Prevailing mechanism tropospheric propagation far beyond the horizon of ultra short waves.pdf Введение За семьдесят лет исследования и практического использования дальнего тропосферного распространения (ДТР) пока так и не удалось выработать единый взгляд на физическую природу такого явления. Это можно объяснить как проблемами измерения и описания многочисленных параметров электромагнитного поля за радиогоризонтом, так и невозможностью достоверной оценки радиофизических параметров атмосферы в объеме рассеяния [1]. В настоящей статье для выяснения физического механизма формирования электромагнитного (ЭМ) поля за радиогоризонтом в основу исследований положены не характеристики неоднородностей, переизлучающих радиоволны, а единый для любого вида принимаемых сигналов параметр, являющийся важнейшим компонентом гауссовой модели ЭМ-поля за радиогоризонтом. Этим параметром является так называемый параметр когерентности g, который равен корню квадратному из отношения мощностей регулярного и случайного компонентов описываемого электромагнитного поля в точке приема [2-4]. В рамках этой модели предполагается, что поле является аддитивной смесью регулярного и случайного компонентов, где случайная составляющая распределена по нормальному закону с нулевым средним. Параметр когерентности как индикатор механизма ДТР Обращаясь к известной классификации метеорологических процессов и явлений в атмосфере [5] и к описанию радиофизических явлений при распространении в ней радиоволн [1], можно утверждать, что некогерентный сигнал принимается за горизонтом в условиях работы радиолинии в атмосфере с мелкомасштабной структурой неоднородностей, а когерентный сигнал формируется при переизлучении радиоволн неоднородностями с размерами, соизмеримыми или превышающими размеры зоны, существенной для распространения волн. Для этих двух случаев получим, в пределе, два крайних значения параметра когерентности: 0 и . Хорошо известно, что спектр неоднородностей коэффициента преломления непрерывный в интервале масштабов от миллиметров до тысяч километров [6]. Естественно, что каждая из этих неоднородностей всегда присутствует в атмосфере и вносит определенный свой вклад в формирование ЭМ-поля за горизонтом, а потому величина параметра когерентности должна зависеть от их суммарного вклада в принятый сигнал ДТР. Именно по этой причине параметр когерентности, вычисленный на основе использования экспериментальных данных, принимает некие средние значения внутри интервала его крайних (теоретических) величин. Систематизация значений параметра g, вычисленных по данным опытов на сухопутных и морских трассах разной протяженности, представлена в табл. 1 и 2. Таблица 1 Параметр g на сухопутных трассах Западной Сибири в летне-осенний период;  = 10 см [2] Длина трасс, км 50-100 100-150 150-200 Параметр когерентности 2.5-4.5 1.7-5.0 1.2-6.0 Таблица 2 Параметр g на трассах северо-запада Тихого океана длиной 200-500 км [3, 4] Длина волны, см 10 35-50 150-200 Параметр когерентности летом 1-5 - - Параметр когерентности зимой 0.5-3 1-3 1-4 Из представленных в таблицах данных следует сделать вывод, что поле УКВ, сформировавшееся за горизонтом, характеризуется наличием когерентной компоненты, в большинстве случаев существенно преобладающей над некогерентной составляющей принимаемого сигнала, которая формируется за счёт рассеяния на турбулентных неоднородностях (глобулах). Представленные результаты подтверждают заключение, сделанное в работе [7], о том, что глобулярное рассеяние УКВ «не является довлеющим механизмом» формирования электромагнитного поля радиоволн дальнего тропосферного распространения. Хорошо известные эффекты ДТР УКВ Автор работы [8], исследуя механизм распространения волн за радиогоризонтом, показал, «что явление рассеяния радиоволн турбулентностью атмосферы, несомненно, играет определённую роль в явлении дальнего тропосферного распространения, так как наблюдаемые уровни сигнала (точнее, слабая компонента сигнала, существующая большую часть времени) хорошо соответствует экспериментально исследованному уровню флуктуаций показателя преломления. В то же время имеются факты, которые не находят объяснения в рамках теории рассеяния (зависимость от частоты), что свидетельствует о наличии одновременно действующих других механизмов дальнего тропосферного распространения». На один из таких механизмов указали авторы обзорной работы [9], отметив, что «существенную роль в образовании поля ДТР УКВ играет лишь небольшое количество компонент сигнала, переизлучённых немногими неоднородностями, попавшими в объём переизлучения. Об этом же говорит тот необъяснимый с позиции теории рассеяния факт, что дисперсия медленных флуктуаций зависит от направленности антенн». В этой же работе указано, что «переизлучающие неоднородности обладают сильной анизотропией», т.е. обладают характерным признаком слоёв. Такое утверждение не является новым словом в исследованиях распространения радиоволн за горизонтом. Ещё за два десятилетия до опубликования обзора [9] вывод об определяющей роли слоистых неоднородностей в явлении ДТР УКВ был сделан в работах американских радиофизиков [10, 11]. Но эти работы почему-то оказались незаслуженно обделёнными вниманием в русскоязычной литературе, хотя там были представлены, на наш взгляд, убедительные теоретические и экспериментальные доказательства определяющей роли слоистых мезомасштабных неоднородностей (размерами сотни-тысячи метров) при переизлучении сигналов за радиогоризонт. При этом в работах было указано, что отражение происходит как от горизонтальных слоёв в плоскости большого круга, так и от наклонных, расположенных в стороне от него. Необычные эффекты ДТР УКВ Ещё более убедительным доказательством определяющей роли отражений радиоволн от слоистых мезомасштабных неоднородностей как механизма ДТР УКВ являются известные, но ранее не обсуждаемые необычные эффекты ДТР УКВ [1, 7]. При изложении результатов своих опытов авторы работы [11] ограничивают гипотезу наличия наклонных слоёв лишь случаем существования волнообразных отражающих поверхностей. Но в атмосфере такие слои возникают лишь при определённых условиях и потому не существуют постоянно. Зато в возмущённой среде при наличии ветра, восходящих и нисходящих потоков воздуха формируются объёмные мезомасштабные неоднородности с квазиплоскими границами, параллельными и случайно наклонными к горизонту поверхностями [12, 13], способными отражать радиоволны в произвольном направлении в пределах некоторого телесного угла. Такие неоднородности способны порождать эффекты, необычные с точки зрения устоявшихся взглядов на явления загоризонтного распространения УКВ. Представляем два зафиксированных, очень интересных, но до сих пор не объяснённых факта, наблюдавшихся при приёме сигналов в зоне ДТР. Во-первых, это случаи [1], когда «наблюдались как отдельные очень большие выбросы углов прихода, так и медленные плавные отклонения «среднего» значения угла до 5°». Во-вторых, это случаи, когда диаграмма направленности (ДН) «внезапно раздваивается почти на равные части; такое разделение продолжается в течение некоторого времени», или когда «наблюдается резкое возрастание уровня боковых лепестков вплоть до слияния их с главным, расслоение и искажение формы главного лепестка» [7]. Такие явления ДТР вообще не упоминаются при обсуждениях механизмов формирования ЭМ-поля за радиогоризонтом. Однако интерпретация таких экспериментальных результатов логично и просто выполняется исходя из наличия в тропосфере случайно наклонённых отражающих слоёв, находящихся в стороне от плоскости большого круга (ПБК), на основе численного имитационного моделирования мезомасштабных флуктуаций углов прихода сигналов за радиогоризонтом [14, 15]. Факт приёма сигнала с большим отклонением азимутального угла прихода (рис. 1) логично объясняется наличием существующих в стороне от плоскости большого круга сильно наклонённых слоистых неоднородностей, интенсивно отражающих радиоволны. Величина горизонтального отклонения угла прихода существенно зависит от наклона слоя и его удаления от плоскости большого круга. Естественно, чем шире ДН, тем более удалённые от ПБК неоднородности смогут отражать радиоволны в направлении на приёмник и тем большая величина отклонения угла прихода будет зафиксирована. Это соображение справедливо и для случая сканирования антенн в горизонтальной плоскости. Рис. 1. Распределение углов прихода в горизонтальной плоскости для трассы 225 км: сплошная кривая - экспериментальное, штриховая - гауссовское Как показали модельные опыты [15], отклонение азимутального угла прихода до 5 возможно при отражении от слоя с наклоном около . Отражающими слоями с таким большим наклоном могут быть грани объёмных (например, облачных) мезомасштабных образований. Согласно данным, приведённым в работе [13], «изменение коэффициента преломления в облаках … достигает 40 и более N-ед. относительно окружающей среды», а «возрастание коэффициента преломления от границы к максимуму внутри облака … на наиболее крутых его склонах достигает значительных величин (порядка 1-3 N-ед./м)». Или это могут быть мощные конвективные потоки воздуха с большим контрастом коэффициента преломления на «боковых стенках», формирующие интенсивные облака. Именно такие метеоусловия, способствующие формированию неоднородностей с хорошо выраженной вертикальной структурой, могли существовать в период проведения опытов «на трассе короче 390 км в марте-апреле», когда весенней порой за счёт разного нагрева очень контрастных участков земной поверхности (чёрная оголённая пашня - заснеженные лес, луг) существуют мощные конвективные потоки и формируется интенсивная облачность. Второй интересный эффект - расслоение и искажение ДН, описан и проиллюстрирован в работах [1, 7]. Один из наглядных примеров такого явления представлен на рис. 2, где диаграммой направленности следует считать огибающую записанного сигнала, когда она «раздваивается почти на равные части» [1]. Авторы работы [7] отмечают, что такого вида диаграммы «являются наиболее типичными, встречающимися чаще всего» и они наблюдаются «при сильных искажениях фронта падающей волны». Рис. 2. «Мгновенная» диаграмма направленности, сильно искаженная по сравнению с диаграммой в свободном пространстве [7] Регистрация таких «мгновенных» диаграмм направленности в приёмном пункте выполнена в режиме кругового вращения луча приёмной антенны в горизонтальной плоскости. Запись диаграмм осуществлялась фоторегистратором при постоянной скорости протяжки плёнки. Одновременно с сигналом производилась запись азимутальной метки, определяющей нулевое направление на передатчик. Угол между азимутальной меткой («ступенька» вверху рисунка) и максимумом диаграммы направленности определяет угловое смещение ДН. Рис. 3. Механизм возникновения расслоения и искажения формы ДН при приёме в зоне ДТР Механизм возникновения таких искажений формы ДН при приёме в зоне ДТР поясняется на рис. 3. Если в объёме атмосферы, облучаемом передающим устройством (T), имеются две или более отражающие слоистые неоднородности, для которых в какие-то моменты времени условия прихода лучей в одну точку приёма (R) выполняются, то в этой точке, вследствие интерференционных явлений, неизбежно будут появляться искажения диаграмм направленности. При сканировании антенны приёмника сигналы принимаются от разнесённых в пространстве неоднородностей, отражающих радиоволны в направлении приёмника. Из-за задержки во времени прихода отражённых сигналов формируются два (как в нашем случае), или даже больше, максимума диаграммы направленности. Если фотоплёнка регистратора перемещается справа налево, то слой 1 «формирует» в момент его облучения первый максимум ДН, а вторая неоднородность повторяет это явление в момент , формируя, тем самым, второй максимум, что и регистрируется на плёнке. Вполне естественно, что далеко не все искажения подобны тому, что представлено на рис. 2. Их разнообразие определяется набором многих факторов, среди которых можно назвать такие, как число, характеристики и пространственное расположение неоднородностей, параметры радиосистем и режимы их работы, протяжённость линий связи. Результат зависит также от интенсивности и формы боковых лепестков, участвующих в формировании поля за радиогоризонтом [7]. Наблюдаются как сильные, так и слабые искажения диаграмм, которые связаны с интерференцией волн, переизлучённых неоднородностями с разной структурой поверхностей и разной интенсивностью отражений. Зафиксированы также «мгновенные» диаграммы с огибающими в виде монотонно убывающих кривых относительно максимума, наблюдаемые при низких уровнях сигнала [1]. Результаты численных экспериментов по изучению флуктуаций углов прихода в зоне ДТР, изложенные в работе [16], показывают, что модельные закономерности, полученные на основе гипотезы о приёме за радиогоризонтом сигналов, отражённых от наклонных слоёв, совпадают с данными, полученными на трассах тропосферного распространения. Модель случайно наклонённых отражающих слоёв естественно и просто объясняет эти эффекты. Заключение Использование коэффициента когерентности и вычислительные эксперименты, выполненные в рамках гипотезы о наличии в объёме переизлучения мезомасштабных горизонтальных и случайно наклонённых слоёв, отражающих радиоволны, с произвольной ориентацией плоскости их наклона, позволили получить объяснение дистанционной зависимости среднеквадратических отклонений углов прихода, фактов отклонений этих углов в горизонтальной плоскости до 1-3 и даже 5º и ряда других экспериментально зарегистрированных при ДТР явлений, не имеющих интерпретации с позиций теорий рассеяния и отражения от протяжённых горизонтальных слоёв. Предложенная гипотеза механизма ДТР УКВ полностью согласуется с фактами, объясняет их и, следовательно, доказывается этими фактами.

Скачать электронную версию публикации