Временная и пространственная статистика дальности миллиметрового радиолокатора в чистой атмосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВРЕМЕННАЯ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТАТИСТИКА ДАЛЬНОСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО РАДИОЛОКАТОРА В ЧИСТОЙ АТМОСФЕРЕ

А.В. Соколов,

Р.Н. Чеканов

В настоящее время миллиметровые волны находят все более широкое применения в системах ближней и дальней радиолокации в приземном слое атмосферы и космосе, а также в скрытой локации и широкополосной связи[1, 2]. Несмотря на многие теоретические и экспериментальные исследования коэффициентов поглощения в парах воды и кислорода, выполненные в последние годы как в России так и за рубежом, до сих пор задача об определении параметров сигнала на трассах распространения с заданной точностью (сигнал/шум, дальность действия системы и вероятность искажения сигнала) решается приближенно. Причина этого кроется в том, что тропосфера является средой, диэлектрическая проницаемость газов которой в чистой атмосфере претерпевает в зависимости от пространства, времени года, суток и метеорологических условий непрерывные быстрые и медленные изменения, что в свою очередь постоянно и случайным меняет условия распространения излучения в атмосфере.

В значительном проценте времени года в атмосфере существуют также гидрометеоры, которые могут сильно менять коэффициенты ослабления излучения в миллиметровом диапазоне волн. Наконец, тепловые потоки порождают в атмосфере турбулентные вихри, приводящие к пульсациям диэлектрической проницаемости воздуха, что обуславливает флуктуации амплитуд и фаз распространяющегося излучения. Поэтому точное задание параметров такой среды, какой является атмосфера, с ее изменчивостью в пространстве и во времени, весьма затруднительно, вследствие чего задача об определении мгновенных значений напряженности полей радиоволн в пределах прямой видимости в миллиметровом, сантиметровом и других диапазонах волн становится практически неразрешимой.

До сих пор было исследовано значительное количество моделей распространения излучения с учетом особенностей параметров среды. В России и за рубежом средние значения коэффициентов поглощения паров воды в чистой атмосфере в миллиметровом диапазоне радиоволн длительное время изучались как теоретически так и экспериментально, и количественные результаты этих работ опубликованы в литературе [3-5].

Целью настоящей работы явилось попытка учета временной и пространственной изменчивости абсолютной влажности воздуха с учетом нерезонансного поглощения в кислороде.

Рассмотрение влияния основных метеорологических элементов атмосферы на коэффициенты поглощения паров в воздухе проведем в предположении, что величины абсолютной влажности, измеренные системой станций гидрометеослужбы в приземном слое воздуха, репрезентативны в некоторой окрестности этих станций. По оценкам метеорологов такая репрезентативность может наблюдаться на расстояниях в единицы и десятки километров от этих станций.

Величина погонного поглощения в водяном паре в окне прозрачности или в центре линии поглощения может быть представлена в соответствии с ударной моделью квантово-механического поглощения в парах воды как[3]

(1)

где энергетические термы вращательных состояний молекулы воды, N-число молекул в единице объема, средний дипольный момент молекулы 1, 87.10^-18 CGSE, дипольный момент молекулы, абсолютная влажность 7, 5 г/м³, постоянная Планка h= 6, 6252.10^-27 эрг.сек, постоянная Больцмана к=1, 38042.10^-16эрг/град.

Число молекул в единице объема определяется по формуле:

,

где число N₀=6, 02472.10²³ г/моль^-1. Заметим, что здесь все величины представлены в системе CGSE.

Выражение (1) хорошо описывает частотную зависимость коэффициентов поглощения в парах воды, а также их зависимость от влажности, температуры и давления во всем диапазоне миллиметровых и даже субмиллиметровых радиоволн, что было проверено на многочисленных экспериментах.

Теоретическая зависимость поглощения в водяном паре по (1) от влажности хорошо совпадает с экспериментом в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. Из сравнения теории с экспериментом следует, что величина прямо-пропорциональна величине абсолютной влажности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн.

Выражение (1) дает заниженные абсолютные величины поглощения по сравнению с опытом, в связи с чем на величины нами были введены поправочные коэффициенты на основе работ [3, 4], что приводит величины в полное соответствие с экспериментом.

Для оценки изменчивости коэффициентов поглощения в парах воды в окнах прозрачности миллиметрового диапазона радиоволн были приняты при нормальных условиях следующие значения удельного поглощения: =0, 05 дБ/км на волне 8, 2 мм; =0, 063 дБ/км на волне 6 мм; =0, 053 дБ/км на волне 3, 2 мм и=2, 5 дБ/км на волне 1, 42 мм.

Для анализа изменений абсолютной влажности воздуха во времени и пространстве нами была проведена статистическая обработка данных о приземном значении за один год по данным метеостанций, расположенных вблизи 40⁰ восточной долготы на 42⁰, 56⁰ и 69⁰ северной широты. Всего нами было обработано свыше 4000 измерений, на основе которых были построены распределения абсолютной влажности за время одного года. Данные измерений абсолютной влажности являлись результатом осреднения , измеряемых с помощью психрометров Ассмана, за период 5 минут, точность же этих измерений была не хуже 0, 1 г/м³.

В последующем на основе соотношения (1) были найдены распределения коэффициентов поглощения водяного пара в окнах прозрачности во всем миллиметровом диапазоне волн для субтропического, умеренного и континентального климатов и установлены зависимости величин от процента времени превышения коэффициентами поглощения значений, указанных ординатой для волн 8, 2 и 3, 2 мм на 42⁰, 56⁰ и 69⁰ с.ш.

В результате было установлено значительное различие распределений коэффициентов поглощения в парах воды для выше указанных широт и длин волн. Согласно кривым распределения отношение коэффициентов поглощения, соответствующих 1% уровням к 90% уровням, изменялось по абсолютной величине на выше указанных волнах и широтах в интервале от 4 до 6 раз. Под 1% уровнем понимается величина коэффициента поглощения, которая превышается в 1% времени года. Отношения коэффициентов поглощения, соответствующих 1% уровням к 50% уровням (средне-годовым значениям) на волнах 8, 2 и 3, 2 мм в зависимости от широты места находились в интервале от 1, 8 до 2, 7 раз.

Кривые распределений коэффициентов поглощения в парах воды приближенно позволяют оценивать время превышения тех или иных значений во времени.

Обычно все оценки ослабления на трассах радиолокации и радиосвязи приводятся, как правило, для стандартной атмосферы при нормальных условиях, когда абсолютная влажность =7, 5 г/м³, Р= 760 мм. рт. ст.и Т= 286 К.

Для учета влияния изменчивости коэффициента поглощения в парах воды на дальность обнаружения объектов нами было проведено моделирование дальности действия радиолокационной системы на волнах 8, 2, 6, 0, 3, 2 и 1, 42 мм с учетом данных о статистике величин поглощения в парах воды. При этом делалось допущение, что РЛС обладает в миллиметровом диапазоне волн следующими характеристиками: мощность передатчика 1 Вт, чувствительность приемника 10^-16 Вт/Гц, потенциал РЛС 10¹⁵, длительность импульса 1 мкс, отношение сигнал/шум 10 дБ, диаметр антенны 1 м, ЭПР цели 1 м^2..

В работе проведено моделирование влияния статистики изменчивости поглощения в парах воды на дальность действия РЛС. При этом нами были учтены также коэффициенты нерезонансного поглощения в кислороде на выше указанных длинах волн.

Рассмотрим эти результаты подробнее и обсудим их. Анализ полученных результатов показывает, что зависимости дальности R обнаружения РЛС цели на волне 8, 2 мм от процента времени, в течение которого величина R была равна или меньше величины, указанной ординатой, различаются для разных широт. Так сравнение кривых распределения дальностей обнаружения цели, проведенное по уровням, соответствующим 0, 1% и 50 % времени, показал, что на всех широтах из-за возрастания коэффициента поглощения в парах воды имеет место уменьшение дальности РЛС. Однако это уменьшение по величине невелико и не превышает 4-10 % от средне-годовой дальности РЛС.

Анализ зависимости дальности R обнаружения цели на волне 3, 2 мм на разных широтах от процента времени, в течение которого величина R была равна или меньше величины, указанной ординатой по уровням, соответствующим 0, 1% и 50 % времени, показал, что на всех широтах из-за возрастания коэффициента поглощения в парах воды имеет место уменьшение дальности обнаружения на 50-57%.

В работе были получены результаты моделирования влияния изменчивости коэффициентов ослабления в парах воды в климатическом поясе, соответствующем широте места в 56⁰ с.ш., с учетом нерезонансного поглощения в кислороде на дальность обнаружения цели РЛС на длинах волн 8, 2; 6, 0; 3, 2 и 1, 42 мм. Анализ кривых распределения дальностей обнаружения цели, проведенный по уровням, соответствующим 0, 1% и 50 % времени, показывает, что на широте 56⁰ с.ш. на всех длинах волн (=8, 2 ; =6, 0 мм; =3, 2 мм; =1, 42 мм) в окнах прозрачности миллиметрового диапазона волн имеет место также уменьшение дальности обнаружения. Однако, для волн 8, 2 и 6, 0 мм это уменьшение не выходит за пределы 13%, для длин же волн со значительным ослаблением дальность обнаружения РЛС уменьшается на 50-85%.

Заключение

Таким образом на основании статистики данных об абсолютной влажности для различных климатических районов и моделирования влияния изменчивости коэффициентов поглощения в парах воды на дальность действия РЛС можно сделать следующее заключение:

Предложен и опробован метод оценки влияния распределений абсолютной влажности воздуха и коэффициентов поглощения в парах воды на изменчивость дальности обнаружения целей РЛС во всех окнах прозрачности миллиметрового диапазона волн.

Установлено, что величины коэффициентов поглощения в парах воды на волнах 8, 2 и 3, 2 мм, соответствующие 0, 1% уровню по сравнению с 50% уровнем, изменялись в зависимости от широты места в интервале от 1, 8 до 2, 7 раза.

Показано, что изменения коэффициентов поглощения на волнах 3, 2 и 1, 42 мм, между уровней, соответствующих 0, 1% и 50 % времени, приводят к уменьшению дальности действия РЛС на 50-85% от средне-годового значения; на волнах же 8, 2 и 6 мм оно составляет около 13%.

Использование многолетней статистики распределений коэффициентов поглощения в парах воды, по-видимому, позволит определять средне-годовое время, ухудшения условий распространения в миллиметровом диапазоне волн, а также оценивать время уменьшения дальности действия миллиметровых РЛС.

влажность радиолокатор воздух климатический

Литература

1.A.K.Sen, R.Bera, P.K.Karmakar, C.K.Chatterjee, N.C.Majumdar Millimeter secure communication link and Radar around the oxygen absorption line and application //Indian J. Phys. 75B (3), 241-243 (2001)

2.M.I.Scolnic Millimeter and submillimeter wave application// Proc.of symp.on submillimeter waves. NY, 1970, pp 9-26.

3.Р.П.Быстров, А.А.Потапов, А.В.Соколов, Л.В.Федорова, Р.Н.Чеканов Проблемы распространения и применения миллиметровых радиоволн в радиолокации//Зарубежная радиоэлектроники, успехи современной электроники, 1997, № 1, с.4-20.

4.А.В.Соколов Распространение миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн в атмосфере Земли// Итоги науки и техники, Радиотехника 1974, М, т.5, с.5-109.

5.Г.А.Андреев, А.Ю.Зражевский, Б.Г.Кутуза, А.В.Соколов, Е.В.Сухонин Распространение миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн в тропосфере.

6. Проблемы современной радиотехники и электроники под ред. В.А.Котельникова.М.-1980-с.139-163.

Размещено на Allbest.ru