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

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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.