Все научные статьи
Вечерук Г.В., дфмн Кондранин Т.В., Журавлев А.В. Исследование взаимодействия сверхширокополосных электромагнитных импульсов с вертикально стратифицированной атмосферой
Научная статья
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1489
Исследование взаимодействия сверхширокополосных
электромагнитных импульсов с вертикально
стратифицированной атмосферой
Вечерук Г.В. fgeorg@geo.mipt.ru),
Кондранин Т.В. fkondr@kondr.rector.mipt.ru),
Журавлев А.В. fbold@3ka.mipt.ru)
Московский физико-технический институт (государственный университет)
АННОТАЦИЯ
В результате выполнения работы, для расчета переноса сверхширокополосных электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ) в реальной атмосфере разработан пакет программ, базирующийся в свою очередь на пакете программ Hitran. Использование данного пакета обеспечивает возможность расчета коэффициентов поглощения, преломления и других физических характеристик, требуемых для расчета переноса излучения во всей области частот при произвольных атмосферных параметрах с любой детализацией.
Полученные результаты расчета коэффициентов поглощения, оптических толщин, коэффициентов преломления и величин отставания по фазе показали, что в изучаемом диапазоне частот, они практически полностью определяются поглощением водяного пара и кислорода. Расчеты показывают, что эти величины сильно зависят от частот, резко возрастая вблизи резонанса и убывая в окнах прозрачности. При этом, в среднем, они довольно быстро возрастают с ростом частоты до таких величин, что атмосфера становится непрозрачной для излучения на частотах свыше 16 см" .
Исследование механизма преобразования СШП ЭМИ при прохождении им атмосферы позволил математически сформулировать обратную задачу, которая заключается в определении метеорологических параметров атмосферы по измерениям преобразованного импульса. В результате математически обратная задача свелась к решению двух линейных интегральных уравнений.
Проведенные численные эксперименты по изучению влияния вариаций температуры и влажности на вариации спектральных характеристик СШП ЭМИ показали, что зондирование атмосферы методами СШПР возможно.
Анализ результатов прохождения через атмосферу прямоугольных ЭМИ различной длительности показал, что уменьшение длительности импульса приводит к смещению в коротковолновую область значимых спектральных составляющих. При этом наиболее подходящими спектральными характеристиками для зондирования атмосферы обладают ЭМИ длительностью порядка 10 пс.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1490
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия, для изучения параметров атмосферы и подстилающей поверхности Земли, успешно развиваются методы дистанционного зондирования в микроволновом диапазоне длин волн, простирающимся от 1мм до 100см.
Дистанционное зондирование в микроволновом диапазоне осуществляется методами радиолокации и радиотеплолокации, как с поверхности Земли, так и с летательных аппаратов.
Повышенный интерес к дистанционному зондированию в микроволновом диапазоне обусловлен рядом преимуществ, которые он обеспечивает по сравнению с зондированием в видимом и ИК диапазонах. Эти преимущества заключаются в том, что атмосфера для микроволнового диапазона либо прозрачна (в длинноволновой области), либо полупрозрачна (в коротковолновой). Данный факт позволяет проводить дистанционное зондирование при любых погодных условиях (облачность, дождь) в любое время суток, а также определять такие важные параметры атмосферы, как водность облаков и интенсивность осадков[14].
Изучение обзора методов и средств дистанционного зондирования в микроволновой области [14] позволяют сказать, что точность определения параметров атмосферы и подстилающей поверхности значительно уступает точности их определения контактными методами. Увеличение точности дистанционного зондирования требует усовершенствования методов, существующих технических средств и применения новых технических средств.
В данной работе предлагается исследование возможностей использования для дистанционного зондирования атмосферы таких технических средств, как сверхширокополосная радиолокация (СШПР). При этом рассматриваются принципиальные возможности применения СШПР для дистанционного зондирования безотносительно существующих технических возможностей, которые постоянно увеличиваются.
Интенсивное развитие в последние десятилетия технических средств сверхширокополосной радиолокации [1-12 ]обеспечивает новые возможности для изучения различных природных образований методами дистанционного зондирования.
При установке сверхширокополосного радиолокатора на космической платформе возможно дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности Земли. Широкополосность используемых сигналов повышает их информативность по сравнению с обычными радиолокаторами. При этом с точки зрения достижения максимального горизонтального разрешения и уменьшения габаритов радиолокатора целесообразно использовать короткие импульсы, спектр которых смещен в коротковолновую область. Однако при смещении спектра в коротковолновую область (длины волн короче 2 см.) возникают проблемы, связанные с усилением взаимодействия его составляющих с атмосферой.
Механизм взаимодействия излучения с атмосферой в рассматриваемом диапазоне частот сильно зависит от состояния атмосферы и от выбора частот.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1491
Из вышесказанного просматриваются следующие возможности для дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности Земли сверхширокополосными электромагнитными импульсами (СШП ЭМИ).
Для дистанционного зондирования подстилающей поверхности Земли предлагается использовать СШП ЭМИ с такими спектральными характеристиками, когда его спектральные составляющие незначимы в области, где существенно влияние атмосферы. Очевидно, что данный выбор приводит к ограничению спектрального состава СШП ЭМИ, уменьшению горизонтального разрешения и, соответственно, к уменьшению информативности широкополосного зондирования.
В альтернативном варианте допускается использование СШП ЭМИ на спектральные составляющие которых влияет атмосфера. Спектральный состав такого импульса будет шире, но при этом необходимо учитывать влияние атмосферы.
Из сказанного выше следует, что наличие атмосферного влияния на распространение СШП ЭМИ накладывает определенные ограничения на дистанционное зондирование поверхности Земли. Вместе с тем влияние атмосферных условий на спектральный состав прошедших через атмосферу составляющих СШП ЭМИ указывает на возможности решения другой важной задачи - определения параметров атмосферы по изменению формы проходящего через нее СШП ЭМИ.
В идеальном варианте представляется целесообразным решение комбинированной и взаимосвязанной задачи по одновременному дистанционному зондированию атмосферы и поверхности Земли.
Таким образом, при планировании эксперимента по дистанционному зондированию поверхности Земли и атмосферы с использованием СШП ЭМИ, в обоих случаях необходимо решение задачи по переносу СШП ЭМИ различной формы и длительности в различных атмосферных условиях.
Именно эта задача решалась в данной работе.
1. МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ.
На распространение монохроматической электромагнитной волны (ЭМВ) в атмосфере влияют следующие основные факторы:
- влияние молекулярного поглощения излучения атмосферными газами,
- поглощение жидко-капельной влагой содержащейся в облаках и туманах; Храссеяние на каплях, аэрозолях и турбулентных образованиях;
- влияние ионосферы.
Влияние каждого из перечисленных факторов существенным образом зависит от диапазона частот распространяемого излучения и атмосферных условий, которые могут меняться в широких пределах.
Рассмотрим более подробно влияние приведенных выше факторов.
При длинах волн более 10 см распространение ЭМВ в тропосфере происходит практически без потерь энергии. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1492
волн и более коротких волнах становится заметным ослабление энергии приаа их распространении в атмосфере.
Ослабление энергии ЭМВ происходит по следующим причинам.
Во-первых, происходит поглощение ЭМВ в гидрометеорах - частицах дождя, снега, града, тумана. На сверхвысоких частотах ЭМВ наводит в этих частицах заметные токи смещения, наведенный ток вызывает нагревание частиц за счет диэлектрических потерь, энергия ЭМВ поглощается. С ростом частоты диэлектрические потери увеличиваются.
Во-вторых, гидрометеоры частично рассеивают падающую на них ЭМВ. Рассеяние наблюдается в тех случаях, когда длина волны становится соизмеримой с величиной гидрометеоров. На сантиметровых волнах рассеяние могут вызвать крупные хлопья снега, град. На миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн даже мелкие капли дождя и капли в облаках и туманах рассеивают ЭМВ. Рассеяние энергии гидрометеорами ослабляет поле, распространяющееся в направлении приемной антенны, то есть оказывает то же действие, что и поглощение энергии.
Третьей причиной ослабления поля ЭМВ является резонансное поглощение энергии ЭМВ молекулами газов воздуха, что приводит к увеличению энергии молекул за счет энергии ЭМВ. Резонансное поглощение становится заметным при длинах волн короче 2см. и наблюдается при любых метеорологических условиях.
Таким образом, для решения задачи о влиянии атмосферы на прохождение СШП ЭМИ необходимо знать спектр ЭМИ (зависящего от длительности и формы импульса), состояние атмосферы на трассе прохождения импульса и механизмы пропускания
На данном этапе проводилось изучение распространения излучения в чистой атмосфере на трассе от поверхности Земли до высот порядка 30 км., то есть учитывалось только влияние молекулярного резонансного поглощения. Все остальные факторы, влияющие на распространение излучения (параметры облачности и аэрозоля, турбулентности и ионосферы), сильно зависят от состояния атмосферы и будут рассматриваться на следующих этапах работы.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СРЕДЕ, ПОСТАНОВКА ПРЯМОЙ ЗАДАЧИ.
Любой ЭМИ может быть представлен в виде суммы независимыми друг от друга гармонических волн. Будем далее считать, что мы имеем дело с набором плоских волн. Такое приближение для сферической волны допустимо в предположении, что расстояние от источника излучения до приемника велико по сравнению с размерами антенны. В этом случае в идеальном диэлектрике (то есть в таком, где не происходит поглощения излучения) амплитуда электромагнитной плоской не зависит от расстояния до излучателя частоты.
Рассмотрим в соответствии с [ 13 ] теорию переноса СШП ЭМИ в реальной атмосфере.
Пусть СШП ЭМИ произвольной формы и длительности Uo(t) распространяется в направлении z>0.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1493
U(z=0,t)= U0(t)
Данныйа сигнала будема рассматриватьа кака суперпозициюа плоских гармонических волн
СО -t71
Uo(t) = га ск ехр(-icokt)аа гдеа ск=Ч f U(t)exp( icokt)
?=-со ^
-71
В этом случае решение волнового уравнения может быть представлено в следующем виде
соа z
U(z,t)а =аа Yuа скаа ехР( -icktаа +а \\ k(z ,G)k)dz )
? = -СОа Q
(2.1)
где k(z\cOk) - волновое число. В том случае, когда в среде, где распространяется волна, дисперсии нет, то к не зависит от z и равно к = <к / с, где с - скорость света в вакууме, выражение (3.1) будет иметь следующий вид:
СОаа СО
U(z,t)аа = Yuа скаа ехР(аа -аа icktа +аа icokz/cаа )аа = ^а Скаа ехр(аа -аа icok(tа -а V))
? = -СО ? = -СО
(2.2)
где f =z/c
Отсюда следует, что все волны приходят в точку z одновременно с запаздыванием f без изменения и, следовательно, в точке z после интерференции волн получим исходный сигнал Uo(t - V) с запаздыванием f.
В том случае, когда в среде дисперсия не равна нулю, волновое число k(cOk,z) -комплексная величина сложным образом зависящая от СОк и z.
k(z,cok) = ki(z,cok) + i k2(z,cok)
Уравнение (2.1) в этом случае имеет следующий вид.
СОаа Zа Z
Ud(z,t)= Y сК ехр( - icokt + i J к^ЮкЖ - J k2(z\u)k)dz) =
к=-юО О
со z z
Y сКа ехр(а -а J k2(z,,c0k)dz,)а ехр(а -а icoktа +а iа J ki(z\(ak)6z)
k=-x0а 0
(2.3)
Согласноаа формулеаа (2.3)аа преобразованиеаа СШПа ЭМИ,а приа прохождении атмосферной трассы, происходит за счет двух факторов.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1494
Первый фактор, описываемый первой экспонентой, является действительной функцией, содержащей функцию k2(z,c0k), которая называется коэффициентом поглощения, определяет ослабление каждой спектральной составляющей при прохождении через атмосферу и зависит от частоты СОк и от распределения метеорологических параметров атмосферы, зависящих от z..
Второй фактор, описываемый второй экспонентой, обусловлен мнимой составляющей волнового числа ki(z,c0k), которая определяет изменение фазы спектральной компоненты приходящей в точку z, также зависящий от распределения метеорологических параметров атмосферы и частоты.
Величина ki связана с фазовой скоростью v соотношением
ki = co/v
Таким образом, преобразование СШП ЭМИ происходит благодаря
интерференции независимыха гармонических составляющих ослабленных
атмосферой и приходящих в точку приема с разной фазовой скоростью.
Проведенное выше общее, теоретическое изучение вопроса о прохождении плоских ЭМВ через поглощающую среду позволяет сформулировать конкретную постановку прямой задачи о распространении СШП ЭМИ в атмосфере и способы ее решения.
СШП ЭМИ следует рассматривать как сумму плоских, гармонических ЭМВ в широком диапазоне частот.
На первом этапе необходимо подобрать форму и длительность СШП ЭМИ таким образом, чтобы спектр его частот располагался в диапазоне наиболее удобном для решения поставленной задачи. На следующем этапе для каждой ЭМВ, из входящих в спектр СШП ЭМИ, необходимо определить величину оптической толщины - ik и величины фк, определяющей отставание по фазе, на изучаемой трассе.
z
1к = \а k2(z' ,(Qt)6z (2.4)
z
фк= j ki(z\(ok)6z
(2.5)
Для этого необходимо, на основе имеющейся информации о распределении метеорологических параметров в атмосфере, обеспечить вычисление коэффициентов ki(z\cOk) и k2(z\c0k) в каждой точке трассы на любой из рассматриваемых частот.
На завершающем этапе весь спектр, прошедших и преобразованных при прохождении атмосферной трассы, ЭМВ должен быть просуммирован по формуле (2.3) для получения конечного результата.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1495
3. МОДЕЛИ РАСЧЕТА МНИМОЙ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСНОГО ВОЛНОВОГО ЧИСЛА В ЧИСТОЙ
АТМОСФЕРЕ
В этом разделе рассмотрим, используемые в данной работе, модели расчета мнимой - ki(z,c0k) и действительной - k2(z,c0k) составляющих комплексного волнового числа, входящих в уравнения (2.3)
Реализация расчетов базируется на созданном авторами пакете программ использующих в свою очередь пакет программ Hitran. Пакет Hitran. содержит в специальном каталоге спектральные параметры, необходимые для расчета коэффициентов поглощения, для всего спектрального диапазона частот(от радиочастот до ультрафиолетовой области), для основных, активных газовых компонента атмосферыа иа способыаа иха извлеченияа иза каталога.аа Ваа числоа этих
1аа 9
параметров входят сила линии - So (см" / молекула см"), резонансная частота - соо (см"), полуширина линии при нормальных условиях - р0 (см" /атм), величина энергии нижнего энергетического уровняаа -Е,л(см").
Большим достоинством созданного пакета является возможность расчета коэффициентов поглощения и преломления в любой произвольно выбранной точке спектра при произвольных атмосферных параметрах, что обеспечивает любую детализацию при расчетах.
Коэффициент поглощения, являющийся функцией частоты и метеорологических параметров атмосферы, зависящих от Z, вычисляется следующим образом :
N
k2(z,co) = ^ Sifi(co)
z=l
(3-1),
где i - номер используемой для расчета спектральной линии, fi -контур линии.
Для расчета коэффициента поглощения на любой частоте используются все отобранные для данного спектрального диапазона спектральные линии, так как каждая линия дает вклад в величину коэффициента на всех частотах, хотя и быстро убывающий по мере удаления от резонансной частоты. Поэтому суммирование проводится по всем отобранным спектральным линиям.
Сила линии является функцией температуры-Та и может быть вычислена по следующей формуле
S(Ta) = S(Ts)*Qv(Ts)*Qr(Ts)/Qv(Ta)*Qr(Ta)*exp (1.439Е"*(Та - Ts)/Ta*Ts)
где Qv и Qr - колебательные и вращательные разделенные функции. Индекс - s означает, что они взяты при нормальной температуре Ts = 296 К.
Колебательные разделенные функции для основных изотопов приведены в табл.аа 3.1.а Разделенныеа функцииа другиха изотопова аналогичны.аа Температурная
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1496
зависимость вращательных разделенныхаа функцийаа задается зависимостью (T/Ts)', где значения j также приведены в табл. 3.1.
В качестве контура спектральной линии - fi использовался контур Жевакина-Наумова, полученный ими из кинетического уравнения, дающий удовлетворительное согласие с экспериментом в микроволновом диапазоне длин волн. Он может быть представлен в следующем виде
f. = *!.аа 4Д
1аа я [a>t 2-со2 У+4а>2&2'
где со; - резонансные частоты, полуширины - Pi являются функциями температуры и давления и записываются следующим образом
Pi = P0l*(Pa/Ps)*(Ta/Ts)-m
где Ра и Та давление и температура атмосферы соответственно, а величина щ берется из таблицы 3.1.
Таблица 3.1 Колебательные разделенные функции
молек ула |
j |
Т |
175 |
200 |
225 |
250 |
275 |
296 |
325 |
Н20 |
1.5 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.001 |
|
со2 |
1.0 |
1.009 |
1.019 |
1.032 |
1.050 |
1.071 |
1.093 |
1.126 |
|
03 |
1.5 |
1.004 |
1.007 |
1.013 |
1.022 |
1.033 |
1.046 |
1.066 |
|
N20 |
1.0 |
1.017 |
1.030 |
1.048 |
1.072 |
1.100 |
1.127 |
1.170 |
|
СО |
1.0 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
|
СН4 |
1.5 |
1.000 |
1.000 |
1.001 |
1.002 |
1.004 |
1.007 |
1.011 |
|
о2 |
1.0 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.000 |
1.001 |
Использование каталога с параметрами спектральных линий и приведенных выше данных позволяет вычислять коэффициенты резонансного поглощения газами на любой частоте и при любых атмосферных параметрах.
Формулы для расчета коэффициентов поглощения к2, приведенные выше, хорошо известны и часто используются для решения задач пассивного дистанционного зондирования. В задачах активного дистанционного зондирования, как видно из (2.3), важную роль играет коэффициент к\. Для определения коэффициента ki следует воспользоваться связью, которая существует между коэффициентами ki и k2.
Волновое число к является комплексным k = ki + i к2 и может быть выражено через комплексную диэлектрическую проницаемость (в предположении, что магнитная проницаемость равна 1) следующим образом.
1 2аа 2/2
каа = СОаа 8к/ с ,
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1497
где
sk = 61 + i б2,
или
k= kj + i k2 = Ч -,jsx +is2
(3.2)
Для получения составляющей волнового числа - ki следует воспользоваться дисперсионным соотношением Крамерса-Кронига, связывающие мнимую - 82 и действительную - Si часть комплексной диэлектрической проницаемости. Это соотношение имеет вид:
1аа . 1 7 SAC0 ) j
Si = 1 + / 2V {Хdco
ж i\co - со )
Подставляя выражение для Si в (3.2) и предполагая малость, по сравнению с единицей, входящих под радикал членов содержащих 82, получим после разложения радикала в линейном приближении следующее выражение.
k=k1 + ik2=-(l + Ч 1-^Xdcoаа + l-e2(a>))
сIn Jjco -co j2
(3.3)
Приравнивая действительные и мнимые части выражения (3.3) получаем формулы для расчета ki и 82
+СО
o + ibr^W) |
+СО
со
Ч v1аа 'аа Ч 7ЧЧТ
с2:L\co-co )
S2=^ |
2ск со
Выражая 82 через, описанный выше (3.1) коэффициент поглощения кг и подставляя 8г в подинтегральное выражение для ki получим после интегрирования, с использованием метода вычетов, формулу для расчета ki.
klа =аа -(1 +2CTSог2-о2
ся *=1аа ' (со,2-со2)2 +4co2jB12
(3.4)
Выражение, стоящее в скобках в формуле (3.4), - линейное приближение показателя преломления п в атмосфере для выбранной формы линий.
1 +*LSl1--------- "^-------------
71.-=1а [со2 -со2) +4co2jB2
(3.5)
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1498
Полученное выражение для вычисления ki позволяет рассчитывать по формуле (3.5) величину отставания по фазе - фк для любой ЭМВ и любых атмосферных условий в чистой атмосфере.
|
0.40
0.20
0.00
-0.20
Oil
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
Рис. 3.1 Контуры спектральных линий коэффициента поглощения - ki (синий цвет) и величины п-1 (красный цвет) при нормальных атмосферных условиях.
На рисунке (3.1) приведены результаты расчетов коэффициентов поглощения - кг и волнового числа ki в зависимости от частоты для отдельной спектральной линии при нормальных атмосферных условиях. Эти результаты показывают, что значения коэффициента поглощения всегда положительны, а значения дисперсии могут принимать отрицательное значения (случай аномальной дисперсии). Важно также отметить, что крылья линии у коэффициента преломления убывают медленнее, чем у коэффициента поглощения. Из этого следует, что вклад крыльев удаленных линий в рассматриваемом, ограниченном диапазоне частот для коэффициентов преломления будет более весом по сравнению с коэффициентом поглощения.
С целью учета вклада крыльев удаленных линий, что особенно важно в окнах прозрачности, диапазон частот, на котором отбираются спектральные линии для расчета коэффициентов поглощения и преломления, существенно шире 0 - 120см" по сравнению с используемым здесь диапазоном.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1499
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ СШП ЭМИ, ВЫБОР
СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
С целью выбора спектральных участков походящих для дистанционного зондирования атмосферы были выполнены расчеты зависимостей т(<к) и ф(<к) для реальных атмосферных условий. Для этого использовались обычные радиозондовые данные.
Результаты расчетов для рассматриваемых атмосферных условий представлены на рис.4.1. Из рисунка видно, что величина х(сок) велика вблизи центров линий поглощения и в области частот превышающих 16 см" , где располагается мощная полоса линий поглощения водяным паром.
1003.00
103.00
1.00
0.01 Ч |
0.00 |
0.00 |
0.10
0,00
4,00
S.O0
12.00
10.03
20,00
Рис.4.1 Частотная зависимость оптических толщин и набегания фазы за счет дисперсии атмосферы.
Для оценки влияния вариаций атмосферных параметров (температура, влажность) на вариации функций х(сок) и ф(а)к) были проведены численные эксперименты, где указанные функции рассчитывались при различных атмосферных условиях. Эти эксперименты показали, что обе функции оказались чувствительны к вариациям влажности. Вариации температурных профилей оказывают заметно более слабое влияние на вариации функций х(сок) и ф(сок), которые достигают максимума вблизи линий поглощения кислородом.
Все вышесказанное указывает на принципиальную возможность дистанционного зондирования атмосферы методами СШПР, однако, для получения
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1500
полноценных количественных оценок исследования в данном направлении следует продолжить.
Из постановки задачи, приведенной в предыдущем параграфе, следует, что любой сверхширокополосный электромагнитный импульс целесообразно рассматривать, как суперпозицию плоских гармонических электромагнитных волн. При этом для данной задачи чрезвычайно важно, чтобы СШП ЭМИ обладал спектральными характеристиками наиболее удобными для определения атмосферных параметров. Численные расчеты приведенные на рис. 4.1 результаты показали, что наиболее удобный диапазон для зондирования атмосферы располагается в области длин волн 5см - 0.6мм, или на частотах 0.2 - 16см" . При больших длинах волн атмосфера практически не поглощает излучение, а при меньших его не пропускает.
Для моделирования процесса преобразования СШП ЭМИ при его прохождении через атмосферу, рассматривались прямоугольные импульсы ЭМИ длительностью 300, 100, 30 и 10 пс. Прямоугольный импульс, в данном случае, был выбран потому, что имеет заведомо более широкий спектр частот, чем спектр реального ЭМИ.
Для перехода от заданных временных зависимостей амплитуды напряженности электрического поля U(t) к спектральному представлению использовалось разложение в ряды Фурье. Спектральное преобразование проводилось для одиночных прямоугольных импульсов указанной выше длительности. Так как разложение в ряд Фурье предполагает периодичность разлагаемой функции, а импульсы одиночные, то возникает необходимость рассматривать импульс на гораздо более длительном временном интервале по сравнению с длительностью самого импульса. Для определения его длительности проводились численные эксперименты, в результате которой эту длительность варьировали в широких пределах. Эксперименты показали, что выбор длительности интервала в 100 раз превосходящего длительность импульса, обеспечивает достаточно высокую точность спектрального представления одиночного импульса.
На рис. 4.2 представлен спектр F(co) напряженности электрического поля U(t) с амплитудой равной 100 для исходного СШП ЭМИ длительностью Юпс. При этом использовалось 1500 членов разложения.
На рис. 4.3 представлен спектр F(co) мощности - Р для этого же СШП ЭМИ. Из этих рисунков следует, что спектры данных величин имеют периодическую структуру с периодом порядка 13см" , уменьшаясь с ростом частоты. При этом максимум мощности располагается вблизи 5см" , а по амплитуде он больше, чем на порядок превосходит, следующий за ним максимум.
На рис. 4.4 представлен спектр F(co) амплитуд U(t), после прохождения СШП ЭМИ через атмосферу с заданными параметрами. При сравнении данного спектра с исходным представленным на рис. 4.2 видно, что он имеет провалы на частотах, где располагаются известные линии и полосы поглощения кислородом и водой. За
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИа 1501а 
со см
0.00а 10.00аа 20.00аа 30.00аа 40.00аа 50.00
Рис. 4.2 Спектральное представление напряженности электрического поля исходного прямоугольного СШП ЭМИ, длительностью 10 пс с амплитудой 100.
Расчеты спектров для импульсов большей длительности, при тех же условиях, показали, что они имеют аналогичную периодическую структуру, но при этом и максимумы и минимумы смещены в низкочастотную область частот настолько, насколько длительность импульса превосходит Юпс. Из всего вышесказанного можно сделать следующий вывод. Для дистанционного зондирования чистой атмосферы прямоугольными ЭМИ, их длительность следует выбирать вблизи Юпс. При большей длительности ЭМИ возможно использование более высокочастотных участков спектра, находящимися за первым минимумом, но при этом, как видно из рис.4.3, они обладают существенно более худшими энергетическими характеристиками.
Можно предполагать, что СШП ЭМИ той же длительности, но другой формы, имеют более узкий спектр. Из этого следует, что для получения оптимальных спектральных характеристик от этих ЭМИ необходимо уменьшать их длительность.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1502
0.20 Ч |
а -, FW
0.15
а ю
ж:ж :в
асо
СО см
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
9Э.00
Рис.а 4.3а Спектральноеа представлениеа мощностиа поляа исходного прямоугольного СШП ЭМИ, длительностью 10 пс с амплитудой 100. F(co)
2.00
1.00
-1.00 Ч |
''Ж'
-2.00 |
СО см
ОО |
10.00 |
20.00 |
'.'Л' |
40.00
Рис. 4.4 Спектральное представление напряженности электрического поля прямоугольного СШП ЭМИ, длительностью 10 пс с амплитудой 100 после прохождения атмосферной трассы.
50.00
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1503
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования показали, что механизм преобразования исходного ЭМИ при прохождении через чистую атмосферу обусловлен двумя факторами.
Первый фактор заключается в зависящем от частоты ослаблении амплитуды каждой спектральной составляющей исходного СШП ЭМИ за счет поглощения ее атмосферой.
Второй фактор обусловлен зависимостью фазовой скорости каждой спектральной составляющей от частоты, которая проявляется при прохождении электромагнитного излучения через атмосферу, что приводит размазыванию исходного ЭМИ во времени.
Проведенные численные эксперименты по изучению влияния вариаций температуры и влажности на вариации спектральных характеристик СШП ЭМИ показали, что зондирование атмосферы методами СШПР возможно.
Анализ результатов прохождения через атмосферу прямоугольных ЭМИ различной длительности показал, что уменьшение длительности импульса приводит к смещению в коротковолновую область значимых спектральных составляющих. При этом наиболее подходящими спектральными характеристиками для зондирования атмосферы обладают прямоугольные СШП ЭМИ длительностью порядка 10 пс.
Дальнейшие исследования по данной тематике должны быть направлены в следующем направлении.
Необходимо расширить численные эксперименты по распространению СШП ЭМИ разной формы и длительности для различных метеорологических условий в реальной атмосфере, разработать методы решения обратных задач - определения параметров атмосферы по изменению формы СШП ЭМИ после прохождения атмосферной трассы, поставить и решить задачу определения параметров атмосферы и подстилающей поверхности на трассе спутник - подстилающая поверхность - спутник, что существенно повысит практическую значимость данной работы.
ИТЕРАТУРА
- В.П. Губанов, С.Д. Коровин, И.В. Пегель, В.В. Ростов, А.С.Степченко, М.Р. Ульмаскулов, В.Г. Шпак, С.А. Шунайлов, М.И. Яландин. Генерация мощных наносекундных импульсов электромагнитного излучения. Письма в ЖТФ, том 20, вып.14,1994г.
- К.П. Грачев, Н.Н. Грицков, И.И. Есаков, К.В. Ходатаев. Искровой сверхвысокочастотный генератор-излучатель высокой пиковой мощности. Радиотехника и электроника. Вып. 12, 1994г.
- В.М. Евдокимович, СБ. Евлампиев, Г.С. Коршунов, Н.В.Седов. Устройство для формирования наносекундных импульсов амплитудой до 1Mb. ПТЭ, №1, 1988г.
- O.Zuker,I.A. Mclntyre. Ultra wideband signal synthesis using photoconductive switches. Microwave journal., v.35, 7, 1992.
Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ
1504
10. А.А. Костылев. Идентификация радиолокационных целей при
использовании сверхширокополосных сигналов. Зарубежная радиоэлектроника, N
4, с. 75-102, 1984.
- Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М., Радио и связь, 1989.
- Содин Л.Г. Импульсное излучение антенны. Р и Э, вып.5, с.1014-1022, 1991.
- М.Б. Виноградова, О.В.Руденко, А.П. Сухоруков. Теория волн. Москва, Наука 1990.
- В.Д. Степаненко, Г.Г. Щукин, Л.П. Бобылев, СЮ. Матросов. Радиотеплолокация в метеорологии, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1987
Все научные статьи