Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Курганов Р.А. Прогнозирование наклонного рассеивания радиоволн метеорными ионизациями

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

8.32 Mб

Скачать

☆

1 / 191 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая >>>

Р. А. КУРГАНОВ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ

НАКЛОННОГО

РАССЕИВАНИЯ

РАДИОВОЛН

МЕТЕОРНЫМИ

ИОНИЗАЦИЯМИ

а I в 111ІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІІ

ИЗДАТЕЛЬСТВО КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 1973


Печатается	по	постановлению
Редакционно-издательского			совета
Казанского		университета
Научный редактор — доц. В. В.			Сидоров
п ѵ б г і ч ѵ а я Г	/ ) / /

яя е ѵ

Вмонографии приведены результаты эксперимен тального исследования и методы прогноза законов

распределения

числа

и длительности

радиоотражений

от метеорных

ионизации

при рассеянии

вперед,

зави

симости

средней

численности

длительности

отра

жений

от уровня

регистрации,

частоты

радиоизлуче

ния, длины трассы, времени суток

и года.

Изложены

результаты

экспериментального

исследования

и ме

тоды

прогноза

угловой

направленности

метеорного

распространения

корреляционных

характеристик

в случае

применения

разнесенного

пространственного

приема,

определяющих

скрытность,

помехозащищен

ность

и потери

времени

передачи

информации

систем

метеорной

радиосвязи.

На

трассах,

расположенных

в полярных и субполярных областях,

исследованы

аномалии

метеорного

распространения,

вызываемые

аномальным

состоянием

ионосферы

магнитосферы.

Даны

математические

критерии

аномальности

и мето

дика

прогноза

аномального

распространения.

Приве

денные

в монографии

методики

позволяют с

погреш

ностью

менее

30%

прогнозировать

соответствующие

параметры

распространения

для трасс

любой

длины,

ориентации,

географического

положения,

частоты из

лучения,

энергетики,

времени суток

и года.

Книга-

может быть

полезна

специалистам в об

ласти

распространения радиоволн,

а также

студентам.

	0263-002	„	Л
К	075 (00 - 7 3	48—72

(^) Издательство Казанского университета, 1973 г.

В В Е Д Е Н И Е


Еще в 30-х годах			Эккерслей [1] указал,				что рас
сеяние радиоволн на			неоднородностях			ионизирован
ных	слоев	атмосферы		является	важным		фактором
в распространении радиоволн и может						быть исполь
зовано для радиосвязи				на большие	расстояния.
Скеллет		[2] в 1931	году высказал предположение,
что	обнаруженные при			экспериментальном			изучении


ионосферы		кратковременные			флюктуации		степени
ионизации		[3]	могут быть		связаны	с появлением
в слое Е	метеоров — мельчайших материальных							при
шельцев	из	космоса.		радионаблюдений			метеоров
Мысль о возможности
впервые	была		высказана	А. С. Астаховым			[4],	кото
рый в 1925—1926 гг. вел				наблюдения		метеоров при

помощи радиоприемника. Им отмечалось появление

кратковременных

шумов,

связанное

пролетом ме

теоров.

Шафером,

Гудаллом,

Скеллетом од

Проведенные

новременные

визуальные

радиотехнические

наблю

дения

[5]

во

время

прохождения

потока

Леонид

(1932—1933 гг.)

дали

хорошее

совпадение

между

кратковременными флюктуациями

ионизации

слоя Ь

и прохождением

отдельных метеоров.

В 1933 году

подобные

наблюдения

были

произведены

Леуши-

ным

f4] в

Ленинграде

во

время

прохождения

по

тока

Драконид.

Пирс

[6]

теоретически

рассмотрел

1938 году

рассеивание радиоволн

метеорным

следом.

Особенно

интенсивное

исследование

метеорных

ионизации

началось с 1945 года,

когда

Хей и Стьюарт

использовали

для изучения

метеорных

следов

радио

локаторы,

работающие

на

длинах

волн

4—5 м [7].

Наряду

проведением

большого

количества

экспе

риментальных работ по изучению зеркальности

отра

жений,

высот

отражающих

точек

[8, 9,

10],

голов-

ного эхо [11], многоцентровости отражений [12], изменения расстояния до следа [13] успешно разра батываются теоретические вопросы отражения радио

волн от метеорного следа [14, 15,	16, 17, 18,	19],
физики метеорного следа [20—25] и	вопросы влия
ния параметров радиолокационной	аппаратуры	на

статистические характеристики обнаруживаемых ме теорных радиоэхо [26, 27].

Работа Эшлимана [28], посвященная теории рас сеивания радиоволн метеорными ионизациями, поло жила начало ряду экспериментальных и теоретиче ских исследований в этой области.

Предложение об использовании метеорных вспы

шек для радиосвязи впервые было выдвинуто	Пинео.
В 1949 году Виллард, Маннинг и Петерсон	обсуж

дали возможность использования метеорных радио


отражений для			радиосвязи,		основываясь		на резуль
татах экспериментального					исследования		метеорного
распространения			радиоволн.		Форсайт	[29]	дал	ясное
решение	вопроса о потенциальных					возможностях и
практической		важности		нового вида		связи.		Вопрос
о возможности			практического применения				связи, ос
нованной	на	отражении		радиоволн		от	метеорных

следов, обсуждался на X Генеральной Ассамблее УРСИ в 1952 г. Осенью 1952 г. в Канаде были про ведены первые опыты в этом направлении и в 1954 г. практически осуществлена двухсторонняя телеграф ная линия между Оттавой и Порт-Артуром протя женностью 1050 км. [30].

В настоящее время метеорные линии радиосвязи применяются в целом ряде стран, а изучением вопро сов физики метеорного следа, распределения метеор ного вещества в Солнечной системе и вопросов, связанных со спецификой использования метеорных радиоотражений для радиосвязи, занимается обшир ный круг исследователей.

Результаты выполненных исследований позволяют представить следующую картину возникновения ме теорных ионизации. Земная атмосфера непрерывно бомбардируется падающими из космоса метеорными частицами различных масс и скоростей. Вероятность падения частиц с массой, лежащей в интервале от некоторой m до m+dm р(m) = (s — X)-msQ-l-m~s [22,31],

Ф.


где s = 2,5 — параметр		закона распределения				падаю
щего потока	метеорных	частиц		по	массам.	В сутки
на землю падает 90-Ю6			частиц	с	массой	большей
5,5«Ю- 4 гр.	Подавляющее		большинство частиц при

надлежит Солнечной системе, т. е. имеет гелиоцен


трическую	скорость,		не превышающую			параболиче
ского предела		42 км\сек.		Кроме	того,	подавляющее
большинство		частиц	движется по орбитам,				близким
к земной.	Количество			частиц,	догоняющих		землю,
примерно	в	сто раз		больше	встречно		летящих

частиц [22]. Следствием этого является наличие почти равномерного геоцентрического распределения плот ности падающего на землю потока спорадических (случайных) метеорных частиц [32, 33]. Плотность падающего метеорного потока имеет устойчивый се зонный ход с минимумом в феврале — марте и мак симумом в июне — августе, соответствующим пере сечению землей крупного пояса спорадических ме


теорных	частиц.		Распределение			геоцентрических
скоростей	метеорных			частиц не зависит от распре
деления их масс,			примерно одинаково для				всего ис
следованного		диапазона масс			10~6	гр < m < 102 гр,
и является	функцией			элонгации	s радианта		метеор
ных частиц от		апекса		за счет	сложения		гелиоцен

трической скорости частиц-с орбитальной скоростью

земли	[31, 34].	Минимальная геоцентрическая			ско
рость	частиц порядка 11 км/сек соответствует				дей
ствию	эффекта притяжения земли на частицы				с ну
левой	геоцентрической		скоростью.	Максимальная
геоцентрическая		скорость	порядка	72 км/сек	соот

ветствует летящим с апекса частицам, имеющим параболический предел скорости 42' км/сек. Суще ственной сезонной зависимости распределения скоро стей не обнаружено. Большинство частиц имеет

атомный вес ц. =	9,5-Ю- 2 3 гр (железо),	удельную теп
лопроводность	Л = 0,7 кал/см'сек-град.,	удельную

теплоту испарения / == 7,5-1010 эрг/г и круглую форму (коэффициент формы А = 0,48). Частицы с массой, меньшей Ю - 9 гр, теряют энергию в результате столкновения с молекулами воздуха на высоте 110 км и оседают на землю в форме пыли [31]. Оставшийся после торможения запас кинетической энергии частиц

с большей массой расходуется на разогревание и плавление частиц, а также испарение и ионизацию атомов частиц. Испарившиеся атомы, обладая боль шим запасом кинетической энергии, производят иони зацию нейтральных молекул воздуха, в основном молекул кислорода. Следовательно, после пролета такой метеорной частицы остается ионизированный метеорный след. Плотность ионизации следа харак теризуется величиной линейной электронной плот ности, равной количеству образовавшихся свободных электронов на 1 ж длины следа. Линейная электрон ная плотность является функцией высоты h над по верхностью земли [21]

h~hm

h~hm .

4 т

Здесь а т — максимальная линейная электронная плот ность следа, hm — высота точки максимальной иони зации следа.

а,„

Ю-1 5

m - v 3 c 0 s Z

(2)

— максимальная линейная электронная плотность следа, зависящая от первоначальной массы частицы т, ее геоцентрической скорости ѵ, зенитного угла Z между осью следа и зенитом, атомного веса частиц следа р и приведенной высоты атмосферы И [37]. Метеорная частица с массой 5 - Ю - 4 гр., падающая по вертикали

со скоростью		V = 40 км/сек,		создает	на	высоте
h = 90 км	максимальную		линейную		электронную
плотность	ат =	1013 эл/м	[22].	Высота	hm	связана

с давлением атмосферы барометрической формулой,

	J!üL
т. е. рт	= е н .	Давление в	точке	максимальной
ионизац и [21, 36]
		2-f.g.m1 3 --cosZ
	Рт~~	А-А-ѵ*	'	( ä )

где g—ускорение силы тяжести, /, Л, А — указанные выше параметры, характеризующие физические свойтва частицы.

Вылетающие с большой скоростью атомы и моле кулы метеорной частицы до момента установления теплового равновесия с окружающей средой успе вают удалиться от оси следа на некоторое расстоя ние, создавая при этом ионизированный столб с эф фективным радиусом г0 , называемым начальным радиусом метеорного следа [31, 35, 38]. Величина начального радиуса является функцией геоцентриче ской скорости метеорной частицы и плотности атмо сферы на высоте образования следа, т. е. функцией высоты образования следа. По данным [39, 40, 41] начальный радиус можно аппроксимировать выраже нием

(4)

Величина начального радиуса метеорного следа опре деляет начальную среднюю объемную электронную плотность следа с данной линейной электронной плотностью. Объемная плотность ионизации метеор ных следов (1012 эл/м3) достаточна для эффективного отражения радиоволн вплоть до СВЧ диапазона. Отражение радиоволн от следа зеркально, т. е. углы между следом и падающим лучом и следом и отра женным лучом равны. Если линейная электронная плотность следа в точке отражения меньше некото рой критической

(5)

где Ф — половина угла рассеивания, т. е. угла между падающим на след и отраженным лучом, то рассеи вание происходит за счет когерентного и независи мого переизлучения всех электронов следа. Такие следы называются недоуплотненными. Максимальная величина отраженного сигнала PR достигается в момент пролета частицей центра первой зоны Френеля, длина

кото рой [42] L = 2	ß.sin2 <£) '
(.гI + r2) (1 — cos2

		Г\-Гі{Г\	+	r 2 ) ( l	—cos2 (3-sin2 <î>)
где	{x0	= 4 - Ю - 7		гн/м,	е и	т — заряд	и масса элек
трона,		РТ—	мощность,			излучаемая	передатчиком,
QiG2	— коэффициент				усиления по мощности			приемной
и передающей				антенн, cos р — множитель				поляриза

ции, зависящий от угла ja между векторами поляри зации волн, падающей на след и принимаемой антен ной, ги г2— расстояние зеркальной точки отражения на следе до приемника и передатчика, ß —угол между осью следа и плоскостью, проходящей через точки передачи, отражения и приема, называемой плоскостью связи.

Сразу же после образования метеорный след на чинает разрушаться за счет действия амбиполярной диффузии ионов и электронов, составляющих след, и амплитуда отраженного сигнала начинает умень шаться по экспоненциальному закону £ / = Л - е х р ^ —

с постоянной			времени	распада			д2s e c 2 ф		где
							t = —	,
D — коэффициент			амбиполярной			диффузии,		являю-
				_	А	~ 8	6
щийся	функцией		высоты	D = е	н		. Если	линейная
электронная плотность в точке отражения								больше
критической, то заметным становится вторичное									рас
сеяние	от	электрона к		электрону,			т. е. рассеяние
перестает		быть независимым и когерентным.						За	счет

рефракции во внешних слоях следа радиоволны не доходят до оси следа на некоторое расстояние, на зываемое критическим радиусом метеорного следа. Очевидно, что величина критического радиуса зави сит от объемной электронной плотности ионизиро ванных частиц следа. По определению, критический радиус — это Расстояние от оси следа, на котором диэлектрическая проницаемость * следа становится

равной	нулю. Величина	критического радиуса г\ —
= (W't	+ rg)In — , где	іѴс-—критическая объемная

электронная плотность, определяемая из условия равен-

ства нулю к на частоте радиоизлучения /, т. е. ус-

			Nc
ловия 1—		8 1 - ^ - = 0. За			счет амбиполярной диффу
зии	радиус		следа	через	время t	увеличивается	до
r = y	W-t		+ r%. С	увеличением		радиуса следа	про

исходит уменьшение объемной электронной плот

ности следа N =	. В результате на протя-
к (4Dt +	г\)

жении некоторого времени после пролета метеором зеркальной точки отражения происходит увеличение критического радиуса следа гс. Эквивалентная отра жающая поверхность следа, представляющего собой в данном случае металлический цилиндр радиуса гс , возрастает и увеличивается мощность отраженного

сигнала. Через время [31] tn——^-. ^ — ^ от раженная мощность достигает максимального значе

ния	[44]
			X	-		•					(7)
			г , . / - 2 ( / - , + г 2 ) ( 1 — c o s 2 M « ' n 2 < £ ) '
где	s — основание			натурального логарифма.							Через
время
			Гя = 1,13-1(Г1 4 -а- А 2 - 8 е с 2 ф								(8)
к на	оси		становится	равной		нулю. При этом				гс	и ве
личина		отраженной		мощности			быстро		падают до
нуля.		Величина Тп		называется			длительностью				отра
жения		от	переуплотненного			метеорного			следа.		При
больших			электронных		плотностях,			когда	Тп	порядка
десятков			секунд	и	минут,		становится		ощутимым
уменьшение объемной					электронной			плотности			следа
за счет действия эффектов						прилипания и			рекомбина

ции электрически заряженных частиц следа. Эффект рекомбинации в дневное время практически компен сируется фотоэффектом, вызывающим дополнительную ионизацию частиц следа.

1 / 191 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ