Что такое рефракция радиоволн в тропосфере земли
Явление рефракции радиоволн в тропосфере связано с изменением диэлектрической проницаемости тропосферы, следовательно, с изменением коэффициента преломления радиоволн n с высотой.
Плавное уменьшение температуры, влажности и давления с высотой приводит к постепенному уменьшению величины коэффициента преломления. Это обстоятельство вызывает искривление траекторий распространяющихся радиоволн в тропосфере (явление рефракции).
У поверхности Земли значение n мало отличается от единицы и в разных метеорологических и климатических условиях может принимать значения, находящиеся в пределах 1,00026 – 1,00046.
С другой стороны, начиная с высоты 8 и до 10 км коэффициент преломления постоянен и равен 1,00011. Таким образом, все сложные явления рефракции в тропосфере происходят за счет незначительного изменения с высотой коэффициента преломления (в четвертом и пятом знаках после единицы).
В практических расчетах использовать показатель преломления радиоволн nнеудобно, поэтому введем в рассмотрение N –.индекс преломления. Он связан с коэффициентом преломления соотношением
В свою очередь, индекс преломления N связан с метеопараметрами тропосферы соотношением:
N= 
(р + 
),(6.2)
где р – в мбар.
Параметрами, которыми характеризуют рефракцию радиоволн в тропосфере являются: индекс преломления N, индекс рефракции M, радиус кривизны луча и эквивалентный радиус Земли.
Так графическое представление индекса преломления показано на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 – Зависимость изменения индекса преломления от высоты
для широты г. Севастополя
Можно показать, что радиус кривизны луча в нижних слоях тропосферы определяется не абсолютным значением коэффициента преломления, а быстротой его изменения с высотой, т. е. градиентом
R= 
= 
(6.3)
где N – индекс преломления.
R = 
= 25000 км.
Знак минус в (6.3) означает, что радиус кривизны будет положительным, т.е. траектория луча обращена выпуклостью вверх только в случае уменьшения величины n с высотой.
Рефракция, имеющая место в нормальной тропосфере, получила название нормальной, или положительной рефракции.
Под нормальной (стандартной) тропосферой будем понимать тропосферу, у которой удельная влажность воздуха, т. е. отношение плотности водяного пара к плотности воздуха не меняется с высотой, а температура воздуха убывает пропорционально высоте. Траектория луча при нормальной рефракции показана на рисунке 6.2,a
Рисунок 6.2 – Рефракция радиоволн в тропосфере
а – ход радиолучей при пониженной, нормальной и повышенной рефракции
б – ход радиолучей при критической и сверхрефракции
С учетом рефракции радиоволн в тропосфере дальность действия радиолиний, работающих в УКВ, может быть определена по формулам
(6.4)
(6.5)
где Кр – коэффициент рефракции (радиолокационной наблюдаемости).
Радиолокационная наблюдаемость зависит от метеоусловий, времени года и др. и принимает значения:
для пониженной рефракции – 0,77;
для нормальной рефракции – 1,0;
для повышенной рефракции – 1,34;
для сверхрефракции – 2,53.
Если метеоусловия сложились так, что индекс преломления N не уменьшается, как обычно, с высотой, а возрастает
то радиоволны удаляются от поверхности Земли, а дальность радиовидимости соответственно уменьшается (рис. 6.2, а) и становятся меньше геометрической, см. выражение (5.10). Это возможно, например, при переносе масс холодного воздуха с берега на более теплое море или во время снегопада. Такая рефракция получила название отрицательной, или пониженной.
Нормальная рефракция возникает обычно в облачную погоду. Такое состояние атмосферы наиболее часто встречается в средних и высоких широтах. При нормальной рефракции дальность действия УКВ-радиолинии по сравнению с вычисленной по формуле (5.10) оказывается в 1,3 раза больше.
Отметим, что повышенная рефракция наблюдается при распространении радиоволн в жаркую солнечную погоду над теплым морем.
Особый интерес представляют случаи критической рефракции и сверхрефракции. В первом случае радиус кривизны луча становится равным кривизне земного шара, т. е. Rз = 6370 км.
Отсюда, используя выражение (6.3), определим значение градиента индекса преломления, при котором наступает критическая рефракция
= ̶ 
= ̶ 
= ̶ 0,157 
(6.6)
На практике критическая рефракция наблюдается при обычных градиентах влажности, т. е. влажность убывает с высотой так же, как и при нормальной рефракции, а температура меняется медленнее, или при инверсии температуры, когда температура тропосферы возрастает с высотой. Инверсия температуры бывает в хорошую ясную погоду, после захода солнца, когда нижний слой воздуха, примыкающий к поверхности Земли, успевает охладиться, в то время как более высокие слои остаются еще теплыми. Дальность работы радиосредств при критической рефракции больше, чем при повышенной (рис. 6.2, б).
Сверхрефракция или волноводное распространение радиоволн (рис.6.2, б) наблюдается тогда, когда с высотой температура убывает значительно медленнее, а влажность – значительно быстрее, чем при нормальной рефракции. Такая ситуация складывается, например, над морем. В течение целых суток воздух у поверхности моря оказывается более холодным по сравнению с воздухом высокорасположенных слоев. Над морем сверхрефракция наблюдается и тогда, когда с суши после полудня дуют теплые ветры. При этом нижние слои воздуха к вечеру оказываются более увлажненными и охлажденными по сравнению с верхними слоями. Дальность действия радиосредств при сверхрефракции может значительно возрасти благодаря тому, что распространение здесь происходит вдоль тропосферного волновода, подробнее о морских тропосферных волноводах будет сказано ниже.
Явление рефракции необходимо учитывать на практике. Так в радиолокации рефракция электромагнитных волн, сопровождаемая искривлением пути, вызывает дополнительное временное запаздывание радиоволн, что приводит к возникновению ошибок по дальностиRиувеличению (уменьшению) значений угла места цели, т. е. к ошибкам Ɛ. Соответствующие графики ошибок приведены на рисунках 6.3, 6.4.
Рисунок 6.3 – Ошибки тропосферной рефракции по дальности
Рисунок 6.4 – Ошибки тропосферной рефракции по углу места
Из графиков видно, что ошибки R и Ɛ увеличиваются по мере уменьшения угла наблюдения за целью, т. е. угла Ɛ, под которым радиоволны распространяются в тропосфере. Так, эти ошибки максимальны за счет рефракции радиоволн в тропосфере при работе РЛС по низколетяшим самолетам, ракетам, надводным кораблям.
Taк, при наблюдении цели, находящейся под углом 0,2°, т. е. 12 угл. мин., на дистанции 30 км, что соответствует высоте полета около 105м, угловая ошибка за счет рефракции может составить до 3′ (рис. 6.4). Это означает, как видно на рисунке 6.5, завышение оценки высоты полета цели на 26 метров.
Рисунок 6.5 – Ошибка определения высоты полета цели 
Н
Что такое рефракция радиоволн в тропосфере земли
§ 3.6. Рефракция радиоволн в тропосфере. Эквивалентный радиус земного шара
Отличие коэффициента преломления тропосферы от единицы и изменение его с высотой существенно влияют на распространение радиоволн, особенно УКВ диапазона.
Траектория волны в сферической слоистой среде
Разобьем мысленно тропосферу на тонкие сферические слои, в пределах каждого из которых коэффициент преломления будем считать неизменным (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Рефракция радиоволн в сферической слоистой тропосфере
Пусть из точки А излучается волна, падающая под углом θ0 на границу раздела слоев в точке В. При переходе во второй слой происходит преломление волны, причем, если коэффициент преломления убывает с высотой, угол преломления ψ1 оказывается больше угла падения θ0. На границе раздела второго, третьего и всех следующих слоев также происходит преломление радиоволны. В результате этого волна движется по траектории, имеющей вид ломаной линии ABCD. Если толщину слоев уменьшить и перейти к плавному изменению коэффициента преломления, то ломаная ABCD в пределе будет стремиться к некоторой кривой. Таким образом, при прохождении волны в неоднородной среде ее траектория искривляется. Это явление носит название рефракции. При рассмотрении тропосферы как слоистой среды траекторию волны можно определить из треугольника ВОС, в котором
где на основании закона преломления
Преобразуя выражение (3.18), получим уравнение траектории волны в сферической слоистой тропосфере:
Чем больше величина Δn, тем больше угол θ1 отличается от угла θ0 и тем больше траектория отходит от прямолинейной.
то такая рефракция называется нормальной тропосферной рефракцией.
Влияние тропосферной рефракции на распространение радиоволн необходимо учитывать при рассмотрении сравнительно протяженных трасс, на которых сказывается влияние кривизны земной поверхности.
Перечислим основные случаи применения эквивалентного радиуса Земли:
1. Определение расстояния прямой видимости с учетом рефракции. Без учета рефракции расстояние прямой видимости определяется формулой (2.2). Учесть влияние рефракции можно, заменив в выражении (2.2) величину R0 на kR0:
В условиях нормальной рефракции k = 4 /3 и
т. е. при нормальной тропосферной рефракции расстояние прямой видимости возрастает на 15%.
2. Определение напряженности поля при использовании интерференционных формул с учетом сферичности Земли.
Приближенно влияние тропосферной рефракции на напряженность поля можно учесть при условии применимости формулы Введенского (2.29), подставляя в формулу приведенных высот (2.31) значение эквивалентного радиуса Земли:
При нормальной рефракции h’ > h, следовательно, напряженность поля возрастает.
3. Определение напряженности поля в зоне дифракции с учетом рефракции, что также приводит к увеличению напряженности поля в соответствии с формулами (2.65).
При изменении метеорологических условий происходит изменение величины dn/dh, вызывающее колебания напряженности поля. Помимо изменения силы сигнала, изменяются углы прихода радиоволн, что при узких диаграммах направленности может привести к ослаблению силы приема или перерыву связи.
Явления влияющие на прохождение радиоволн
Могут возникать условия, когда искривление волны в сторону земли будет сильнее, чем обычно, это повышенная положительная рефракция. При возрастании e траектория изменится, волна отклоняется от земной поверхности. Такой случай называют отрицательной рефракцией. Все эти явления приводят к тому, что при многократном отражении радиоволн от отражающего слоя и земли, корреспонденты имеющие одинаковую мощность передатчиков и одинаковые антенны, имеют разную оценку силы приходящего сигнала. В большей мере это проявляется при проведении радиосвязи в направлениях север-юг или юг-север.
Изменение атмосферной рефракции происходит медленно. Явление атмосферной рефракции характерно не только для радиоволн, но и для световых лучей. Благодаря рефракции человек, стоящий на берегу моря, может видеть диск Солнца, находящийся за горизонтом.
Интерференция (наложение) радиоволн. Одна волна-прямая, распространяется по кратчайшему пути, другая проходит более длинный путь отражаясь от земли или больших предметов. Результирующая напряженность поля определяется разностью фаз этих волн и может оказаться либо больше, либо меньше напряженности поля каждой волны.
Для устранения интерференции, для данной частоты можно передвинуть антенну дальше или ближе к передающей станции или изменить высоту. Это справедливо лишь при условии прямой видимости.
Для диапазонов KB экспериментально установлено, что для трасс протяженностью 1500 км. наиболее вероятные углы прихода радиоволн 20-30°, для трасс 2000 – 3000 км. в пределах 12-20°, для трасс 3000-5000 км. в пределах 3-18°, а для более длинных трасс в пределах 3-12°. Эти углы являются оптимальными и для передачи. Таким образом, для создания оптимальных условий связи максимум вертикальной диаграммы направленности антенны, используемой для связи за счет отражения от ионосферы должен быть направлен на отражающий слой и менять свой наклон при изменении высоты этого стоя. Это можно реализовать, применяя двухэтажную синфазную решетку из двух антенн с управляемой диаграммой направленности в вертикальной плоскости.
Управление диаграммой направленности осуществляется фазовращателем в тракте запитка одной из антенн. При применении одной направленной антенны ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости должна быть порядка 30-40° с прижатым к земле лепестком. Отражающей слой ионосферы находится в постоянном движении при более узкой диаграмме направленности в вертикальной плоскости сигнал подвержен большим замираниям, так как при изменении высоты отражающего слоя отраженный от ионосферы луч сканирует по земле, изменяется напряженность поля в месте приема, и мы наблюдаем глубокие замирания сигнала
Распространение радиоволн (стр. 3 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 |
.
Изменение напряженности поля волны при отражении от сферической поверхности можно рассчитать, используя следующие замены в интерференционных формулах для плоской Земли:
12. Распространение радиоволн в тропосфере
— pc(h = 0) = pc0 = 1013 мбар (1 бар=105 Па, 1 мм рт. ст. = 1,333 бар),
— e(h=0) = 10 мбар, e(h) =,0035h[м],
Коэффициент преломления n в тропосфере обычно определяется с помощью полуэмпирической формулы
, (12.1)
Локальные изменения давления, а также температурные инверсии приводят к колебаниям коэффициента преломления вблизи земной поверхности n = 1,00026 ¸ 1,00046. Выше 10 км полагают n = Const = 1,00011.
В силу поляризуемости молекул воздуха диэлектрическая проницаемость e (следовательно, и n) зависит и от частоты распространяющейся радиоволны, но этот эффект заметен лишь для волн c l 0, т. е. траектория радиолуча обращена выпуклостью вверх. Различают следующие частные случаи:
б) повышенная рефракция (рис. 12.4в): 
, 
, 8500 км > длины волны, которая может быть им захвачена. Максимальная длина волны, которая еще может быть захвачена волноводом с вертикальным размером h0, определяется соотношением /1/
lmax = 
, м.
Например, над поверхностью моря 
» 0,1, тогда lmax » 8,5×10-4h03/2 и предельные длины захватываемых волн для некоторых h0 следующие:
Необходимая для сверхрефракции температурная инверсия может одновременно иметь место как в приземном слое, так и в слоях на некоторой высоте, и тогда возникают условия возникновения приподнятого волновода, в котором захваченная волна распространяется, отражаясь от верхнего и нижнего инверсионных слоев. Возможно одновременное существование и приземного, и приподнятого волноводов. Исследования показывают, что приподнятые инверсионные слои появляются на высотах от 5 до 3000 м. Толщина таких слоев от нескольких м до 100 м. Перепад Dn составляет » 5×10-5. В таких условиях коэффициент отражения имеет достаточную величину только для самых пологих волн (обычно угол возвышения луча не должен превышать 0,50) и при малой толщине слоя в масштабах l. Путем отражения от таких слоев возможно распространение радиоволн на расстояния до км. Регулярная связь невозможна ввиду непостоянства слоев. Часто возникают условия многолучевого распространения, когда в точку приема приходят волны, отраженные от верхнего слоя, а также отраженные от нижнего слоя или от земной поверхности. Поскольку атмосферные слои движутся, длина пути интерференционных лучей будет непрерывно меняться, что приводит к быстрым колебаниям напряжённости принимаемого сигнала.
12.4. Флуктуации радиосигнала и многолучевость распространения
1) определённые изменения во времени свойств среды распространения;
2) многолучевость в процессе распространения.
.
Пример диффузной многолучёвости. Пусть случайные неоднородности коэффициента преломления n перемещаются ветром поперек трассы (рис. 12.6). В результате, на пути АВ радиоволны оказываются все новые и новые неоднородности n различной конфигурации. Поскольку в тропосфере величина случайных флуктуаций Dn » (1 ¸ 2)10-6, на амплитуду принимаемого сигнала они существенно не влияют, однако может заметно изменяться фаза сигнала
, (12.9)
Методы борьбы с замираниями сигнала, обусловленными многолучевостью:
1) пространственный разнос, т. е. одновременный прием на две антенны, разнесённые перпендикулярно трассе на расстояние L = (70 ¸ 100)l,
2) частотный разнос, т. е. одновременный приём на двух частотах, разнесённых на Df. Теория и практика показывают, что Df должна отвечать соотношению 
(2 ¸ 5)×10-3.
12.5. Рассеяние УКВ на турбулентных неоднородностях
При достижении определенной скорости упорядоченное, ламинарное движение воздушных масс (при котором один слой газа движется относительно другого с определённой скоростью) нарушается, и возникает вихревое, турбулентное движение. О характере движения можно судить по величине числа Рейнольдса
, (12.10)
Если число Re больше некоторого критического значения Reкр, движение становится турбулентным. Основные закономерности такого движения известны благодаря работам Колмогорова и Обухова. Если в турбулизованной среде возникает вихрь масштаба l такого, что соответствующее ему число Re >> Reкр, то он неустойчив, быстро разрушается, и на его месте возникают вихри масштаба l’ Reкр, они также разрушаются и т. д. до тех пор, пока для некоторого масштаба l0 не получим 
> l, неоднородности действуют как оптическая линза: максимум переизлучения в направлении первоначального распространения, и чем больше отношение l / l, тем ýже диаграмма направленности. Однако рассеяние будет наблюдаться и по другим направлениям.
,
должна быть равна (кратна) l, откуда получаем связь между углом рассеяния q и минимальным размером рассеивающих неоднородностей l:
. (12.11)
Таким образом, рассеянный сигнал в точке приема формируется определенными масштабами турбулентных неоднородностей, т. е. рассеяние носит селективный характер. Для трасс, использующих тропосферное рассеяние, характерны следующие параметры:
— высота пересечения главных максимумов диаграмм направленности 3 ¸ 5 км, что обеспечивает связь на расстояниях до 900 км;
— мощность передатчика Р0 = 10 ¸ 100 кВт, ширина диаграмм направленности не более 10 (обеспечивается параболическими антеннами диаметром до 40 м), что обусловлено большими потерями энергии при рассеянии;
— рабочая полоса частот 300 ¸ 5000 МГц определяется как спектром наблюдающихся масштабов неоднородностей, так и тем, что на больших частотах сильно растут потери энергии, а на более низких требуются большие антенны.
Пример трассы тропосферного рассеяния (рис. 12.8). Пусть передающая (A) и приёмная (B) антенны направлены на горизонт, и высота пересечения главных максимумов диаграмм направленности над серединой трассы h = 5 км. Найдём угол рассеяния q, полагая RЗ = 6378 км. Из DOAC имеем 
Тогда q = 2DW = 4,540.
AC =
= 252,6 км, Dr = RЗ×DW = 6378×0,039584 = 252,46 км, следовательно, расстояние между концами трассы ÇAB = 2Dr » 505 км. Если предположить, что рассеяние эффективно на масштабах неоднородностей, не превышающих 10 м, то на данной трассе следует использовать радиоволны с l 380 МГц.
12.6. Полоса пропускания тропосферного канала
Рассеяние по своей природе многолучевый процесс, поэтому сигнал в точке приема будет флуктуировать, что ограничивает, например, полосу Df пропускания тропосферного канала. Оценим Df. Пусть точку приема достигают как лучи, рассеянные самой низкой точкой рассеивающего объема Vрасс (т. A), так и лучи от самой высокой точки рассеяния (т. B) (рис. 12.9). Между лучами, распространяющимися по этим крайним путям, существует разность хода Dr. Сдвиг фаз Dj на различных частотах для одного и того же пути будет различен. На несущей частоте f
,
.
Таким образом, в один и тот же момент времени на разных частотах напряженность полей волн складывается в разных фазах. Для минимизации искажений необходимо, чтобы разность
Образование слоя D (h =км) связывают с амбиполярной диффузией ионов из слоя E до высот, на которых постоянная времени рекомбинации еще достаточно велика. Ночью диффузия уменьшается, и слой D пропадает.
Слой E с высотой максимума ионизации » 120 км обязан своим существованием диссипации молекул O2 рентгеновским излучением и УФЛ Солнца. Суточный и сезонный ход NE
Слой F1 связан с ионизацией молекул N2, имеющей максимум на высотах h = 180 ¸ 240 км. Существует только летом и днем, NF
Слой F2 имеет максимум на высотах 250 ¸ 350 км, что соответствует максимуму ионизации атомарного кислорода O.
Степень ионизации ионосферных слоев испытывает четко выраженные регулярные суточные, сезонные и 11-летние вариации. Кроме регулярных процессов существует множество других (например, турбулентность), приводящих к случайным колебаниям степени ионизации, возникновению локальных неоднородностей электронной концентрации.
13.2. Преломление радиоволн в ионосфере
Так как масса электрона в 1836 раз меньше массы протона, основное влияние на распространение радиоволн в ионосфере оказывают электроны. На электрон в поле радиоволны действует переменное электрическое поле напряженностью
. (13.2)
Рассмотрим уравнение движения электрона
(13.4)
. (13.5)
Подставляя (13.5) в (13.4), получаем
,
следовательно, согласно (13.3),
.
Поскольку ток смещения имеет плотность 
, плотность результирующего тока
. (13.6)
Приравняв в (13.6) действительную и мнимую части, нетрудно получить
, 
. (13.7)
Частота столкновений электрона n = nen + nei (nen, nei – частоты столкновений с нейтральными частицами и с ионами соответственно). Для ионосферы характерны параметры, приведенные в табл. 13.1. Отметим, что концентрации нейтральных и заряженных частиц сравниваются на высотах 800 – 1000 км. Ниже 500 км n >> N, и можно полагать n »nen. В ионосферу проникают радиоволны короче СВ, т. е. с частотами f > 3 Мгц = 3×106 Гц. Из табл. 13.1 следует, что для таких радиоволн w2 = (2pf)2 >> n2, поэтому (13.7) можно упростить:
, 
. (13.8)
Тогда e¢ можно представить в виде
. (13.9)
Введённые в (13.9) параметры 
и 
называются плазменными частотами. Подставив значения e, me, e0, получаем 
. Таким образом, можно записать
. (13.10)