 |
"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 12, 2002 |
 |
ВРЕМЕННАЯ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТАТИСТИКА ДАЛЬНОСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО РАДИОЛОКАТОРА В ЧИСТОЙ АТМОСФЕРЕ
А.В.Соколов, Р.Н.Чеканов
Институт радиотехники и электроники РАН
Получена 4 декабря 2002 г.
Статья посвящена исследованию статистики дальности действия миллиметрового радиолокатора в условиях чистой атмосферы.
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 м2..
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.
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.
Проблемы современной радиотехники и электроники под ред. В.А.Котельникова.М.-1980-с.139-163.
