет интерференционных замираний
- •5.3.4. Расчет оптимальной протяженности наземной трассы связи при наличии дождя
- •Оптимальные длины трасс связи для районов Подмосковья и Махинджаури
- •5.4. Ослабление миллиметровых волн на наклонных трассах
- •Станция Западно-Казахстанская:
- •3Ависимости ослабления в0 на вертикальных и наземных трассах от интенсивности дождей, где
- •- Вертикальная трасса; ------ - наземная трасса;
- •6. Рекомендации по уменьшению влияния атмосферы на энергетические характеристики канала
- •Список литературы
- •Оглавление
4.2. Наклонные трассы
Для волн оптического диапазона при оценках ослабления на наклонных трассах связи необходимо учитывать две особенности. Во-первых, зависимость плотности аэрозолей атмосферы от высоты над поверхностью Земли. Во-вторых, ослабление волн в облачных образованиях. По мере подъема над поверхностью Земли плотность аэрозолей уменьшается. Наиболее известной является модель распределения плотности аэрозолей по высоте, предложенная Эльтерманом на основании многочисленных измерений коэффициентов аэрозольного ослабления для различных высот [6]. Предполагается, что до высот Н = 5 км коэффициент ослабления однозначно связан с метеорологической дальностью видимости SМ, под которой понимают наибольшую дальность видимости днем темных предметов с угловыми размерами, большими 0,5°, проектирующихся на фоне неба у горизонта [25]. Для высот более 5 км убывание коэффициента ослабления считается не зависящим от SM. В [6] приведены результаты расчетов по модели Эльтермана при минимальной (sm = 2 км), максимальной (sm = 13 км) и средней (SM = 6 км) дальностях видимости для семи значений длин волн от 0,4 до 2,17 мкм. Там же рассчитаны дальности видимости sm = 5 км и sm = 23 км с учетом функции распределения частиц аэрозоля по размерам для континентальной дымки [1]. Приведенные выше модели не совсем точно отражают реальные свойства аэрозолей. Это касается прежде всего электродинамических свойств частиц аэрозоля. Указанный недостаток устранен в модели расчетов коэффициентов ослабления, предложенной в [26]. В основу модели положены данные о микрофизических свойствах континентального аэрозоля, полученные в результате многочисленных измерений в разных районах СНГ. Опираясь на экспериментальный материал, авторы выбрали высотный профиль концентрации частиц аэрозоля. Результаты расчетов аэрозольных коэффициентов ослабления и рассеяния для высот от 5 до 100 км и длин волн 0,6943; 1,06; 2,36 и 10,6 мкм приведены также в [6], [26], где построены зависимости коэффициента ослабления от высоты для трех значений длин волн (рис. 7). Четко просматриваются три слоя повышенного ослабления, соответствующие высотам 6; 10 и 18 км.
Во многих практических применениях необходимо знать ослабление в аэрозолях атмосферы на высотах до 5 км, В этих случаях применяется экспоненциальное убывание концентрации частиц аэрозоля с высотой. Расчет коэффициента ослабления приводится по соотношению 7
(86)
где βо - коэффициент ослабления на земной поверхности; Н - высота; На - эмпирический коэффициент, определяемый из (86) при Н = 5 км,
(87)
где β5; - коэффициент ослабления на высоте Н = 5 км.
Подставив (87) в (86) и проведя интегрирование по Н, полчим значение ослабления на вертикальной трассе распространения волн
(88)
На наклонной трассе длиной L ослабление будет определяться выражением
(89)
где - угол наклона трассы к горизонту.
Рис. 7. Зависимости коэффициента ослабления аэрозолей атмосферы от высоты:
——— - = 0,6943 мкм;
- - - - - - = 1,06 мкм;
— • — - = 10,6 мкм
Значительный вклад в ослабление волн оптического диапазона на наклонных трассах вносят облака, ослабление в которых определяется электрофизическими параметрами частиц и их распределением по размерам. Характерно, что такой параметр, как водность, мало помогает при определении величины ослабления. Более важными параметрами здесь являются размеры частиц, функции распределения их по размерам и концентрация. Это связано с тем, что в отличие от миллиметрового диапазона волн, где затухание в основном вызвано поглощением, в оптическом диапазоне волн ослабление преимущественно определяется рассеивающими свойствами частиц. Существует множество физических и математических моделей облаков. Наиболее типичные из них представлены в работах [6] и [1], где разброс частиц по размерам задается гамма-распределением.
Для моделей капельно-жидких водяных облаков и дымок, представленных в [1], на рис. 8 приведена зависимость коэффициента ослабления от длины волны в пределах спектральной области 0,616,6 мкм. Кривые на рис. 8 построены по результатам исследований [1]. Для данной концентрации водяных капель (N=100 см-3) семейство кривых демонстрирует изменение коэффициента ослабления на несколько порядков. Это является следствием изменения только размеров частиц и характера размерного распределения. Нижняя прямая β0(0) соответствует случаю непоглощающего молекулярного воздуха на уровне
Рис. 8. Зависимости коэффициентов ослабления от длины волны для различных моделей распределения частиц по размерам:
1 - модель облака С1; 2 - модель облака С2;
3 - модель облака СЗ; 4 - модель дымки М;
5 - модель дымки Н; 6 - модель дымки L;
7 - коэффициент ослабления воздуха β0 на высоте Н = 0 км
моря и спектральной зависимости в рэлеевском приближении (-4 ). Значения коэффициента ослабления для моделей облаков и дымок различаются на несколько порядков. Подобный разрыв является следствием резкого изменения размеров и модального радиуса частиц при переходе от одного вида распределения к другому. Когда для данной модели суммарная концентрация умножается на какое-то число, соответствующая кривая ослабления на рис. 8 сдвигастся вверх без изменения формы.
При оценках ослабления волн миллиметрового диапазона на наклонных трассах так же, как и для оптического излучения, необходимо учитывать ослабление в облаках и осадках. Оценку ослабления в дождях целесообразно проводить по формуле (55). Характеристики ослабления в облаках можно определить на основе метеонаблюдений для определенного района расположения трассы. Например, для районов Арктики можно использовать данные табл. 6. При этом необходимо использовать соотношение между метеорологической дальностью видимости Sm и водностью облаков.