Главная | Обратная связь

Рассеяние УКВ на турбулентных неоднородностях

При достижении определенной скорости упорядоченное, ламинарное движение воздушных масс (при котором один слой газа движется относительно другого с определённой скоростью) нарушается, и возникает вихревое, турбулентное движение. О характере движения можно судить по величине числа Рейнольдса

, (12.10)

здесь r - плотность газа, l - характерный масштаб некоторого объема движущейся среды, v_l - ско­рость его перемещения, h - коэффициент динамической вязкости, n - коэффициент кинематической вязкости.

Если число Re больше некоторого критического значения Re_кр, движение становится турбулентным. Основные закономерности такого движения известны благодаря работам Колмогорова и Обухова. Если в турбулизованной среде возникает вихрь масштаба l такого, что соответствующее ему число Re >> Re_кр, то он неустойчив, быстро разрушается, и на его месте возникают вихри масштаба l' < l. В случае выполнения и для этих вихрей ус­ловия Re > Re_кр, они также разрушаются и т. д. до тех пор, пока для некоторого масштаба l₀ не получим < Re_кр. Неоднородности масштаба l < l₀ исчезают под действием сил вяз­кости, кинетическая энергия вихрей переходит в тепловую. Масштаб l₀ называется внутренним масштабом турбулентности. В тропосфере l₀ » нескольким мм. Таким образом, в турбулентной атмосфере существует целый спектр масштабов l турбулентных неодно­родностей скорости ветра от l₀ до максимального масштаба турбулентности L (в тропосфере L » 50 ¸ 100 м).

Благодаря турбулентному движению различ­ные элементы объема воздуха могут переноситься из одной области пространства в другую почти без изменения своих параметров. В результате, в каждой точке тур­булизованной среды имеются флуктуации давления, плотности, тем­пературы, что приводит к пульсациям коэффициента преломления n. В тропосфере турбулентные флуктуации Dn » (1 ¸ 2)10^-6.

Турбулентные флуктуации n вызывают рассеяние радиоволн, характер которого зависит от соотношения между размером неоднородностей l и длиной волны l. Если l >> l, неоднородности действуют как оптическая линза: максимум переизлучения в направлении первоначального распространения, и чем больше отношение l / l , тем ýже диаг­рамма направленности. Однако рассеяние будет наблюдаться и по другим направлениям.

Рассмотрим наземную радиотрассу и выясним условия, наиболее благоприятные для приема рассеянного сигнала. Пусть AC = l - расстояние между рассеивающими неоднородностями по вертикали (рис. 12.7). В точке приема волны от вторичных источников А и С интерферируют, максимум сигнала полу­чится при совпадении этих волн по фазе, для чего разность хода лучей

,

должна быть равна (кратна) l, откуда получаем связь между углом рассеяния q и минимальным размером рассеивающих неоднородностей l:

. (12.11)

Таким образом, рассеянный сигнал в точке приема формируется определенными масштабами турбулентных неоднородностей, т. е. рассеяние носит селектив­ный характер. Для трасс, использующих тропосферное рассеяние, характерны следующие параметры:

- высота пересечения главных максимумов диаграмм направленности 3 ¸ 5 км, что обеспечи­вает связь на расстояниях до 900 км;

- мощность передатчика Р₀ = 10 ¸ 100 кВт, ширина диаграмм направленности не более 1⁰ (обеспечивается параболическими антеннами диаметром до 40 м), что обусловлено большими потерями энергии при рассеянии;

- рабочая полоса частот 300 ¸ 5000 МГц определяется как спектром наблюдающихся масштабов неоднородностей, так и тем, что на больших частотах сильно растут потери энергии, а на более низких требуют­ся большие антенны.

Пример трассы тропосферного рассеяния (рис. 12.8). Пусть передающая (A) и приёмная (B) антенны направлены на горизонт, и высота пересечения главных максимумов диаграмм направленности над серединой трассы h = 5 км. Найдём угол рассеяния q, полагая R_З = 6378 км. Из D_OAC имеем Тогда q = 2DW = 4,54⁰.

AC = = 252,6 км, Dr = R_З×DW = 6378×0,039584 = 252,46 км, следовательно, расстояние между концами трассы ÇAB = 2Dr » 505 км. Если предположить, что рассеяние эффективно на масштабах неоднородностей, не превышающих 10 м, то на данной трассе следует использовать радиоволны с l < 20×sin2,27⁰ = 0,79 м, т. е. частоты f > 380 МГц.