РАЗДЕЛ 2
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИСКАЖЕНИЙ ВОЛНОВЫХ ФРОНТОВ СИГНАЛОВ СРЕДОЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН НА СОБСТВЕННОСТРУКТУРНЫЕ АЛГОРИТМЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
2.1. Оценка возможных искажений волновых фронтов сигналов средой распространения радиоволн
2.1.1 Параметры среды распространения радиоволн, приводящие к искажениям волновых фронтов сигналов. Для описания и количественной оценки эффектов, возникающих при распространении электромагнитных волн в земной атмосфере, необходимо знать ее электрические свойства. В атмосфере Земли можно выделить две существенно отличающиеся по своим электрическим свойствам области: тропосферу и ионосферу.
Тропосфера - нижний слой атмосферы, простирающийся от поверхности Земли до высоты около 10 км и содержащий основную часть воздуха и водяного пара. Ее можно рассматривать как недиспергирующий изотропный диэлектрик.
Ионосфера - область атмосферы, концентрация свободных электронов в которой может достигать в и простирающаяся в интервале высот примерно от 60 до 10 000 км. Отличие относительной диэлектрической проницаемости ионосферы от единицы обусловлено дополнительным полем, создаваемым движущимися под действием внешнего поля свободными электронами. Наличие магнитного поля Земли придает этим процессам анизотропные свойства.
Характеристикой среды, в которой распространяются электромагнитные волны, служит тензор диэлектрической проницаемости, который в общем случае представляет собой комплексное случайное тензорное поле, зависящее от времени, а в ионосфере и от частоты.
Относительная диэлектрическая проницаемость тропосферы отличается от единицы только в четвертом знаке. Для частот ниже 50 ГГц с ошибкой менее 1% можно записать [7, 66]:
где - абсолютная температура [K]; - давление сухого воздуха и - давление (упругость) водяного пара [Па].
В оптическом, субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах нужно учитывать зависимость от частоты и комплексность вблизи линии поглощения молекул.
Часто вместо диэлектрической проницаемости для описания электрических свойств тропосферы используют приведенный коэффициент преломления , определяемый выражением . Здесь - коэффициент преломления, связанный с соотношением . Реальная зависимость от координат точки и времени сложна и разнообразна вследствие изменчивости состояния тропосферы, однако в среднем убывает с высотой, так как с высотой уменьшаются давления воздуха и водяных паров.
Наибольшее распространение получила экспоненциальная модель изменения с высотой коэффициента преломления [7, 66-68]
где - приведенный коэффициент преломления у поверхности Земли, изменяется от 500 до 800, - скорость убывания с высотой, она зависит от географического положения, сезона года, времени суток и метеорологических условий (пределы изменений от 0,12 до 0,15 ).
Другая модель основана на разделении коэффициента преломления на сухую и влажную составляющие и предположении, что каждая из них меняется с высотой по экспоненциальному закону [66, 69, 70].
Также встречается биэкспоненциальная модель, предложенная Колосовым М.А. [65, 71] для описания электрических свойств нейтральной атмосферы.
Нерегулярное изменение диэлектрической проницаемости тропосферы, обуславливают ее неоднородности.
Слоистые неоднородности представляют собой горизонтально вытянутые образования, чаще всего толщиной от единиц до сотен метров и горизонтальными размерами от сотен метров до сотен километров. Отклонение относительной диэлектрической проницаемости в слое от среднего значения от в интервале высот 0...1 км до (4...6) в интервале высот 4...5 км. Число слоев может составлять 4 - 5 в интервале высот 0...1 км и 1 - 2 в интервале высот 4...5 км. Скорость движения слоистых неоднородностей достигает 2...30 м/с, а время жизни меняется от единиц секунд до суток [7, 65, 72].
Неоднородности тропосферы, обусловленные турбулентностью, описываются с использованием статистических методов. Среднее квадратичное значение флюктуации относительной диэлектрической проницаемости в интервале высот 0,5...5 км составляет ..., а размеры - от десятков метров до десятков километров.
Плотность газа на высоте 50 км в тысячу раз меньше, чем на поверхности Земли, поэтому неионизированные компоненты газа там практически не влияют на распространение радиоволн. Как показано в [7, 65, 66, 73], относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы для декаметровых и более коротких волн, определяется выражением
,
где - электронная концентрация [эл/м3], - круговая частота колебаний [рад/с], - эффективная частота столкновений электронов с ионами и нейтральными молекулами. Для радиоволн короче десяти метров коэффициент преломления в ионосфере равен , где - частота [Гц].
Высотные профили электронной концентрации и эффективной частоты столкновений электрона с ионами и нейтральными молекулами зависят от времени суток, сезона года и фазы цикла солнечной активности. Для их описания в большинстве случаев ограничиваются функциями с единственным максимумом и с тремя - четырьмя свободными параметрами, при помощи которых можно управлять положением максимума, концентрацией в максимуме и т.д. Более подробная информация содержится в [74, 75]
Неоднородности ионосферы случайного типа, характеризуются следующими параметрами. Размеры неоднородностей бывают от единиц метров до сотен километров. Глубина неоднородностей (относительные флюктуации) . Для километровых неоднородностей эта величина пропорциональна размеру неоднородности. Неоднородности вытянуты вдоль магнитных силовых линий. Скорость дрейфов (ионосферных ветров) может достигать сотен метров в секунду, скорость хаотического движения около 1 м/с. Время жизни мелкомасштабных неоднородностей - порядка 1...10 с. Неоднородности располагаются преимущественно на высотах от 200 до 600 км. В области "полярной шапки" и в экваториальной области их больше, чем на средних широтах.
Для статистического