23.2. АТМОСФЕРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

23.2.1. Рефракция

Коэффициент рефракции или, так как относительная магнитная проницаемость близка к единице, диэлектрическая проницаемость земной атмосферы является функцией плотности воздуха и содержания водяных паров и, хотя ее величина почти равна единице [19, 92], она оказывает значительное влияние на скорость распространения [66, 148, 271]. Такие рефракционные эффекты видоизменяют [167, 386] распространение радиоволн. Данные о распределении диэлектрической проницаемости [126] атмосферы обычно собирают с помощью самолетных рефрактометров [72]. Разработано несколько типов таких приборов в [28, 186, 256, 263, 293, 376], которые обычно состоят из двух генераторов СВЧ, частоты которых стабилизированы с помощью герметизированного эталонного объемного резонатора, имеющего температурную компенсацию [65]; возможно также применение конструкции с открытыми выводами [295]. Изменения диэлектрической проницаемости записываются на бумажную ленту. С помощью таких рефрактометров были проведены [26, 27, 29, 55, 69, 70, 71, 72, 127, 320, 340, 365] многочисленные измерения диэлектрической проницаемости атмосферы на различных высотах.

Плотность воздуха зависит не только от высоты, но и от температуры. В нормальной хорошо перемешанной атмосфере температура уменьшается на это изменение обычно сопоставляют с действительной температурой и получают так называемую потенциальную температуру, график которой представлен на рис. 23.6, а. Для нормальной атмосферы изменение потенциальной температуры с выортой равно нулю; этому случаю соответствует вертикальная пунктирная линия. Количество водяных паров, присутствующих в воздухе, характеризуется удельной влажностью, которая равна отношению веса водяных паров к весу воздуха. В нормальной ненасыщенной атмосфере удельная влажность не зависит от высоты, чему и соответствует вертикальная. пунктирная линия рис. 23.6, б. При стандартных условиях рефракции, когда плотность воздуха с высотой уменьшается, падает равномерно и волны распространяются не по прямой линии, а по кривой, как показано на рис. 23.6, в. Общий эффект рефракции будет таким, как если бы радиоволны распространялись по прямой линин над «Землей», имеющей эффективный радиус

Распределение диэлектрической проницаемости в атмосфере обладает тонкой структурой, и возникающие изменения траектории распространения приводят к изменениям сигнала. При этом луч подвергается [221, 294, 314] серии беспорядочных фазовых задержек, так как он сначала проходит более плотные, а затем менее плотные слои атмосферы. Флюктуации фазы для однолучевого распространения на расстоянии определяются выражением

Рис. 23.6. Распространение радиоволны в атмосфере Земли: а — распределение температуры; б - распределение влажности; в — рефракция радиоволн в стандартных и нестандартных условиих. (См. [33].)

где средний квадрат отклонения диэлектрической проницаемости от единицы, протяженность области турбулентности. Беря типичные значения находим, что среднеквадратичное значение составляет около 3,5 мрад. Фазовые изменения, связанные с синусоидальностью траектории, являются эффектами второго порядка относительно Де и поэтому ими можно пренебречь. Некоторые измерения [73, 265] углов прихода на оптических траекториях показали, что отдельные составляющие распространяющихся волн приходят под углами, отличающимися от ожидаемого направления до в этих условиях может заметно уменьшиться коэффициент усиления узконаправленных антенн. Параллельные траектории в атмосфере [131, 132, 315] обладают фазовой корреляцией, которая зависит от расстояния между ними и линейного масштаба.

Ввиду наличия градиента диэлектрической проницаемости в направлении, перпендикулярном траектории луча, возникают «мерцания» [93] или беспорядочные изменения угла прихода. Для антенны с ограниченной апертурой фаза суммарного сигнала является средней величиной для всех лучей, которые попадают в апертуру, в связи с чем флюктуации сглаживаются [334]. Пространственные флюктуации диэлектрической проницаемости приводят также к обратному рассеянию [95, 111] радиоволн, что часто наблюдается как эффект отражения от атмосферы [13, 17, 75, 108, 111, 149].

Так как траектория радиоволн в земной атмосфере редко представляет собой прямую линию, то изменение условий вызывает большие изменения уровня сигнала во времени, называемые федингами. При нормальном градиенте показателя преломления фединги обязаны своим происхождением эффектам многолучевого распространения [205, 232], которые вызываются как интерференцией между прямой и отраженной от поверхности волнами, так и интерференцией между двумя или большим числом отдельных лучей в атмосфере. Проводились [74, 128, 170, 171, 172,355] наблюдения федингов над земной поверхностью, включая траектории с чередующимися скатами [309]. В результате измерений коэффициента усиления в зависимости от высоты, выполненных на частоте [324] над неровной и холмистой почвой, установлено явление изменения расположения нулей антенной диаграммы. Аналогичные результаты были получены [83] на частотах 0,52, 1 и при наблюдении над пустынной местностью на расстоянии до

По-видимому, фединги бывают особенно сильными над такими поверхностями, как ровные долины или вода, коэффициент отражения которых близок к единице. В этих случаях в зависимости от атмосферных условий прямой и отраженные лучи будут иногда складываться, а иногда компенсировать друг друга. Фединги можно уменьшить, располагая две антенны на разных высотах. Наблюдения [31] на оптической траектории при частотах 3,27 и показали, что глубина замираний достигает . Подобные результаты были получены [160, 162] и на частотах длительность

замираний колебалась от 15 до 120 мин. Измерения длительности и скорости замираний [121], проведенные на частотах были подвергнуты статистическому анализу. Проводились наблюдения распространения радиоволн над морем для оценки углов прихода [282, 284, 286] и загоризонтных траекторий [225, 233, 336].

При определенных метеорологических условиях температура и удельная влажность атмосферы изменяются с высотой, как показано на рис. 23,6, а и б сплошными линиями. Диэлектрическая проницаемость на небольших высотах возрастает, так что траектории радиоволн имеют тенденцию отклоняться от поверхности Земли, затем на высотах, где существует нормальная рефракция, они могут повернуть к Земле и, достигнув ее поверхности, снова от нее отразиться. Как показал Букер [33], волны при этом попадают в атмосферный канал или волновод, что изображено на рис. 23.6, в. Эго явление можно описать, пользуясь последовательностью характеристических волн вида или [130, 195], причем с ростом индекса видов колебаний ширина траектории увеличивается. За горизонтом дифрагированное поле принимает вид частично волноводной волны; ширина траектории волн первого вида изменяется от на до на Скорость убывания диэлектрической проницаемости по ширине траектории волн первого вида определяет в первую очередь утечку из верхушки волновода и, следовательно, качество такой волноводной системы.

Влияние такого радиоволновода на распространение радиоволн изучалось [5, 6] с учетом климатологических данных. Так как локальные изменения атмосферы могут оказывать на распространение радиоволн существенное влияние, то понятие модифицированного радиуса Земли почти бесполезно и для различных типов поверхностей, частот и времен распространения приходится обращаться к статистическим данным. Показано [193, 194], что испарение над морем приводит к образованию вблизи поверхности слоя, имеющего очень высокое содержание водяных паров, которое быстро уменьшается с высотой; это создает полупостоянный волновод высотой до нескольких десятков метров, наличие которого весьма существенно на частотах свыше Проведены эксперименты при различных условиях сверхрефракции [32, 60, 61, 67, 100, 145, 157, 166, 201, 211, 214, 336, 354, 364, 388].