РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 55, № 11, с. 1350-1353
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 621.396.96
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДОЖДЕЙ ПО ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ САНТИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН НА РАДИОЗАМЕТННЫХ
СПУТНИКОВЫХ ТРАССАХ © 2010 г. Е. В. Сухонин
Поступила в редакцию 28.01.2010 г.
Показано, что зависимости деполяризации радиоволн в дождях на радиозатменных трассах спутник—спутник от высоты лучевой линии в тропосфере могут использоваться для идентификации дождей. Отмечается, что для надежной идентификации дождей на таких трассах необходимо проводить одновременные измерения ослабления и деполяризации радиоволн.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время успешно развивается новое направление исследований — космическая радиофизика. Эти исследования основаны, в частности, на применении радиозатменного метода радиопросвечивания атмосферы и ионосферы Земли, когда один из космических аппаратов заходит в область радиотени Земли. Метод позволяет проводить глобальный мониторинг параметров атмосферы и ионосферы [1]. По поглощению сантиметровых волн на радиозатменных трассах спутник—спутник можно определять содержание в атмосфере водяного пара и водности облаков [2—4]. В ряде случаев идентификация дождей по ослаблению сантиметровых волн затруднительна, поскольку ослабление этих волн в дождях и мощных облаках часто бывает одинаковым. Предварительный анализ показывает, что идентификация дождей возможна по деполяризации сантиметровых волн при их распространении на радиозатменных трассах спутник—спутник. Деполяризация радиоволн характеризуется поляризационным отношением, определяемым как отношение принятого сигнала с основной поляризацией к мощности сигнала, преобразованного в сигнал с ортогональной поляризацией (кросс-поляризован-ного сигнала X).
Целью работы являлось изучение возможности такой идентификации и получения отличительного признака при сравнении с облаками и другими гидрометеорными образованиями. При этом исследовались теоретические расчетные зависимости кросс-поляризации сантиметровых волн Хв дождях разного типа на затменных трассах спутник-спутник от расстояния Н между земной поверхностью и трассой распространения радиоволн. Расчеты проводились на волне 2 см. Ранее на этой же волне были выполнены расчеты зависимости ослабления А(Н) в дождях таких же типов [5]. Это позволяет оценивать недостатки и преимущества двух разных методов идентификации дождей по измеряемым
зависимостям А(Н) и А(Х) на волне 2 см. Радиоволны миллиметрового диапозона не рассматривались из-за их большого ослабления в атмосфере при ее радиопросвечивании.
1. РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДОЖДЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ОСЛАБЛЕНИЯ, РАССЕЯНИЯ И ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ РАДИОВОЛН В ДОЖДЯХ
Обычно используются три модели, характеризующие форму капель дождя различной степени сложности [6]. В самой простой модели предполагается, что капли дождя являются сферическими, поэтому применима теория Ми, описывающая рассеивание радиоволн на сферических частицах.
Во второй модели капли являются сфероидальными и образуют анизотропную среду. В отличие от первой модели вторая модель позволяет учитывать зависимость ослаблений рассеивания от направления распространения радиоволн.
Третья модель учитывает в некоторой степени динамику капель дождя и связанную с ней деполяризацию радиоволн. При падении капли сплющиваются, причем вследствие существования в земной атмосфере высотного градиента скорости ветра сфероидальные капли дождя наклонены по отношению к горизонтали [7]. Поэтому наблюдается деполяризация сигнала в дожде как результат дифференциального ослабления и дифференциального сдвига фазы между компонентами сигнала с векторами поляризации, параллельными большой и малой осям сфероида. Хотя согласно [8] вытянутые и сплющенные сфероиды могут имеет место с равной вероятностью и даже возможны колебания капель, при теоретическом исследовании деполяризации волн в дожде предполагается, что преобладают сплющенные сфероиды [6]. Первая и вторая являются частными случаями третьей модели.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДОЖДЕЙ ПО ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ САНТИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН
1351
При расчетах чаще всего используется распределение капель дождя по размерам Лоуса—Парсонса [9]. Это позволяет более точно сравнивать результаты расчетов разных авторов.
Для проведения расчетов требуются также соответствующие модели дождей разного типа, которые описывают их пространственную структуру. Обычно используются три модели структуры дождя (М1, М2 и М3) [10], при этом только одни водные дождевые капли в чистом виде существуют в самом нижнем слое атмосферы толщиной 4 км, верхняя граница которого соответствует уровню замерзания воды 0°С. В случае всех трех моделей над нижним слоем, состоящем из одних дождевых капель, находится слой облаков толщиной 2 км с содержанием воды 500 г/м2. В модели М2, в отличие от М1, слой облаков включает также дождевые ледяные капли. Модели М1 и М2 соответствуют обложным дождям.
Модель М3, которая более всего соответствует сильным ливням конвективного происхождения ("глубокое дождевое облако с гидрометеорами в смешанной фазе" [11]), включает в себя еще два более высоких слоя — один с ледяными кристаллами, замерзшими каплями дождя и жидкими каплями дождя и другой, самый высокий слой, только с ледяными кристаллами. Кроме того, слой облаков в модели М3 включает также жидкие и замерзшие капли дождя. Осадки существуют полностью в жидкой фазе (водные капли дождя) при температурах ниже высотного уровня 4 км и полностью в твердой фазе (ледяные капли дождя) выше уровня атмосферы с температурой —32.5°С. В интервале температур 0...—32.5°С фазовое состояние гидрометеоров изменяется от жидкого при 0°С до полного ледяного при —32.5°С.
В случае моделей М1 и М2 обложные дожди представляют собой однородные образования с интенсивностью дождя Я = 0.5.1 мм/ч, ограниченные сверху уровнем нулевой изотермы атмосферы и занимающие в пространстве десятки и даже сотни километров. Еще одна особенность таких дождей (модель М2) — это существование в них зоны таяния осадков, находящейся ниже уровня нулевой изотермы атмосферы и достигающей размеров нескольких сотен метров. Зона таяния осадков пред-
ставляет собой мокрой снег и снег с дождем, ослабление в которых в два-три раза больше, чем в дожде с такой же интенсивностью. Это означает, что при радиопросвечивании обложных дождей, описываемых моделью М2, возможно кратковременное резкое увеличение ослабления сигнала на трассе спутник—спутник с последующим восстановлением хода зависимости А(Н) [5].
Для зон ливневых дождей (модель М3) характерно наличие резко выраженной ливневой части дождя, размеры которой ограничиваются несколькими километрами. Более подробно структура дождей описана в работе [5].
ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ КРОСС-ПОЛЯРИЗАЦИИ СИГНАЛА В ДОЖДЕ
Как отмечалось выше, дождь является анизотропной средой вследствие несферичности его капель и их наклона по отношению к вертикали (горизонтали). Анизотропия среды распространения радиоволн приводит к появлению кросс-поляризо-ванной компоненты сигнала.
В [12—14] из решения матричного уравнения переноса излучения были получены выражения для кросс-поляризации сигналов с горизонтальной (г) и вертикальной (в) поляризациями Хг и Хв в виде их модулей от комплексных чисел:
Хг - 20
( Г - 1 ) е 1 + г 2е
Хв = 20
( г - 1 ) е г + 2е
дВ,
дВ,
(1)
(2)
где Г = ехр[—(а + iв>)Z]^; Z — расстояние; а — дифференциальное ослабление между главными осями (а = а2 — а1); в — дифференциальный сдвиг фазы между главными осями (в = в2 — в1); 9 — угол наклона капель.
Выражения (1) и (2) могут быть приведены для проведения расчетов к следующему виду:
х _ 20^_У( ссб р I- 1) 2 + ( бшр!)2 ехр( - аТ) е__(3)
а/[ 1 + ехр (-аТ) сс8 вztg е ] + [ ап рIехр (-аТ) 2е ]
Х _ 201ё У( с сб рт - 1 ) 2 + ( бш в I)2 ехр (-аТ) е (4)
л/[ 1 + ехр (-аТ) сс8 р I 2е]2 + [ бш р Техр (-аТ) ]
1352
СУХОНИН
X, дБ -26
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Н, км
Расчетная зависимость кросс-поляризации X сигнала на волне 2 см от высоты лучевой линии над земной поверхностью.
Представляя линейно поляризованную волну в виде суммы двух волн с противоположной круговой поляризацией и разлагая векторы поля на составляющие, параллельные большой и малой осям сфероида, в случае круговой поляризации (к) получим
Хк = 20 lg
1 + Г
1 - Г
(5)
На основе полученных экспериментальных величин (9) можно рассчитать полуэмпирические зависимости медианных значений поляризационного отношения от ослабления волн в дожде [16]. Анализ таких расчетов показывает, что величина X может изменяться на частоте 15 ГГц в пределах от 20 до 60 дБ в зависимости от А.
Анализ экспериментальных и теоретических результатов в [17] показал, что между А и X существует функциональная связь, практически не зависящая от интенсивности дождя и длины трассы распространения радиоволн, -
X = U - VlgA.
(6)
В соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по радиосвязи [18] V = 20, а величина U определяется выражением
U = 30lg(f) - 40lg(cosц) - 20lg(sin2т), (7)
где f— частота; ц — угол возвышения трассы распространения радиоволн; т — угол поляризации падающей волны. В рассматриваемом нами случае f = 15 ГГц (X = 2 см), т = 45°. Следовательно, соотношение (6) запишется как
X = 35.3 - A
(8)
Отметим, что при круговой поляризации величина Xк не зависит от угла наклона капель и соответствует наихудшему случаю деполяризации в дожде волн с линейной поляризацией, когда 9 = 45°.
Таким образом, при линейной поляризации деполяризация радиоволн будет сильно зависеть от угла наклона капель. В настоящее время нет достаточных данных о форме или ориентации дождевых капель, особенно в случае сильного ветра. Поэтому расчеты поляризационного отношения обычно проводятся в предположении, что все капли имеют одинаковый угол наклона или эти углы распределены по закону Гаусса [15]. В [16] анализировались и сравнивались между собой экспериментальные и теоретические значения X в дожде, рассчитанные при разных углах наклона дождевых капель, на частотах 11 и 16 ГГц соответственно на трассах 13.6 и 0.85 км. Установлено, что среднее значение угла наклона
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.