2017-12-14
2599
Отметим особенности формирования тропосферных волноводов над Черным морем. Отличительной особенностью термодинамических процессов над поверхностью Черного моря по сравнению с аналогичными процессами над поверхностью океана является то, что при размерах акватории, сопоставимой с синоптическими масштабами, процессы в атмосфере над ним подвержены значительному влиянию континентального воздуха. Это влияние в большинстве случаев оказывается решающим. Наибольшие различия в термодинамических процессах наблюдаются между жаркими летними месяцами — июлем, августом и осенними месяцами — сентябрем и октябрем.
Типичные летние зависимости распределения метеовеличин по высоте и соответствующий им 
профиль приведены на рисунке6.6[8]. Данные измерения выполнены в июле вблизи Крымского полуострова. Как видно из рисунка, высота приводного волновода летом в среднем составляет 
при 
дефиците 
.
Рисунок 6.6 – Типичные зависимости распределения метеовеличин по высоте и соответствующий им 
- профиль вблизи северного побережья
|
|
|
Черного моря в летний период
К сентябрю поверхность суши прогревается слабее и все чаще наблюдаются случаи, когда температура приводного слоя воды оказывается выше температуры приводного слоя воздуха. В связи с этим отличительной особенностью этого периода является влажная конвекция. Такое состояние в сентябре-октябре является типичным, поскольку температура континентального воздуха в среднем понижается. К тому же в ночное время над сушей наблюдаются значительные выхолаживания.
В осенний период года типичной волноведущей структурой является волновод испарения высотой 8…12м. Отсюда следует, что для волноводов испарения и приводных ТРВ, возникающих над Черным морем, высота 
может меняться от единиц до десятков метров в зависимости от времени года и механизма их образования.
Отметим еще одну специфику морских тропосферных волноводов, которая заключается в следующем. «Стенками» таких волноводов, как следует из рисунка 6.7,
с одной стороны, является морская поверхность с параметрами 
, 
, 
, от которой отражаются волны при наклонном падении на нее; с другой – слой тропосферы с аномально пониженной относительной диэлектрической проницаемостью 
, причем 
плавно переходит в 
. Значения 
и 
также зависят от координаты 
,т. е. текущей высоты ТРВ. Для упрощения выкладок индекс “1”, применительно к среде, заполняющей ТРВ, будем опускать.
Полагаем, что волна, падающая на границу раздела сред на высоте 
испытывает полное внутреннее отражение, а от поверхности моря – зеркальное отражение.
|
|
|
Рисунок 6.7 – Траектория радиоволны в ТРВ
и 
– проекции волнового вектора 
на оси координат;
– коэффициент преломления среды, образующей ТРВ и зависящий от координаты 
;
– текущий угол скольжения радиоволны
В условиях открытого моря модель сферически-слоистой атмосферы можно считать справедливой, за исключением моментов прохождения циклонов, шквалов и других гидрометеорологических
явлений.
Назовем угол 
углом «запитки» ТРВ (рис. 6.8), под которым будем понимать максимальный угол скольжения радиоволны в ТРВ, при котором еще возможен волновой процесс вдоль оси 
, не выходящий за пределы высоты ТРВ 
.Полагаем, что при наличии сверхрефракции угол скольжения радиоволны на высоте ТРВ 
будет 
и выражение для угла «запитки» природного тропосферного волновода будет иметь вид [7]:
(6.7)
где nh1 и n0 – показатели преломления радиоволн на высоте h1 (верхняя стенка волновода) и у поверхности моря соответственно;
Rз – радиус Земли.
Анализ формулы (6.7) показывает, что угол 
невелик для морских ТРВ, так как значение 
незначительно отличается от значения 
, а 
.
Рисунок 6.8 – К определению угла 
При известном 
-профиле тропосферы (рис. 6.6) взаимосвязь текущих значений коэффициента преломления радиоволн 
и индекса рефракции 
определяется выражением
, (6.8)
откуда
. (6.9)
Понятие максимальной длины радиоволны применительно к тропосферным волноводам вводиться по аналогии с критической длиной волны для металлических и диэлектрических волноводов. Под 
понимают наибольшую длину волны, при которой захватывается хотя бы одна мода радиоволны, распространяющейся в тропосферной волноведущей структуре. Полагая, что приблизительное значение фаз коэффициентов отражения составляет примерно 
, 
и представив 
,
где 
дефицит 
профиля тропосферы при сверхрефракции, приведем приближенную формулу для определения 
, пригодную для инженерных расчетов[7]
. (6.10)
Выражение (6.10) является более общей зависимостью 
от параметров ТРВ, так как позволяет определить максимальные длины волн различных типов (различных мод) m = 0,1,2,3,..., которые могут распространяться в тропосферном волноводе.
При оценке влияния морского тропосферного волновода на загоризонтное распространение радиосигнала необходимо знать условия его «принудительного» возбуждения.
Так знание значения 
(см. формулу 6.10) для конкретного морского ТРВ является необходимым условием. К достаточному условию следует отнести знание угла ориентирования диаграммы направлености РЛС по отношению к морскому ТРВ. Он должен быть таким, чтобы электромагнитная энергия радиолокатора «возбудила» морской волновод, и станция могла вести загоризонтное наблюдение за надводными целями. Этот угол 
(рис.6.8) называется углом «запитки» ТРВ и может быть рассчитан по формуле (6.7).
Для наглядности приведем изменения вида зоны видимости радиолокатора в зависимости от вида рефракции радиоволн. Под зоной видимости понимаем зону пространства, где РЛС «видит» цель.
На рис. 6.9 для сравнения изображены зоны видимости радиолокационной станции при отсутствии рефракции (рис.6.9, а), при нормальней рефракции (рис.6.9, б) и при сверхрефракции (наличие морского тропосферного волновода (рис. 6.9, в).
Рисунок 6.9 – Влияние рефракции на зону видимости РЛС
Отметим, что явление оптического миража есть не что иное, как сверхрефракция на оптических волнах.
В заключение приведем факт по сверхдальнему радиолокационному обнаружению за счет морского ТРВ [6]. В 1944 г. в период с февраля по май радиолокатор на волне 150 см, который находился на высоте 78 м над уровнем моря в Бомбее, обнаруживал цели, расположенные на аравийском и иранском побережьях на дистанциях до 2740 км. Отражения от этих целей удерживались часами, а в наиболее жаркое время – и днями.
|
|
|
Отсюда видно, что грамотный учет таких условий распространения радиоволн может дать такое же улучшение тактико-технических характеристик РЛС, как и перспективные инженерные решения.
6.1.3. Рассеяние радиоволн в тропосфере
(эффект дальнего тропосферного рассеяния)
В середине ХХ века экспериментально было установлено, что за пределами горизонта возможен прием радиоволн, причем не за счет явления сверхрефракции. Основной причиной этого явления служит рассеяние радиоволн неоднородностями тропосферы. Упрощенно этот процесс можно представить так.
Неоднородности в тропосфере непрерывно возникают из-за постоянно существующего турбулентного движения воздуха, в результате такого вихревого движения воздуха возникает трение между его частицами, что приводит к нагреванию воздуха. Поэтому диэлектрическая проницаемость меняется (уменьшается), что и приводит к возникновению неоднородностей тропосферы и как следствие меняется индекс преломления радиоволн N. Эти неоднородности непрерывно меняются в своих размерах и перемещаются под действием воздушных течений. Идеализированное представление этого явления показано на рисунке 5.3, г. Размеры неоднородностей, рассеивающих радиоволны, соизмеримы с длиной волны. Если рассеивающие неоднородности тропосферы расположены на высоте h =10000 м, то дальность тропосферного распространения составляет около 800 км, при высоте антенны передатчика над землей 10м. Поскольку поле в точке приема получается весьма слабым, то на таких радиолиниях применяют антенны с высокой направленностью и высокочувствительные приемники. Эта особенность тропосферы получила практическое применение при дальней радиосвязи в УКВ-диапазоне.
