Файл: Курганов Р.А. Прогнозирование наклонного рассеивания радиоволн метеорными ионизациями.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.06.2024
Просмотров: 68
Скачиваний: 0
Вылетающие с большой скоростью атомы и моле кулы метеорной частицы до момента установления теплового равновесия с окружающей средой успе вают удалиться от оси следа на некоторое расстоя ние, создавая при этом ионизированный столб с эф фективным радиусом г0 , называемым начальным радиусом метеорного следа [31, 35, 38]. Величина начального радиуса является функцией геоцентриче ской скорости метеорной частицы и плотности атмо сферы на высоте образования следа, т. е. функцией высоты образования следа. По данным [39, 40, 41] начальный радиус можно аппроксимировать выраже нием
(4)
Величина начального радиуса метеорного следа опре деляет начальную среднюю объемную электронную плотность следа с данной линейной электронной плотностью. Объемная плотность ионизации метеор ных следов (1012 эл/м3) достаточна для эффективного отражения радиоволн вплоть до СВЧ диапазона. Отражение радиоволн от следа зеркально, т. е. углы между следом и падающим лучом и следом и отра женным лучом равны. Если линейная электронная плотность следа в точке отражения меньше некото рой критической
(5)
где Ф — половина угла рассеивания, т. е. угла между падающим на след и отраженным лучом, то рассеи вание происходит за счет когерентного и независи мого переизлучения всех электронов следа. Такие следы называются недоуплотненными. Максимальная величина отраженного сигнала PR достигается в момент пролета частицей центра первой зоны Френеля, длина
кото рой [42] L = 2 |
ß.sin2 <£) ' |
(.гI + r2) (1 — cos2 |
2
|
|
Г\-Гі{Г\ |
+ |
r 2 ) ( l |
—cos2 (3-sin2 <î>) |
|
|
|
где |
{x0 |
= 4 - Ю - 7 |
гн/м, |
е и |
т — заряд |
и масса элек |
||
трона, |
РТ— |
мощность, |
излучаемая |
передатчиком, |
||||
QiG2 |
— коэффициент |
усиления по мощности |
приемной |
|||||
и передающей |
антенн, cos р — множитель |
поляриза |
ции, зависящий от угла ja между векторами поляри зации волн, падающей на след и принимаемой антен ной, ги г2— расстояние зеркальной точки отражения на следе до приемника и передатчика, ß —угол между осью следа и плоскостью, проходящей через точки передачи, отражения и приема, называемой плоскостью связи.
Сразу же после образования метеорный след на чинает разрушаться за счет действия амбиполярной диффузии ионов и электронов, составляющих след, и амплитуда отраженного сигнала начинает умень шаться по экспоненциальному закону £ / = Л - е х р ^ —
с постоянной |
времени |
распада |
|
д2s e c 2 ф |
где |
||||
|
t = — |
, |
|||||||
D — коэффициент |
амбиполярной |
|
диффузии, |
являю- |
|||||
|
|
|
|
_ |
А |
~ 8 |
6 |
|
|
щийся |
функцией |
высоты |
D = е |
н |
|
. Если |
линейная |
||
электронная плотность в точке отражения |
больше |
||||||||
критической, то заметным становится вторичное |
рас |
||||||||
сеяние |
от |
электрона к |
электрону, |
т. е. рассеяние |
|||||
перестает |
быть независимым и когерентным. |
За |
счет |
рефракции во внешних слоях следа радиоволны не доходят до оси следа на некоторое расстояние, на зываемое критическим радиусом метеорного следа. Очевидно, что величина критического радиуса зави сит от объемной электронной плотности ионизиро ванных частиц следа. По определению, критический радиус — это Расстояние от оси следа, на котором диэлектрическая проницаемость * следа становится
равной |
нулю. Величина |
критического радиуса г\ — |
= (W't |
+ rg)In — , где |
іѴс-—критическая объемная |
электронная плотность, определяемая из условия равен-
ства нулю к на частоте радиоизлучения /, т. е. ус-
|
|
|
Nc |
|
|
|
|
ловия 1— |
8 1 - ^ - = 0. За |
счет амбиполярной диффу |
|||||
зии |
радиус |
следа |
через |
время t |
увеличивается |
до |
|
r = y |
W-t |
|
+ r%. С |
увеличением |
радиуса следа |
про |
исходит уменьшение объемной электронной плот
ности следа N = |
. В результате на протя- |
к (4Dt + |
г\) |
жении некоторого времени после пролета метеором зеркальной точки отражения происходит увеличение критического радиуса следа гс. Эквивалентная отра жающая поверхность следа, представляющего собой в данном случае металлический цилиндр радиуса гс , возрастает и увеличивается мощность отраженного
сигнала. Через время [31] tn——^-. ^ — ^ от раженная мощность достигает максимального значе
ния |
[44] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
- |
|
• |
|
|
|
|
(7) |
|
|
|
г , . / - 2 ( / - , + г 2 ) ( 1 — c o s 2 M « ' n 2 < £ ) ' |
|
|
|
|||||
где |
s — основание |
натурального логарифма. |
|
Через |
|||||||
время |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гя = 1,13-1(Г1 4 -а- А 2 - 8 е с 2 ф |
|
|
|
(8) |
||||
к на |
оси |
становится |
равной |
нулю. При этом |
гс |
и ве |
|||||
личина |
отраженной |
мощности |
быстро |
падают до |
|||||||
нуля. |
Величина Тп |
называется |
длительностью |
отра |
|||||||
жения |
от |
переуплотненного |
метеорного |
следа. |
При |
||||||
больших |
электронных |
плотностях, |
когда |
Тп |
порядка |
||||||
десятков |
секунд |
и |
минут, |
становится |
ощутимым |
||||||
уменьшение объемной |
электронной |
плотности |
следа |
||||||||
за счет действия эффектов |
прилипания и |
рекомбина |
ции электрически заряженных частиц следа. Эффект рекомбинации в дневное время практически компен сируется фотоэффектом, вызывающим дополнительную ионизацию частиц следа.
9
Метеорные следы обоих типов постепенно искрив ляются и разрываются на отдельные куски атмосфер ными ветрами и турбулентностью, что ускоряет их разрушение и приводит к появлению дополнительных зеркальных отражающих точек. Интерференция сиг налов, отраженных от этих точек, вызывает федингование отраженных от следа радиосигналов.
Возможность приема отраженных от метеорных следов радиосигналов лежит в основе метеорного
распространения |
радиоволн |
(метеорной |
радиосвязи), |
|||
имеющего некоторые особенности. |
|
|
|
|||
Отражение радиоволн, от метеорного следа зер |
||||||
кально, |
поэтому, |
чтобы отраженный |
сигнал |
попал |
||
в точку |
приема, |
метеорный |
след должен |
быть |
каса- |
|
телен к одному из семейства эллипсоидов |
вращения, |
|||||
имеющих |
фокусами пункт |
передачи и пункт приема. |
Метеорные следы, удовлетворяющие условию зер кальности отражения, являются потенциально полез
ными |
для |
связи. |
В |
связи с |
конечной чувствитель |
|||||||
ностью |
приемной радиоаппаратуры |
используемыми |
||||||||||
для связи будут только метеорные следы, |
создающие |
|||||||||||
в точке |
приема отраженные |
сигналы, |
превышающие |
|||||||||
некоторый |
пороговый |
уровень. |
|
и |
энергетиче |
|||||||
Наличие |
указанных |
геометрических |
||||||||||
ских |
ограничений |
приводит |
к тому, |
что далеко не |
||||||||
все |
метеорные |
следы, |
возникающие |
в |
метеорной |
|||||||
зоне |
(80—120 "км) |
ионосферы, |
используются |
для |
||||||||
радиосвязи, и отражения на метеорной |
радиотрассе |
|||||||||||
принимаются только |
из |
весьма |
ограниченных |
об |
||||||||
ластей |
метеорной |
зоны |
(зон |
полезности). |
Необходи |
мое условие зеркальности и случайный характер появления метеорных ионизации наряду с зеркаль ностью переизлучения и высоким значением иониза ции следа обусловливают целый ряд положительных свойств метеорной радиосвязи: возможность работы на УКВ на расстоянии до 2000 км на малых мощ ностях с простыми антеннами, скрытность, помехо защищенность, малую подверженность естественным и искусственным ионосферным возмущениям, осо бенно ценную на высоких широтах, и вытекающую отсюда надежность.
Основными недостатками систем метеорной радио связи являются сложность устройств, служащих для
Ю
ввода и вывода информации, связанные с прерыви стым характером и высокой мгновенной скоростью передачи информации, а также небольшая средняя пропускная способность, обусловленная малым отно сительным временем работы канала, то есть малой величиной коэффициента заполнения.
Оптимальное использование свойств метеорного распространения радиоволн для радиосвязи и других применений возможно при внимательном изучении законов распределения числа и длительности отра жений, зарегистрированных за некоторый интервал времени, зависимости параметров этих законов от уровня регистрации, длины волны, длины трассы,
времени |
суток и года, изучении законов распределе |
|||||
ния используемых |
радиоотражений |
по углу |
прихода |
|||
в точку |
приема |
(азимуту и |
углу |
места), |
изучении |
|
потерь времени передачи информации в случае |
необ |
|||||
ходимости одновременного |
приема |
в двух |
разнесен |
|||
ных приемных пунктах и исследований аномалий |
рас |
пространения в случае возмущения ионосферы. Конечной целью этих исследований является созда ние теоретических методов расчета, пригодных для
практического прогнозирования |
метеорного |
распро |
странения радиоволн для любого времени |
суток и |
|
года на трассах любой длины, |
ориентации, |
геогра |
фического положения, частоты и мощности |
излуче |
|
ния. |
|
|
Ниже излагаются результаты исследований, про веденных в данной области за период 1960-1970 гг., в Проблемной радиоастрономической лаборатории Казанского университета.