Тропосфера та її вплив на поширення радіохвиль презентация

Зміст
Властивості тропосфери
12.1
12.2
Вплив тропосфери на поширення надземних радіохвиль
3
Спрощений інженерний метод розрахунку тропосферної радіолінії
Поширення тропосферних радіохвиль
12.3
12.4
12.5
Висновки
12.6
Контрольні питання та завдання

12.1.1 Склад та основні параметри тропосфери
12.1. Властивості тропосфери
(12.1)

(12.2)
(12.3)

Тропосферу називають нормальною, якщо її властивості відповідають середнім значенням параметрів, які характеризують:
тиск повітря біля поверхні Землі р = 0,1013 МПа;
абсолютна температура Т = 288 К;
відносна вологість S = 60%.
Із збільшенням висоти на кожні 100 м відбувається зниження тиску на 1,2 кПа і температури на 0,55 К. Межею нормальної тропосфери ввіжають висоту 11 км.
Криві змінення температури та густини атмосфери з висотою:
Рисунок 12.1. Графік змінення температури Т і густини атмосфери Na за висотою

12.1.2 Діелектрична проникність та коефіцієнт заломлення
(12.4)
(12.5)
(12.6)

1
2
Рисунок 12.2. Залежність індексу заломлення від висоти: 1 – для нормальної рефракції (детермінована крива);
2 – за умов відхилення від нормальної рефракції (експериментальна крива)
(12.7)

12.2.1 Явище тропосферної рефракції
12.2. Вплив тропосфери на поширення надземних радіохвиль

Рисунок 12.3. Рефракція радіохвиль у моделі тропосфери,
сформованої з декількох однорідних шарів
(12.8)
(12.9)

Спрощена модель поверхні землі та шарів тропосфери(нехтуючи кривизною Землі)
Рисунок 12.4. Спрощена модель поверхні Землі та шарів тропосфери (за умови нехтування кривизною Землі)

Рисунок 12.5. До визначення радіусу кривизни траєкторії
хвилі в неоднорідному середовищі

12.2.2 Вплив тропосферної рефракції на поширення земних радіохвиль
Форма траєкторій прямого та відбитого від землі променів за умов врахування тропосферної рефракції:
Рисунок 12.6. Форма траєкторій прямого та відбитого від Землі
променів за умов урахування тропосферної рефракції

У 1933 р. Скіллінг, Берроуз та Феррел запропонували спрощений спосіб врахування впливу тропосферної рефракції, основою якого є припущення, що радіохвиля як і раніше поширюється вздовж прямолінійної траєкторії з постійною швидкістю, але не над реальною поверхнею з Rз, а над уявною – з еквівалентним радіусом Rз.екв.. Значення еквівалентного радіуса визначають з умов зберігання відносної кривизни між променем та поверхнею Землі в дійсних умовах і в еквівалентній схемі поширення.

12.2.3 Види тропосферної рефракції
Всі види тропосферної рефракції розділені на три групи:
1) негативна рефракція – якщо індекс N не зменшується, а збільшується, dN/dh>0. За таких умов , тобто траєкторія опукла вгору. Радіохвиля віддаляється від поверхні Землі, а дальність видимості і поширення відповідно зменшуються. Негативна рефракція – досить рідке явище;
2) нульова (відсутність рефракції);
3) позитивна рефракція виникає тоді, якщо індекс N зменшується з висотою, тобто dN/dh<0.

12.2.4 Вплив флуктуаційних процесів у тропосфері на поширення радіохвиль
Значення коефіцієнта заломлення n є змінним в залежності від висоти h, та змінним в часі, в залежності від діелектричної проникності ε. Це призводить до повільних змінень рівня поля в точці приймання. Флуктуації та мікропульсації n додатково негативно впливають на поширення радіохвиль.
А
В
С
(1)
(2)
(3)
Рисунок 12.8. До виникнення явища завмирання

12.3.1 Вплив явища надрефракції на поширення тропосферних радіохвиль
Надрефракція – додатній вид атмосферної рефракції, за якої радіус кривизни траєкторії променя більший радіуса Землі, це виконується коли dN/dH<0,157
Причини, що сприяють появі надрефракції:
Адвекція: за певних метеорологічних умов виникає явище температурної інверсії, яке полягає в тому, що в деякому інтервалі висот температура повітря не зменшується з висотою, а починає збільшуватися. Це явище сприяє виникненню надрефракції.
12.3. Поширення тропосферних радіохвиль
Рисунок 12.9. Схема виникнення температурної інверсії в разі перенесення
нагрітого повітря на холоднішу поверхню моря

радіаційне охолодження поверхні Землі. За умови радіаційного охолодження поверхні Землі, що має місце вночі, внаслідок тепловипромінення в першу чергу охолоджуються шари повітря, які знаходяться в безпосередній близкості від ґрунту.
стиснення повітряних мас. Внаслідок рефракції інверсних шарів (шарів зі змінною температурою) можна досягнути відстані поширення радіохвилі 200 – 400 км.

12.3.2 Ефект розсіювання у тропосфері
Довжина шляху дифракційного поширення радіохвилі надвисоких частот інтенсивно спадає з ростом частоти, тобто дифракційна теорія не підтверджується. Порівняно високий рівень сигналу надвисоких частот на відстанях більших за 600 км пояснюється поширенням радіохвиль у неоднорідностях тропосфери.
Вважалося механізм дальнього поширення ультракоротких хвиль, який обумовлений процесами розсіювання в тропосфері.

Рисунок 12.11. До пояснення механізму дальнього поширення ультракоротких
хвиль внаслідок розсіювання у тропосфері

12.3.3 Багатопроменевість як фактор, що погіршує поширення тропосферних радіохвиль
Механізм дальнього поширення радіохвиль відрізняється від поширення земних радіохвиль:
У місці приймання напруженість створюється інтерференцією множини елементарних променів, відбитих та розсіяних від “глобул” в атмосфері;
– положення розсіювальних центрів безперервно і випадково змінюється. В даному випадку краще вжити термін флюктуаційна багатопроменевість.
Розрізняють дискретну та неперервну ( дифузну ) багатопроменевість. У випадку дискретної багатопроменевості в пункт прийому потраплає обмежене число променів, наприклад, два. Зазвичай, довжини шляхів, які проходять окремі промені, різні. За дифузної багатопроменевості в пункт приймання потрапляє нескінченна множина елементарних променів.

У випадку дифузної багатопроменевості поле у місці прийому представляє собою результат інтерференції нескінченно великої кількості променів. Аналіз випадку інтерференції п променів з будь-якими амплітудами і випадковими фазами, якщо , показує, що густина розподілу Е розподілена за законом Релея:
де – дієве значення [В/м];
– усереднене за відносно довгий термін (5-10 хв) значення квадрату дієвого значення.
Види багатопроменевості:

Завмираннями називають неперервні швидкі коливання рівня сигналу прийому, з тривалістю в декілька хвилин, секунд та долі секунди, які являють собою спотворення сигналу прийому.
Наявність завмирань потребує введення спеціальних визначень для характеристики середнього рівня прийнятого сигналу чи ступеня відхилення миттєвих значень рівня від вказаного середнього значення. Найбільш розповсюдженим є визначення середнього рівня в медіанних значеннях напруженості поля.

Рисунок 12.13. До визначення медіанного рівня прийнятого сигналу

Причини та класифікація типів завмирань:
1) рефракційні завмирання, що виникають внаслідок екранувального впливу перешкод, обумовлені зменшенням просвіту при субрефракції в тропосфері та потраплянням приймальної антени в область глибокої тіні; відносяться до повільних завмирань, які мають слабку частотну залежність та виникають практично одночасно у всій системі зв’язку в одному діапазоні;
2) рефракційні завмирання інтерференційного типу, обумовлені збільшенням просвіту на трасі при збільшенні рівня рефракції та при попаданні антени в інтерференційний мінімум; виникають в результаті взаємодії прямої хвилі та хвиль, відбитих від земної поверхні та відносяться до швидких завмирань з глибиною 25 – 30 дБ та тривалістю до 10 с;
3) інтерференційні завмирання виникають внаслідок впливу шаруватих неоднорідностей тропосфери, які створені інтерференцією прямої хвилі та хвиль відбитих від шаруватих неоднорідностей тропосфери та потраплянням приймальної антени в інтерференційні мінімуми, та відносяться до швидких завмирань з глибиною 25 – 30 дБ та тривалістю від долі секунди до секунди;

4) завмирання внаслідок екранувального впливу неоднорідностей тропосфери, обумовлені послабленням радіохвиль через тропосферу, коли більша доля енергії послаблюється, а невелика доходить до точки прийому; вони відносяться в деяких випадках або до швидких, або до повільних завмирань, які практично корельовано в межах одного частотного діапазону та виникають одночасно у всій системі зв’язку;
5) завмирання внаслідок послаблення гідрометеорами та обумовлені розсіюванням радіохвиль частинками гідрометеорів (дощ, сніг, град, туман, тощо) та нерезонансним поглинанням в цих частинках;
6) завмирання внаслідок поглинання в газах, що входять до складу тропосфери та обумовлені взаємозв’язком поля РХ та молекул газу, що мають електричні та магнітні властивості. Вони мають селективний характер та досягають максимуму за співпадання частот електромагнітного поля із власними частотами коливань молекул.

12.3.4 Поглинання радіохвиль у тропосфері
Для визначення впливу тропосфери на умови поширення радіохвиль аналізували її неоднорідності, які призводили до рефракції, а у випадку локальних неоднорідностей – до розсіювання. Вважалося, що тропосфера прозора, тобто, у разі проходження через тропосферу хвилі не поглинаються.
Відомо, що хвилі, довжина яких λ >10 см, не зазнають ослаблення в тропосфері. А хвилі довжиною λ <10 см під час поширення в тропосфері підлягають відчутному поглинанню, яке за деяких умов стає настільки великим, що радіозв’язок стає неможливим.
Рисунок 12.14. До ефекту поглинання енергії радіохвиль молекулами у тропосфері

Поглинання радіохвиль в тропосфері може бути спричинено деякими факторами:
- Поглинанням у крапельних утвореннях, або гідрометеорах ( дощ, туман, сніг, град). Є дві різні фізичні причини, що спричиняють поглинання радіохвиль в краплинах води: втрати енергії, що виникають у краплинах води, та існування струмів зміщення, які є джерелом розсіяного чи вторинного випромінювання; в діапазоні оптичних частот найбільшого поглинання електромагнітні хвилі зазнають в тумані, трохи меншого підчас снігопаду і ще меншого коли іде дощ.
- Молекулярним поглинанням, яке має місце за відсутності дощу, туману та інших крапельних утворень. В цих умовах енергія хвилі, що поширюється, витрачається на нагрівання, іонізацію та збудження атомів та молекул, фотохімічні процеси тощо. В момент поглинання атоми та молекули переходять із стану з меншою енергією в стан з більшою енергією. Серед газів, що входять у склад тропосфери, молекулярне поглинання особливо помітно у кисні та водяних парах.
- Розсіюванням на молекулах.
- Поглинанням у твердих частинках (пил, дим).

12.4 Спрощений інженерний метод розрахунку тропосферної радіолінії

12.5. Висновки
1. Тропосфера – нижня частина атмосфери, яка має висоту до 20км та містить 78% азоту, 21% кисню та 1% інших газів.
2. Тропосферу характеризують фізичними параметрами: температурою, вологістю, тиском парів та газів, значення яких є змінними з висотою.
3. Від цих параметрів залежить значення діелектричної проникності ε,яке також є змінною з висотою, та крім того, залежить від стану тропосфери ( гідрометеори, вітер, тощо ).
4. Для опису електродинамічних властивостей тропосфери використовують поняття коефіцієнта заломлення та вводять поняття індекса заломлення , які залежать від тиску, температури, частоти, тощо. Розподіл індексу заломлення за висотою описує експоненціальний закон, а в нижній частині тропосфери вертикальний градієнт індексу є незмінним.
5. Проходячи через сферичні шари тропосфери, що мають різні параметри(тиск, волога, температура) відбувається викривлення траєкторії хвилі – явище тропосферної рефракції.
6. Для оцінки рефракції вводять поняття радіусу кривизни траєкторії.

7. В залежності від характера змінення коефіцієнта заломлення існує від’ємна, нульова та додатня рефракції (занижена, нормальна, підвищена, критична, надрефракція).
8. Наявність рефракції вимагає корегування отриманих раніше інтерференційних формул із використанням поняття еквівалентного радіусу Землі ( км). Застосування поняття еквівалентного радіуса Землі в інтерференційних формулах можлива для достатньо пологих променів.
9. У зв’язку з приляганням тропосфери до Землі властивості тропосфери впливають на поширення також земних РХ.
10. Змінення коефіцієнту заломлення з висотою, що в разі випадкових змін призводить до погіршення процесу поширення радіохвиль, особливо у діапазонах надвисоких частот, тобто мають місце так звані завмирання.
11. Наявність завмирань потребує визначення характеристик середнього рівня в медіальних значеннях напруженості поля.

12. Основні механізми поширення тропосферних радіохвиль – рефракція (надрефракція у тропосферному хвилеводі), тропосферне розсіяння (неоднорідності тропосфери Δε), багатопроменевість (дифузна, дискретна).
13. Причиною виникнення надрефракції є температурна інверсія, яку спричиняє адвекцією, радіаційне охолодження, стиснення повітряних мас.
14. На поширення радіохвиль в області надвисоких частот впливає поглинання у гідрометеорах, молекулярне, у твердих частинках.
15. Негативний вплив неоднорідностей проявляється у швидких (t<1хв.) та повільних завмираннях.
16. Для оцінювання цих явищ введено поняття “медіанних” та інших значень напруженостей, які визначають за законом Релея.
17. Здійснюючи розрахунок тропосферних радіоліній треба враховувати поправки до коефіцієнту послаблення V.
18. В процесі тропосферного поширення радіохвиль спостерігається явище втрати підсилення антени через різницю ходу хвиль в 2...3 рази внаслідок розсіювання від окремих ділянок траси.
19. Проводячи інженерний розрахунок тропосферної радіолінії враховують поправки до множника послаблення на метерологічні умови, місцевість, втрати підсилення та завмирання.