При прохождении радиоволн, излучен­ных движущимся источником, через неод­нородную среду,  которой меняется слу­чайным образом во времени и пространстве,   также меняется случайным образом.
Так, при прохождении радиоволн, излученных с космического корабля, в неоднород­ных тропосфере, ионосфере и космическом пространстве изменение  носит статисти­ческий характер.

     Для уменьшения вредного влияния смещения   несущей    частоты при космической радиосвязи в приемниках используют авто­матическую подстройку частоты  или изменяют частоту передатчика, если заранее известна траектория    движения    излучателя. Кроме того, под влиянием эффекта Доплера деформируется частотный спектр сигнала из-за  того,   что   каждая   составляющая спектра получает свое смещение.

     Доплеровский сдвиг частоты использу­ют как положительное явление, которое позволяет определять скорость движущего­ся источника или отражателя, если известны свойства среды. Решают и обратную за­дачу: измеряя сдвиг частоты и зная ско­рость движения излучателя, определяют электрические параметры среды.

     Поправки при определении   координат космических объектов  радиотехническими методами. Прохождение радиоволн в тропосфере и ионосфере сопровождается рефракцией и изменением фазовой и групповой скоростей распространения волны. Эти факторы явля­ются причиной ошибок, которые необходи­мо учитывать при определении координат космических объектов радиотехническими методами. Устранение возникающих ошибок производится путем введения соответствую­щих поправок [7].

5.6. Особенности распространения волн оптического и инфракрасного диапазонов

Общие положения. К оптическому диапазону относятся электромагнитные колебания с  длиной вол­ны 0,39—0,75 мкм. К инфракрасному (ИК) диапазону относятся волны длиной 0,75— 1000 мкм, занимающие промежуточное положение между оптическими и миллиметро­выми волнами. Инфракрасный диапазон де­лят на три области: ближнее инфракрасное излучение— от 0,75 до 1,5 мкм, среднее — от 1,5 до 5,6 мкм и дальнее — от 5,6 до 1000 мкм. Границы спектров оптических, инфракрасных и миллиметровых радиоволн взаимно перекрываются.

     Оптические и ИК волны могут фоку­сироваться линзами и зеркалами, менять свое направление при отражении и прелом­лении, разлагаться в спектр призмами. ИК волны, подобно радиоволнам, могут прохо­дить сквозь некоторые материалы, непро­зрачные для оптических волн. ИК волны нашли широкое применение в различных от­раслях промышленности.

     Главным преимуществом многих ИК систем является то, что можно использо­вать излучение от целей, которые или сами являются источниками ИК излучения или отражают излучение естественных ИК ис­точников. Такие системы называются пас­сивными. Активные ИК системы имеют мощный источник, излучение которого, от­фильтрованное в узком участке спектра, концентрируется с помощью оптической системы и направляется в виде узкого пучка на цель.

     ИК системы обладают высокой разре­шающей  способностью.    

     Ослабление оптических   и инфракрасных волн в атмосфере. Полное ослабление оптических и ИК волн в атмосфере обусловлено несколькими факторами. Различают ослабление света в атмосфере, свободной от облаков и тумана, и ослабление света в тумане.

     Ослабление в свободной атмосфере складывается из рассеяния света на моле­кулах газа и водяного пара и селективного поглощения. Мощность, которую несут све­товые и инфракрасные волны, прошедшие в атмосфере некоторое расстояние r, вычис­ляется  аналогично мощности    радиоволны:    

где Г —  суммарный коэффициент поглоще­ния в дБ/км, равный:

Г=Гг+Гп+Гсел+Гт .

     Здесь Гг и Гп — коэффициенты ослаб­ления из-за рассеяния на молекулах газа и пара;  Гсел — коэффициент селективного по­глощения; Гт — коэффициент поглощения в тумане.

     Коэффициент ослабления из-за рассея­ния волн на молекулах газа Гг (дБ/км) при давлении воздуха р (МПа), температуре Т (К), и длине волны l (мкм) определяется следующим   выражением:

   Гг = 25p/Tl4.

     Этот вид ослабления значительно мень­ше проявляется в инфракрасном диапазоне, чем в оптическом.

     В свободной от облаков и тумана ат­мосфере содержатся частицы примесей — паров воды и пыли, на которых также рас­сеиваются оптические и ИК волны. Для характеристики пространственной картины рассеяния света каждой частицей пользу­ются понятием индикатрисы рассеяния (уг­ловой функции рассеяния), определяемой как  отношение  мощности,   рассеянной   частицей в данном направлении, к потоку энергии, рассеянному во все стороны (по­нятие, аналогичное диаграмме направлен­ности антенны). Индикатрисы рассеяния определены расчетным путем для сфериче­ских частиц различного радиуса а, имеющих разные коэффициенты преломления n. Малые частицы с а/l<<1 и n1 имеют ин­дикатрису, описываемую законом синуса с максимумами в направлении прямого и об­ратного движения волны. При n → ∞ малые частицы рассеивают назад больше энергии, чем вперед. По мере роста а/l индикатри­са рассеяния прозрачных частиц становится все более вытянутой вперед  (эффект Ми).

     Размер частиц пыли и пара во много раз превышает длину волны, а число частиц не остается постоянным, что затрудняет расчеты коэффициента ослабления. Поэто­му предпочитают пользоваться экспериментальными данными для определения ослабления из-за рассеяния на этих части­цах. Опытным путем найдено, что коэф­фициент ослабления пропорционален  l-1,75. Потери этого вида имеют наибольшую ве­личину в городах, на ИК волнах они мень­ше, чем на волнах оптического диапазона.

     Селективное поглощение особенно ха­рактерно для ИК диапазона. На рис. 5.11 представлено распределение энергии в сол­нечном спектре, измеренном вблизи Земли для диапазона волн 0,3—2,2 мкм. Если бы не было селективного поглощения, то кри­вая имела плавный ход, обозначенный пунктирной линией. В видимой части спект­ра на волнах 0,4—0,75 мкм поглощение не­значительно, при длине волны 0,76 мкм наблюдается поглощение в кислороде. Участ­ки сильного поглощения имеются вблизи волн длиной 0,94; 1,10; 1,38 и 1,87 мкм. Это поглощение обусловлено наличием водяных паров в атмосфере, и прозрачность атмосферы для инфракрасных лучей сильно за­висит от влажности атмосферы.     

Рис. 5.11. Распределение энергии в солнечном спектре вблизи Земли

Рис. 5.12. Спектр излучения чистого неба

 Поглощающее действие оказывают уг­лекислый газ (на волнах 2 ,7; 4, 3 и 1220 мкм)  и озон  (на волнах 4,7 и 9,6 мкм), но основное поглощающее действие оказы­вает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание углекислого газа и озона.

     Измерения показали, что сравнительно,  хорошей прозрачностью для инфракрасных лучей атмосфера обладает на следующих волнах: 0,95—1,05;  1,2—1,3;  1,5—1,8;  2, 1—2, 4; 3,3—4 ,0; 8, 0—12,0 мкм. В указанных пределах поглощением можно пренебречь, тогда как на промежуточных волнах и вол­нах длиннее 13,0 мкм происходит практически полное поглощение.

    В каплях тумана происходят тепловые потери и рассеяние, как это имеет место в диапазоне миллиметровых и сантиметровых радиоволн. Потери тем больше, чем больше размер капель.

     Рефракция оптических и инфракрасных волн в атмосфере. Различают астрономическую рефракцию — преломление лучей, идущих от небесного светила или другого источника, находящегося на небольшой высоте, к на­блюдателю, и земную рефракцию — преломление лучей, идущих от земных объектов.

    Оптические и ближние ИК волны рефрагируют меньше, чем радиоволны. Коэффициент преломления тропосферы для ИК и оптических волн записывается в следующем виде (см. 3.1):

где  — парциальное давление сухого воздуха (Па).

    В случае астрономической рефракции, когда луч проходит всю толщу атмосферы, показатель преломления которой возрастает с приближением к поверхности Земли, траектория волны всегда обращена выпуклостью к зениту (положительная рефракция). Как и в случае радиоволн, явление рефракции приводит к ошибке в определении  угла места.  

     Земная рефракция может быть как по­ложительной, так и отрицательной. В ус­ловиях нормальной рефракции дальность прямой видимости в оптическом и ИК диа­пазонах    оказывается несколько меньше, чем в радиодиапазоне. Формула (3.5) прини­мает следующий вид:

     Радиус кривизны траектории оптиче­ской волны составляет примерно 50 000 км. В оптическом и ИК диапазонах явление сверхфракции наблюдается реже, чем в ра­диодиапазоне. Со сверхрефракцией связано явление миража.

     Распространение  излучения оптических квантовых генераторов в атмосфере. Когерентность, высокая степень моно­хроматичности, большая направленность и  мощность излучений оптических квантовых генераторов (ОКГ) вызывают соответст­вующие особенности распространения этих излучений в атмосфере. Ширина спектра многих ОКГ меньше ширины линий селек­тивного поглощения атмосферных газов. Поэтому для количественной оценки по­глощения излучения ОКГ необходимо иметь данные о селективном поглощении для фиксированных частот. Получение таких дан­ных затруднено ограниченной разрешающей способностью измерительной аппаратуры. Измерение селективного поглощения в диа­пазоне  l = 0,693340,6694 мкм, в который попадает излучение ОКГ на рубине, показа­ли, что при изменении длины   волны менее чем на 10-4 мкм поглощение изменяется от 0 до 80%.  

     Установлено, что при распространении пространственно ограниченных пучков в атмосфере рассеяние на  частицах изменяет распределение мощности по сечению пучка излучения. Это распределение зависит от оптической толщины слоя, геометрии пучка, свойств среды.

    Турбулентные неоднородности тропо­сферы вызывают серьезное ухудшение ус­ловий работы ИК радиолиний. Особенно существенно их влияние сказывается на распространении когерентного излучения. Турбулентности тропосферы нарушают ста­бильность фазового фронта когерентного луча, что приводит к его расширению и от­клонению и вызывает флуктуации ампли­туды.

    Флуктуации амплитуды сигнала подчи­няются нормально-логарифмическому зако­ну распределения. Флуктуа­ции углов прихода пучка излучения харак­теризуются    нормальным    законом.

     Получены некоторые данные, позволяю­щие судить о возможном расширении пуч­ков излучения ОКГ. При измерениях на расстояниях 15 и 145 км наблюдалось уве­личение расходимости пучка на 8" и 13" соответственно.

     Вследствие этого не представляется возможным создать диаграммы направлен­ности ИК антенн шириной менее одной уг­ловой секунды.

     Помехи в оптическом и инфракрасном диапазонах волн. Источник   излучения,    не    являющийся целью, должен рассматриваться как излучение фона, мешающего работе оптической или ИК системы. Излучение фона проявляется    как вредный шум, с которым следует бороться. Качественный вид спектральных характеристик излучения чистого неба днем  1  и ночью 2 представлен на рис.5.12.   

     Яркость неба зависит от атмосферного давления и зенитного угла, возрастая к го­ризонту. Облака создают неравномерность в излучении неба как днем, так и ночью, особенно на волнах короче 3 мкм. Наиболее серьезные помехи создают яркие края об­лаков, которые представляют собой ложные цели в ИК диапазоне.

     Земля создает больший фон в ИК об­ласти спектра, чем чистое безоблачное не­бо, отражая коротковолновое излучение складывающееся с собственным тепловым излучение при больших длинах волн. Фон, создаваемый Землей, усложняет    обнаружение наземных целей.

     5.7. Электромагнитная безопасность

     Рассмотрим важный вопросе который хотя и не связан непосредственно с распространением радиоволн, но приобрел в наши дни особое значение. Дело в том, что технологическое развитие общества сопровождается непрерывным возрастанием интенсивности электромагнитных полей искусственного происхождения, которые окружа­ют человека на производстве и в быту. Как следствие, актуаль­ной становится защита здоровья человека от вредного влияния мощных полей, длительно воздействующих на организм.

     Упомянутая здесь проблема относится к компетенции радиационной биологии, которая среди прочего занимается комплексным изучением влияния электромагнитного поля на живое существо. Установлено, что наиболее опасными для человека оказываются ионизирующие излучения, энергия квантов которых достаточна для отрыва электронов от атома. Такими свойствами обладают ультрафиолетовая радиация и все другие более коротковолновые излучения, например электромагнитные волны рентгеновского диа­пазона.

     Биологический эффект поглощенного ионизирующего излучения выражают в особых единицах — грэях (Гр). Одному грэю соот­ветствует поглощение энергии в 1 Дж на 1 кг массы.

     Важнейшее средство защиты человека — ограничение дозы поглощенного излучения. По нормам, принятым в США, для лиц, подвергающихся облучению на производстве, предельно допустимая годовая доза составляет 50 мГр. Индивидуальная доза для осталь­ного населения не должна превышать 50 мГр за 30 лет без учета естественного радиационного фона .

    На радиочастотах энергия квантов (фотонов) недостаточна для ионизации атомов вещества. Падающее электромагнитное по­ле переводит атомы или молекулы в возбужденное состояние. Вслед за этим атомы или молекулы возвращаются в исходное со­стояние, излучая новые кванты той же самой частоты. В конечном итоге вся энергия радиоволн, поглощаемая организмом, переходит в теплоту. Этим часто пользуются в медицине для прогревания внутренних органов. Однако длительное воздействие на человека СВЧ-полей с плотностью потока мощности в несколько мВт/ приводит к болезненным явлениям, прежде всего к помутнению хрусталика глаза. Не исключается возможность генетических из­менений в организме. Поэтому при эксплуатации соответствующе­го оборудования следует неукоснительно соблюдать научно об­основанные нормы радиочастотного облучения персонала [3].

5.8. Вопросы для самопроверки

     1. Укажите основные особенности распространения сверхдлинных и длинных волн.

     2. Каковы достоинства и недостатки радиосвязи на СДВ и ДВ ?

     3. Каковы характеристики сферического волновода Земля-ионосфера ?

     4. Укажите основные особенности распространения средних волн.

     5. Как изменяются условия распространения СВ в течении суток ?

     6. Какова природа замираний сигнала на СВ ?

     7. Как определяется напряженность электрического поля в диапазоне СВ ?

     8. Укажите основные особенности распространения коротких волн.

     9. Исходя  из  какого  условия выбирают  максимально  применимую частоту ?

     10. От каких факторов зависит наименьшая применимая частота?

     11. Что такое зона молчания ?

     12. Каковы причины замираний КВ ?

     13. Какое явление называется эффектом Кабанова ?

     14. В каких районах земного шара связь на КВ затруднительна ?

     15. В какое время суток можно работать на более высоких частотах в пределах коротковолнового диапазона ?

     16. Укажите основные особенности распространения ультракоротких волн в приземном пространстве.

17. Укажите особенности распространения УКВ в пределах прямой видимости.

     18. Каким образом влияют отражения от неровной земной поверхности на распространение УКВ ?

     19. Укажите особенности распространения УКВ над пересеченной местностью и в городах.

     20. В чем заключается явление, называемое усиление препятствием?

     21. Укажите особенности распространения УКВ в пределах большого города.

     22. Укажите особенности распространения УКВ на большие расстояния в условиях сверхрефракции.

     23. Поясните процесс рассеяния УКВ на неоднородностях тропосферы.

     24. К чему приводит рассеяние и отражение метровых волн в ионосфере?

     25.  Какие методы приема используются для борьбы с замираниями УКВ?

     26. Укажите основные особенности распространения УКВ в космическом пространстве.

     27. Приведите основные характеристики межпланетной среды.

     28. Поясните особенности УКВ радиолиний Земля-космос: потери энергии; поворот плоскости поляризации; замирания.

     29. Укажите основные особенности распространения волн оптического и ИК диапазонов.

     30. В чем заключаются причины ослабления оптических и ИK волн в атмосфере?

     31. Каковы особенности рефракции оптических и ИK волн?

     32. Каково влияние атмосферы на распространение  излучения оптических квантовых генераторов?

     33. Что является источником помех в диапазонах оптических и ИK волн?

     34. В чем заключается проблема электромагнитной безопасности?

ЛИТЕРАТУРА

1.  Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 1. Основы электродинамики: Тексты лекций. -  М: МГТУ ГА, 2002. – 80 с.

2.  Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 2. Основы электродинамики. Тексты лекций.- М: МГТУ ГА, 2005. – 100 с.

3.  Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов. – М: Высш. шк., 1992. – 416 с.

4. Никольский В.В., Никольская Т.Н. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов. – М: Наука., 1989. – 544 с.

5. Марков  Г.Т.,  Петров  Б.М.,  Грудинская  Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов. – М: Сов. радио, 1979. – 376 с.

6.  Грудинская Г.П. Распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов. – М: Высш. шк., 1975. – 280 с.

7.  Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники: Том 1./Под ред. Б.Х. Кривицкого, В.Н. Дулина. – М: 1977. – 504 с.

СОДЕРЖАНИЕ

    ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………….. 3

1. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ …4

1.1.  Формула идеальной радиопередачи  ………………………………………. 7

1.2.  Область пространства, существенная при распространении радиоволн.     Метод зон Френеля …………………………………………………………. .10

    1.3.  Вопросы для самопроверки ……………………………………………….... 12

2. ВЛИЯНИЕ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН  ……………………………………………………………………..13

 2.1.  Поглощение радиоволн различными видами земной поверхности ……….13

2.2. Отражение плоских радиоволн на границе воздух – гладкая               поверхность Земли   ………………………………………………………….17

2.3.  Отражение радиоволн от шероховатой поверхности   …………………….19

2.4.  Классификация случаев распространения земных радиоволн ……………22

2.5.  Поле излучателя, поднятого над плоской земной поверхностью…………22

2.6. Поле излучателя, расположенного вблизи плоской земной     

       поверхности  …………………………………………………………………..25

    2.7.  Дифракция радиоволн вокруг сферической земной поверхности ……….. 28

    2.8   Вопросы для самопроверки ………………………………………………… 29

3. ТРОПОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН ..30

3.1.  Состав и строение тропосферы …………………………………………….. 30

3.2.  Диэлектрическая проницаемость и показатель

        преломления тропосферы …………………………………………………... 31

3.3.  Рефракция радиоволн в тропосфере ……………………………………….. 33

3.4.  Поглощение радиоволн в тропосфере ……………………………………... 37

3.5.  Вопросы для самопроверки ………………………………………………… 39

4. ИОНОСФЕРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН …39

4.1.  Ионизация и рекомбинация газа в ионосфере …………………………….. 39

4.2.  Строение ионосферы  ……………………………………………………….. 41

4.3.  Диэлектрическая проницаемость и проводимость ионизированного

       газа (плазмы)………………………………………………………………….. 44

4.4.  Скорость распространения радиоволн в ионизированном газе (плазме) ...46

4.5.  Поглощение радиоволн в ионизированном газе …………………………...47

4.6.  Преломление и отражение радиоволн в ионосфере ………………………. 49

4.7.  Влияние постоянного магнитного поля на электрические

        параметры ионизированного газа…………………...……………………… 50

4.8  Вопросы для самопроверки  ………………………………………………… 52

   5. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНОВ ………………………………………………………………….. 53

5.1.  Особенности распространения сверхдлинных и длинных волн …………. 53

5.2.  Особенности распространения средних волн  …………………………….. 57

5.3.  Особенности распространения коротких волн  .……………………………58

5.4. Особенности распространения ультракоротких волн в приземном пространстве ………………………………………………………………… 62

5.5. Особенности распространения ультракоротких волн в космическом пространстве ………………………………………………………………… 71

5.6. Особенности распространения волн оптического и инфракрасного диапазонов …………………………………………………………………...  77

5.7.  Электромагнитная безопасность …………………………………………...  83

5.8.  Вопросы для самопроверки ………………………………………………...  84

ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………………………  86

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9