Файл: 177_____.doc

Полное молекулярное поглощение можно оценить с помощью формулы.

, (7.2)

где ,– поглощение в кислороде и парах воды у земной поверхности;h₁ ,h₂ – характеристические или эффективные высоты.

Эффективная высота – толщина идеализированной однородной атмосферы, поглощение в которой такое же, как в реальной неоднородной атмосфере. Установлено, что h₁ =5 км , h₂=2,1 км.

Фактором, ограничивающим дальность распространения лазерного излучения в чистой атмосфере, является его рассеяние на молекулах воздуха, как на частицах. Коэффициент рассеяния в атмосфере определяется по формуле.

(7.3)

где n – показатель преломления воздуха, N – число молекул в единице объёма, δ – фактор, учитывающий деполяризацию рассеянного излучения (δ ~ 0,035).

Легко видеть что коэффициент рассеяния сильно зависит от длины волны, поэтому в ИК диапазоне молекулярное рассеяние пренебрежимо мало по сравнению с рассеянием в видимом диапазоне.

Ослабление излучения лазера на волнах λ=1,06 мкм и λ=0,69 мкм в вертикальном столбе атмосферы составляет соответственно 0,7% и 3,9%, а на волне λ=0,3 мкм уже 70%. Однако, на коротких трассах молекулярное рассеяние можно не учитывать, поскольку оно гораздо меньше других видов потерь лазерного излучения в атмосфере.

Для большинства длин волн лазеров молекулярное поглощение и рассеяние не препятствуют распространению излучения. Суммарный коэффициент ослабления оказывается меньше 1 дБ/км.

7.1.2. Влияние аэрозолей, дымки, туманов и облаков на ослабление коротковолнового и оптического излучения

Пыль, содержащаяся в атмосфере, с концентрацией 10… 1000 част / см³ и размерами 0,5… 500 мкм не оказывает заметного влияния на распространение радиоволн и света в воздухе, за исключением областей с песчаными облаками и бурями или задымлением.

В воздухе имеются так называемые гидрометеоры (дымки, туманы, облака), образующиеся в результате конденсации и сублимации водяного пара, отличающиеся друг от друга размерами капель воды и концентрацией водяных паров. В дымках размер капель менее 1 мкм, в тумане – 10…100 мкм, в облаках дождевого типа 100…200 мкм.

Толщина слоя туманов составляет 200…300 м по высоте. Показатель преломления капель тумана является комплексной величиной, однако ослабление радиоизлучения составляет не больше десятых долей дБ/км (при λ > 1 см). В ИК и видимом диапазонах туманы вызывают существенное ослабление излучения.

Осадки. Капли дождя рассеивают радиоизлучение, кроме того имеются тепловые потери в них, это приводит к возникновению помех приёму сигналов. Ослабление радиоволн и света в снежных сухих гидрометеорах меньше, чем в дожде. Сильное поглощение вызывает мокрый снег.

Для характеристики рассеивающих и поглощающих свойств мороси, тумана, облаков вводится метеорологическая дальность видимости S_μ – расстояние, на котором человеческий глаз различает чёрный диск с угловым размером в 20' на фоне неба вблизи горизонта:

, (7.4)

где α – коэффициент ослабления света, 3,91= ln t , t – порог контрастной чувствительности глаза. Строят количественную статистику появления дымки, мороси, тумана, дождя и снегопада, в зависимости от величины S_μ.

Теоретические и экспериментальные исследования ослабления излучения в туманах и облаках показывают, что на коротких сантиметровых и миллиметровых волнах ослабление в них в 5-10 раз меньше, чем в дожде. В видимом (ВД) и ИК диапазонах наблюдается максимальное ослабление. Оценку ослабления можно выполнить по приближённой формуле Релея.

, (7.5)

где I_m – модифицированная функция Бесселя,,

m = n–j η – показатель преломления, а –радиус капель тумана.

Рис.7.2. Зависимость ослабления в туманах и дождях

Результаты расчётов, проведённых с использованием этой формулы близки к экспериментальным. На сантиметровых и миллиметровых волнах оценка ослабления в облаках слоистого и кучевого типа может быть сделана по эмпирическим формулам М.А.Колосова.

дБ/км на волне 3,2 см,

дБ/км на волне 6,8 см,

где q – водность в г/м³.

Приведённые на рис. 7.3, 7.4 данные показывают, что ослабление в туманах и облаках на сантиметровых и миллиметровых волнах невелико и не превышает 3…4 дБ/км.

7.1.3. Ослабление энергии радио и оптического излучения в гидрометеорах

Гидрометеором называется смесь молекул воздуха с твёрдыми и жидкими частицами воды различного размера. Наряду с молекулярным поглощением гидрометеоры создают ослабление радио- и оптического излучения. Наибольший вклад в ослабление вносят дождь и мокрый снег и в меньшей мере – облака и туманы. Величина ослабления в дожде определяется по формуле (7.6)

(7.6)

где

(7.7)

f(a) – функция распределения частиц по размерам,

–коэффициент ослабления отдельной капли, где а – радиус капли, m = n–j η – комплексный показатель преломления капли.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований частотной зависимости ослабления в видимом и ИК диапазонах волн в различных гидрометеорах приведены на рис.7.5.

В видимом и ИК диапазонах волн наиболее интенсивное ослабление наблюдается в туманах и облаках. С ростом длины волны ослабление уменьшается. Молекулярное поглощение (пунктирная кривая), обусловленное газами атмосферы возрастает с ростом волны. Для оперативных оценок ослабления в видимом диапазоне волн можно использовать эмпирические формулы

для дождя

для тумана

Рис.7.3. Зависимость коэффициентов ослабления излучения

миллиметрового и сантиметрового диапазонов в туманах

от метеорологической дальности видимости и водности

для облаков малой интенсивности ЗдесьI - интенсивность дождя, q – водность тумана или облака.

Согласно рис.7.5 ослабление в снеге медленно возрастает с ростом длины волны, при этом ослабление в снеге больше, чем в граде и дожде и не превышает 30 дБ/км, что значительно меньше, чем в тумане. Отметим, что ослабление в туманах и облаках на миллиметровых и сантиметровых волнах составляло 3-4 дБ/км, т.е. значительно меньше, чем в видимом и ИК диапазонах

Рис.7.4. Зависимость коэффициентов ослабления в облаках от длины волны на разных высотах

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 .