Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне
Рассмотрены вопросы распространения радиоволн см и мм диапазонов над морем в прибрежных районах. Волноводы, возникающие в прибрежных районах, в основном являются адвективными с изменяющимися по мере удаления от берега параметрами (высотой волновода и М-дефицитом), а их мощность значительно превосход...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2011
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78101 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне / В.К. Иванов, Ю.В. Левадный, В.Н. Шаляпин // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 4. — С.46-52. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-78101 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Иванов, В.К. Левадный, Ю.В. Шаляпин, В.Н. 2015-03-11T06:08:59Z 2015-03-11T06:08:59Z 2011 Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне / В.К. Иванов, Ю.В. Левадный, В.Н. Шаляпин // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 4. — С.46-52. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78101 537.874.37:621.3.029.65 Рассмотрены вопросы распространения радиоволн см и мм диапазонов над морем в прибрежных районах. Волноводы, возникающие в прибрежных районах, в основном являются адвективными с изменяющимися по мере удаления от берега параметрами (высотой волновода и М-дефицитом), а их мощность значительно превосходит мощность волноводов испарения. Проведены расчеты структуры поля в зоне прямой видимости и полутени при различных метеорологических условиях методом численного решения параболического уравнения с пошаговым разбиением и использованием преобразования Фурье. Сопоставление расчетов с экспериментальными данными демонстрирует хорошее согласие. В результате исследований показано, что интерференционная структура поля в см диапазоне является устойчивой и ее искажения происходят только при очень сильной рефракции. В мм диапазоне радиоволн искажение интерференционной структуры возникает даже при слабой рефракции. При сильной рефракции и одновременном изменении радиометеорологических параметров вдоль трассы распространения происходит разрушение интерференционной структуры. The problems of centimeter and millimeter waves propagation over the sea in coastal area are considered. Ducts in the coastal area are usually advective and are sufficiently stronger than evaporation ducts. Their parameters (duct height and M- difference) depend on the distance to the shore. The field structure in the line of sight and the half-shadow regions were calculated by means of split-step parabolic equation Fourier method. The comparison of the calculations and experimental data have shown good agreement. It was also shown that interference structure of the centimeter wave field is stable and its distortion is possible only for very strong refraction. The distortion of interference structure for millimeter waves happens even for weak refraction and the interference structure are being destroyed for simultaneous strong refraction and changing radiometeorological parameters. Розглянуто питання поширення радіохвиль см і мм діапазонів над морем в прибережних районах. Хвилеводи, що виникають в прибережних зонах, в основному є адвективними з мінливими при віддаленні від берега параметрами (висотою хвилеводу і М-дефіцитом), а їх потужність значно перевершує потужність хвилеводів випаровування. Проведено розрахунки структури поля в зоні прямої видимості й півтіні при різних метеорологічних умовах методом числового рішення параболічного рівняння з покроковим розбиванням і використанням перетворення Фур’є. Зіставлення розрахунків з експериментальними даними демонструє гарний збіг. У результаті досліджень показано, що інтерференційна структура поля в см діапазоні є стійкою і її спотворення відбуваються тільки за умов дуже сильної ре фракції. У мм діапазоні радіохвиль спотворення інтерференційної структури виникає навіть при слабкій рефракції. При сильній рефракції й одночасній зміні радіометеорологічних параметрів уздовж траси поширення відбувається руйнування інтерференційної структури. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне Millimeter wave propagation in coastal area Поширення радіохвиль мілліметрового діапазону в прибережній зоні Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне |
| spellingShingle |
Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне Иванов, В.К. Левадный, Ю.В. Шаляпин, В.Н. Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування |
| title_short |
Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне |
| title_full |
Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне |
| title_fullStr |
Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне |
| title_full_unstemmed |
Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне |
| title_sort |
распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне |
| author |
Иванов, В.К. Левадный, Ю.В. Шаляпин, В.Н. |
| author_facet |
Иванов, В.К. Левадный, Ю.В. Шаляпин, В.Н. |
| topic |
Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування |
| topic_facet |
Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування |
| publishDate |
2011 |
| language |
Russian |
| container_title |
Радіофізика та електроніка |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Millimeter wave propagation in coastal area Поширення радіохвиль мілліметрового діапазону в прибережній зоні |
| description |
Рассмотрены вопросы распространения радиоволн см и мм диапазонов над морем в прибрежных районах. Волноводы, возникающие в прибрежных районах, в основном являются адвективными с изменяющимися по мере удаления от берега параметрами (высотой волновода и М-дефицитом), а их мощность значительно превосходит мощность волноводов испарения. Проведены расчеты структуры поля в зоне прямой видимости и полутени при различных метеорологических условиях методом численного решения параболического уравнения с пошаговым разбиением и использованием преобразования Фурье. Сопоставление расчетов с экспериментальными данными демонстрирует хорошее согласие. В результате исследований показано, что интерференционная структура поля в см диапазоне является устойчивой и ее искажения происходят только при очень сильной рефракции. В мм диапазоне радиоволн искажение интерференционной структуры возникает даже при слабой рефракции. При сильной рефракции и одновременном изменении радиометеорологических параметров вдоль трассы распространения происходит разрушение интерференционной структуры.
The problems of centimeter and millimeter waves
propagation over the sea in coastal area are considered. Ducts in
the coastal area are usually advective and are sufficiently stronger
than evaporation ducts. Their parameters (duct height and M-
difference) depend on the distance to the shore. The field structure
in the line of sight and the half-shadow regions were calculated by
means of split-step parabolic equation Fourier method. The comparison of the calculations and experimental data have shown good
agreement. It was also shown that interference structure of the
centimeter wave field is stable and its distortion is possible only
for very strong refraction. The distortion of interference structure
for millimeter waves happens even for weak refraction and the
interference structure are being destroyed for simultaneous strong
refraction and changing radiometeorological parameters.
Розглянуто питання поширення радіохвиль см і
мм діапазонів над морем в прибережних районах. Хвилеводи,
що виникають в прибережних зонах, в основному є адвективними з мінливими при віддаленні від берега параметрами (висотою хвилеводу і М-дефіцитом), а їх потужність значно перевершує потужність хвилеводів випаровування. Проведено розрахунки структури поля в зоні прямої видимості й півтіні при
різних метеорологічних умовах методом числового рішення
параболічного рівняння з покроковим розбиванням і використанням перетворення Фур’є. Зіставлення розрахунків з експериментальними даними демонструє гарний збіг. У результаті
досліджень показано, що інтерференційна структура поля в см
діапазоні є стійкою і її спотворення відбуваються тільки за умов
дуже сильної ре фракції. У мм діапазоні радіохвиль спотворення
інтерференційної структури виникає навіть при слабкій рефракції. При сильній рефракції й одночасній зміні радіометеорологічних параметрів уздовж траси поширення відбувається руйнування інтерференційної структури.
|
| issn |
1028-821X |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/78101 |
| citation_txt |
Распространение радиоволн миллиметрового диапазона в прибрежной зоне / В.К. Иванов, Ю.В. Левадный, В.Н. Шаляпин // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 4. — С.46-52. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ivanovvk rasprostranenieradiovolnmillimetrovogodiapazonavpribrežnoizone AT levadnyiûv rasprostranenieradiovolnmillimetrovogodiapazonavpribrežnoizone AT šalâpinvn rasprostranenieradiovolnmillimetrovogodiapazonavpribrežnoizone AT ivanovvk millimeterwavepropagationincoastalarea AT levadnyiûv millimeterwavepropagationincoastalarea AT šalâpinvn millimeterwavepropagationincoastalarea AT ivanovvk poširennâradíohvilʹmíllímetrovogodíapazonuvpriberežníizoní AT levadnyiûv poširennâradíohvilʹmíllímetrovogodíapazonuvpriberežníizoní AT šalâpinvn poširennâradíohvilʹmíllímetrovogodíapazonuvpriberežníizoní |
| first_indexed |
2025-11-24T15:58:10Z |
| last_indexed |
2025-11-24T15:58:10Z |
| _version_ |
1850849987220471808 |
| fulltext |
ППООШШИИРРЕЕННННЯЯ РРААДДІІООХХВВИИЛЛЬЬ,, РРААДДІІООЛЛООККААЦЦІІЯЯ ТТАА ДДИИССТТААННЦЦІІЙЙННЕЕ ЗЗООННДДУУВВААННННЯЯ
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028−821X Радіофізика та електроніка, 2011, том 2(16), № 4 © ІРЕ НАН України, 2011
УДК 537.874.37:621.3.029.65
В. К. Иванов, Ю. В. Левадный, В. Н. Шаляпин
РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: ivanov@ire.kharkov.ua
Рассмотрены вопросы распространения радиоволн см и мм диапазонов над морем в прибрежных районах. Волноводы,
возникающие в прибрежных районах, в основном являются адвективными с изменяющимися по мере удаления от берега парамет-
рами (высотой волновода и М-дефицитом), а их мощность значительно превосходит мощность волноводов испарения. Проведены
расчеты структуры поля в зоне прямой видимости и полутени при различных метеорологических условиях методом численного
решения параболического уравнения с пошаговым разбиением и использованием преобразования Фурье. Сопоставление расчетов с
экспериментальными данными демонстрирует хорошее согласие. В результате исследований показано, что интерференционная
структура поля в см диапазоне является устойчивой и ее искажения происходят только при очень сильной рефракции. В мм диапа-
зоне радиоволн искажение интерференционной структуры возникает даже при слабой рефракции. При сильной рефракции и одно-
временном изменении радиометеорологических параметров вдоль трассы распространения происходит разрушение интерференци-
онной структуры. Ил. 12. Табл. 1. Библиогр.: 14 назв.
Ключевые слова: параболическое уравнение, прибрежная зона, атмосферный волновод.
В последние годы происходит интенсив-
ное освоение мм диапазона радиоволн в радиоло-
кации, радиосвязи, дистанционном зондировании
и т. д. В первую очередь это связано с повышени-
ем разрешающей способности и помехозащищен-
ности при наблюдении низколетящих целей,
обеспечением электромагнитной совместимости
радиотехнических систем, уменьшением их габа-
ритов и веса, а также созданием широкополосных
линий связи. Несмотря на значительное ограниче-
ние работы радиотехнических систем мм диапазо-
на по дальности вследствие ослабления радио-
волн в осадках и газах атмосферы, они находят
все более широкое применение. Вопросы ослаб-
ления радиоволн в осадках и газах атмосферы
довольно хорошо изучены как теоретически, так
и экспериментально [1, 2].
Исследование условий распространения
радиоволн мм диапазона ведется с 1950-х гг. [3−8].
В основном, в работах исследуется влияние мно-
голучевого распространения радиоволн на харак-
теристики радиолокационных систем. Наиболь-
шее внимание уделяется вопросам измерения
точности углов прихода, времени запаздывания и
угломерных характеристик радиотехнических
систем. В работе [5] проанализированы, система-
тизированы и обобщены многочисленные теоре-
тические и экспериментальные исследования,
проведенные в мире, а также представлены ос-
новные количественные оценки и эмпирические
закономерности.
Расчеты поля прямого сигнала методами
геометрической оптики (интерференция прямого и
отраженного лучей) не репрезентативны при нали-
чии мощных приземных волноводов или припо-
верхностных инверсионных слоев. В работе [9]
предпринята попытка оценки поля в зоне интер-
ференции с помощью параболического уравне-
ния. В области интерференции и полутени основ-
ной вклад в уровень поля дает большое коли-
чество мод высших порядков, которые затухают с
расстоянием, но не являются локализованными в
волноводном канале. Определение комплексных
постоянных распространения нелокализованных
мод представляет собой довольно сложную вы-
числительную задачу, тем более что сумма этих
мод сходится лишь за счет интерференции экспо-
ненциально больших по абсолютной величине
членов, поэтому необходимо использовать другие
методы. В частности, в освещенной области наи-
более эффективным оказывается метод стацио-
нарной фазы. В работе [10] в освещенной области
при наличии инверсий интенсивность поля рас-
считывается именно этим методом, применяемым
непосредственно к интегралам по траекториям.
Описанные методы не используются для
оценки поля в прибрежной зоне, где, как правило,
коэффициент преломления атмосферы изменяет-
ся как с высотой, так и с дистанцией от берега,
т. е. существует неоднородность параметров коэф-
фициента преломления вдоль трассы распростране-
ния [11].
В последние годы широкое развитие и
применение получил метод численного решения
параболического уравнения с пошаговым разбие-
нием и использованием преобразования Фурье,
позволяющий оценивать уровни сигналов с уче-
том неоднородности коэффициента преломления
по высоте и вдоль трассы распространения.
1. Численное решение параболического
уравнения методом пошагового разбиения.
В двухмерной декартовой системе координат с
осями x и z, направленными вдоль дальности и
высоты, стандартное параболическое уравнение
В. К. Иванов и др. / Распространение радиоволн миллиметрового…
_________________________________________________________________________________________________________________
47
для электрической (горизонтальная поляризация)
или магнитной (вертикальная поляризация) ком-
понент поля имеет вид
[ ] .012 22
2
2
=−+
∂
∂
+
∂
∂
unk
x
u
ik
z
u
(1)
Здесь λπ /2=k − волновое число в вакууме; λ −
длина волны; n − коэффициент преломления;
( ) ikxezxzxu −= ),(, ψ , где ψ − электрическая или
магнитная компонента поля.
Метод пошагового разбиения с использо-
ванием преобразования Фурье для решения урав-
нения (1) был предложен в 1973 г. Хардином и
Таппертом в задачах подводной акустики. Общий
вид решения этим методом выглядит следующим
образом [12]:
1. Разложение волны в угловой спектр с по-
мощью преобразования Фурье.
2. Умножение на множитель, связанный с рас-
ходимостью в свободном пространстве на одном
шаге вычисления.
3. Обратное фурье-преобразование в коорди-
натное представление.
4. Умножение на дополнительный множи-тель,
учитывающий набег фазы в среде (рефракция).
[ ] ,),(
),(
2212
),(
⎟
⎠
⎞⎜
⎝
⎛=
=Δ+
−−
Δ
−
zxuFeFe
zxxu
pkik
x
zxikm (2)
где F и 1−F – прямое и обратное преобразования
Фурье; xΔ – шаг по дистанции; )sin(θkp = −
функция угла распространения θ ; =),( zxm
eazzxn /1),( +−= – модифицированный коэффи-
циент преломления; ea − радиус Земли.
Вид преобразования Фурье в выраже-
нии (2) определяется граничными условиями.
При граничных условиях Дирихле используется
синусное преобразование, а при граничных усло-
виях Неймана − косинусное преобразование.
Для поверхностей с конечной проводимостью и
учета морского волнения используется линейная
комбинация синусного и косинусного преобразо-
ваний Фурье [13].
Отражение радиоволн от взволнованной
морской поверхности может быть учтено в рам-
ках метода касательной плоскости [14]. Для этого
используется понятие эффективного коэффици-
ента отражения, который выражается как произ-
ведение коэффициента отражения Френеля R и
множителя ρ , учитывающего ослабление коге-
рентной компоненты поля из-за неровности мор-
ской поверхности:
RReff ρ= . (3)
Для модели Миллера, Брауна и Вега [18]
коэффициент ρ имеет вид
))2(
2
1())2(
2
1exp( 22
ξξ σσρ pJp−= , (4)
где ξσ – среднеквадратичное отклонение высоты
морской поверхности; J − функция Бесселя.
2. Методика проведения эксперимен-
тальных исследований. Для сопоставления ре-
зультатов расчета напряженности поля нами ис-
пользованы результаты экспериментальных ис-
следований [3]. Исследования распространения
см и мм радиоволн проводились в Черном море,
район между Карадагом и мысом Меганом, в лет-
не-осенний период (август-октябрь). На рис. 1
приведена карта района проведения исследований
и нанесен курс корабля. Методика проведения
исследований была следующей.
Рис. 1. Карта района проведения исследований
На берегу, на платформе, которая могла
перемещаться вдоль мачты, установленной у уре-
за воды, были размещены источники излучения
радиоволн длиной 32; 8,1; 6,8 и 4 мм. Приемный
пункт находился на судне, в кормовой части ко-
торого была установлена 15-м мачта с откосом,
по которому перемещалась тележка с приемными
антеннами. Таким образом, при снятии высотных
разрезов высота приемных антенн изменялась от
1 до 16 м. Амплитуда принятого сигнала, изме-
няющаяся с высотой приемных антенн, фиксиро-
валась фотографированием экранов специальных
отметчиков, горизонтальные развертки которых
были синхронизированы с высотой антенн при-
емников Измерения проводились отдельно для
каждой длины волны как при подъеме, так и при
спуске тележки. Одновременно с записью сигнала
на каждом кадре фиксировались метки высоты
приемных антенн (штрихи на горизонтальной
развертке). Крайняя правая метка соответствует
высоте приемной антенны 15,8 м. Для оценки
влияния высоты передатчика на структуру поля
В. К. Иванов и др. / Распространение радиоволн миллиметрового…
_________________________________________________________________________________________________________________
48
все высотные разрезы снимались при четырех
высотах передающих антенн Пh : 2,3; 6; 12 и 18 м.
Во время измерений корабль перемещался по
заданной трассе со скоростью 10 узлов. Для сни-
жения флуктуаций сигнала из-за «рыскания»,
сноса и качки судна ширина диаграммы направ-
ленности передающей и приемной антенн выби-
ралась достаточно большой. Параметры антенн
приведены в таблице, где Hα и Eα − ширина
диаграммы направленности в горизонтальной и
вертикальной плоскости; D − коэффициент уси-
ления антенны.
Параметры антенн
,λ
мм
Передающие Приемные
,Hα ° ,Eα ° D ,Hα ° ,Eα ° D
32 17,5 12,7 100 17,5 12,7 100
8,1 7 5 390 11 8 300
6,8 7 5 390 11 8 300
4 7 5 390 11 8 300
Во время опыта высотные разрезы поля
измерялись через каждые 2–3 мин, длительность
съемки одного разреза поля не превышала 30 с.
При указанной ранее скорости судна расстояние
между соседними высотными разрезами соот-
ветствует примерно 500 м. Продолжительность
одного опыта при дистанции 18…20 км составля-
ла 1 ч. Одновременно с радиоизмерениями про-
водились измерения температуры, давления, влаж-
ности атмосферы, скорости ветра в слое атмо-
сферы 0…20 м, а также измерения температуры
воды. Такие измерения проводились на суше и на
корабле в начале и в конце галса.
Синхронные измерения сигналов на мм и
см волнах позволяют сравнить условия распро-
странения радиоволн этих диапазонов и выявить
особенности, характерные для мм диапазона.
На рис. 2 и 3 приведены примеры высот-
ных разрезов напряженности поля на расстоянии
5,8 и 16,7 км соответственно. Приведенные изме-
рения проводились при слабом волнении моря.
С увеличением волнения интерференционная
структура нарушается. На рис. 4 приведены при-
меры высотных разрезов при волнении моря
3 балла на расстоянии 3,5 км от берега при высо-
те передающих антенн 6 м. Форма лепестков поля
на волне 32 мм остается четкой, минимумы глу-
бокие. Интерференционная структура поля на
волне 6,8 мм хорошо прослеживается, но мини-
мумы поля неглубокие. На волне 4 мм остались
только следы лепестков, глубина минимумов ма-
ла и случайные флуктуации сигнала искажают
лепестковую структуру высотных разрезов поля.
При усилении морского волнения структура поля
разрушается и на более длинных волнах мм диа-
пазона.
а) б)
в)
Рис. 2. Высотные разрезы напряженности поля на расстоянии
5,8 км при высоте антенн передатчиков 12 м для волн:
а) − 32 мм; б) − 8,1 мм; в) − 6,8 мм
а) б)
в)
Рис. 3. Высотные разрезы напряженности поля на расстоянии
16,7 км при высоте антенн передатчиков 12 м для волн:
а) − 32 мм; б) − 8,1 мм; в) − 6,8 мм
а) б)
в)
Рис. 4. Высотные разрезы напряженности поля на расстоянии
3,5 км при высоте антенн передатчиков 6 м для волн:
а) − 32 мм; б) − 6,8 мм; в) − 4 мм
В. К. Иванов и др. / Распространение радиоволн миллиметрового…
_________________________________________________________________________________________________________________
49
Из фотографий видно, как изменяется с
расстоянием количество и место максимумов ле-
пестков для каждой волны. Всего за время иссле-
дований было проведено около 100 измерений
структуры поля на указанных длинах волн, высо-
тах передающих антенн и при различных уровнях
рефракции. Результаты проведенных измерений
показывают, что во время опытов рефракция бы-
ла выше стандартной и изменялась главным обра-
зом от значений, соответствующих «плоской зем-
ле», до суперрефракции. Только в нескольких
опытах в конце проведения исследований уро-
вень рефракции был близок к стандартному.
3. Анализ экспериментальных данных.
Основной нашей задачей является исследование
влияния уровня рефракции и ее изменения с дис-
танцией на структуру поля радиоволн см и мм
диапазонов в зоне прямой видимости и полутени,
а также оценка возможности расчета поля прямо-
го сигнала с использованием численных методов
решения параболического уравнения. С этой це-
лью были проведены расчеты поля радиоволн на
волнах 32; 8,1 и 6,8 мм по измеренным вер-
тикальным профилям модуля приведенного коэф-
фициента преломления ( )zM в начале и конце
трассы, а также проведено сопоставление с экс-
периментальными радиофизическими измере-
ниями при различных метеорологических усло-
виях.
На рис. 5 приведены расположения мак-
симумов лепестков на волне 32 и 8,1 мм соответ-
ственно при слабой рефракции и резком измене-
нии градиента коэффициента преломления по
дистанции и результаты расчета структуры поля
по измеренным профилям ( )zM , показанным на
рис. 6. Характерно поведение высоты максимума
второго лепестка на волне 8,1 мм. Примерно до
10 км экспериментальные данные укладываются
на расчет для «плоской земли», а затем резко от-
клоняются от этой прямой. На больших расстоя-
ниях начинают проявляться максимумы первого
лепестка. Следовательно, ни один лепесток не
располагается ниже «плоской земли». Аналогич-
ное поведение высоты максимума первого лепе-
стка на волне 32 мм. Некоторое отличие рассчи-
танных и экспериментальных данных, на наш
взгляд, можно объяснить упрощенной моделью
изменения параметров ( )zM по дистанции, ис-
пользуя линейную зависимость. Из теоретиче-
ских и экспериментальных исследований извест-
но, что изменение радиометеорологических па-
раметров с расстоянием происходит по логариф-
мическому закону [3]. Само распределение высот
волноводов в высокой степени зависит от очерта-
ния берега и структуры береговой черты, влияю-
щей на направление и скорость ветра над морем.
Это приводит к тому, что закономерности рас-
пространения СВЧ-сигнала зависят не только от
атмосферных условий, но и от направления трас-
сы распространения.
а)
б)
Рис. 5. Структура поля в зоне прямой видимости при высоте
антенн передатчиков 12 м для радиоволн с длиной волны:
а) − 32 мм; б) − 8,1 мм
а) б)
Рис. 6. Вертикальные профили модуля приведенного коэффи-
циента преломления для случая слабой степени рефракции на
расстоянии от берега: а) − 1 км; б) − 11 км
Поведение высот максимумов лепестков
с повышением рефракции отличается от наблю-
даемого при слабой рефракции. На рис. 7 приве-
дены экспериментально измеренные высоты мак-
симумов лепестков на волнах 32 и 8,1 мм соот-
ветственно, наложенные на результаты расчетов
по измеренным вертикальным профилям ( )zM ,
показанным на рис. 8, для случая высокой степе-
ни рефракции. Высота расположения передаю-
щих антенн равна 12 м.
–
10
–
5
0
5
М
но
ж
ит
ел
ь
ос
ла
бл
ен
ия
, д
Б
–
10
–
5
0
5
М
но
ж
ит
ел
ь
ос
ла
бл
ен
ия
, д
Б
340 360 380 340 360 380
М, М-ед. М, М-ед.
20
16
12
8
4
0
20
16
12
8
4
0
z,
м
z,
м
В. К. Иванов и др. / Распространение радиоволн миллиметрового…
_________________________________________________________________________________________________________________
50
а)
б)
Рис. 7. Структура поля в зоне прямой видимости при высоте
антенн передатчиков 12 м для радиоволн с длиной волны:
а) − 32 мм; б) − 8,1 мм
а) б)
Рис. 8. Вертикальные профили модуля приведенного коэффи-
циента преломления для случая сильной степени рефракции
на расстоянии от берега: а) − 1 км; б) − 21 км
Для данного высотного профиля ( )zM и
плавного изменения градиента коэффициента
преломления по дистанции для 32 мм радиоволн
наблюдается хорошее совпадение с расчетами.
Для 8,1 мм радиоволн совпадение удовлетвори-
тельное. Как видно из рис. 7, а высоты максиму-
мов первого лепестка начиная с расстояния 6 км
остаются практически неизменными и располо-
жены значительно ниже высот, рассчитанных для
случая «плоской земли». Высоты максимумов
второго лепестка, хотя и растут на всем измерен-
ном участке трасы, но также остаются ниже зна-
чений, рассчитанных для «плоской земли».
Расположение высот максимумов радиоволн с
длиной 8,1 мм, измеренных синхронно с см диа-
пазоном, приведены на рис. 7, б. Высоты 2, 3, 4 и
5-го максимумов поля остаются неизменными от
7−8 и до 20 км. Максимумы первого лепестка
находятся ниже 1,8 м – минимальной высоты
приемной антенны. Нижние лепестки приплюс-
нуты. На больших расстояниях лепестки дефор-
мируются. На рис. 9 приведена фотография экра-
на индикатора при снятии высотных разрезов
поля на расстояниях 5,8; 11,7 и 20,8 км, где видны
узкие нижние лепестки и более широкие верхние.
Фотография экрана, полученная при снятии раз-
реза на расстоянии 20,8 км, свидетельствует об
искажении лепестковой структуры поля.
а) б)
в)
Рис. 9. Высотные разрезы напряженности поля для волны
8,1 мм при высоте антенн передатчиков 12 м на расстоянии:
а) − 5,8 км; б) − 11,7 км; в) − 21 км
Общее совпадение измеренных и рассчи-
танных высот максимумов лепестков хорошее, но
имеются некоторые искажения экспериментально
измеренных высот за счет неучтенных изменений
градиентов по дистанции и увеличения чувстви-
тельности к изменениям градиента коэффициента
преломления с ростом частоты сигнала.
При еще большем уровне рефракции
распределение структуры поля изменяется еще
сильнее. На рис. 10 показан пример зависимости
измеренных высот максимумов от расстояния и
результаты расчета структуры поля для 32 и 8,1-мм
радиосигналов по измеренным вертикальным
профилям коэффициента преломления, приве-
денным на рис. 11. Видно, что в этом случае име-
ет место захватывание четырех лепестков. Высо-
ты трех из них показаны на рис. 9, а. Высота пер-
вого лепестка не показана, так как она была ниже
1,8 м – высоты, до которой опускались приемные
антенны. Расчеты указывают, что максимумы
первого лепестка находятся на высоте 1 м.
–
10
–
5
0
5
М
но
ж
ит
ел
ь
ос
ла
бл
ен
ия
, д
Б
340 360 380 340 360 380
М, М-ед. М, М-ед.
20
16
12
8
4
0
20
16
12
8
4
0
z,
м
z,
м
–
10
–
5
0
5
М
но
ж
ит
ел
ь
ос
ла
бл
ен
ия
, д
Б
В. К. Иванов и др. / Распространение радиоволн миллиметрового…
_________________________________________________________________________________________________________________
51
а)
б)
Рис. 10. Структура поля в зоне прямой видимости при высоте
антенн передатчиков 18 м для радиоволн с длиной волны:
а) − 32 мм; б) − 8,1 мм
а) б)
Рис. 11. Вертикальные профили модуля приведенного коэф-
фициента преломления для случая очень сильной степени
рефракции на расстоянии от берега: а) − 1 км; б) − 25 км
Рассмотрим подробнее картину поля, из-
меренную на волне 8,1 мм. Опыт проводился при
высоте передающей антенны 18 м. В этом случае
трудно определить, к какому лепестку относятся
высоты измеренных максимумов, так как их ко-
личество велико (в соответствии с расчетами для
данного случая рефракции – 13 лепестков) и уже
с малых расстояний они отклоняются от расчетов
для плоской земли. В 8,1-мм диапазоне, ввиду
большого количества лепестков, методика изме-
рения максимума лепестков не позволяла опреде-
лить, к какому из лепестков принадлежит изме-
ренный максимум. Таким образом, укорочение
длины волны приводит к увеличению количества
«захватываемых» и прижатых к поверхности во-
ды лепестков.
Наблюдаются искажения лепестковой
структуры поля двух типов. Первая группа иска-
жений характеризуется тем, что на волне 8,1 и
6,8 мм первый лепесток прижимается к поверх-
ности воды, а второй сдвигается вверх. По-
видимому, это связано с различием градиентов
коэффициента преломления ниже 8 м и выше
этой высоты. В результате такой деформации
лепестков на некотором участке высот приемной
антенны сигнал практически отсутствует даже
при слабой рефракции. Второй тип искажений
относится к случаю сильной рефракции: вместе с
изменением градиента M (z) с расстоянием проис-
ходит разрушение лепестковой структуры начи-
ная с близких расстояний, и это происходит тем
быстрее, чем сильнее рефракция и ниже высота
передающего устройства. На рис. 12 приведен
пример разрушения лепестковой структуры в
случае высокой степени рефракции и расположе-
нии антенны передатчика на высоте 2,3 м, а также
результаты расчета для указанного опыта по про-
филям M (z), показанным на рис. 8.
Рис. 12. Структура поля в зоне прямой видимости для радио-
волн с длиной волны 6,8 мм при высоте антенны передатчика
2,3 м
На рис. 12 приведены высоты всех мак-
симумов, измеренных на волне 6,8 мм. На рас-
стоянии 1…1,6 км наблюдаются четкие правиль-
ной формы лепестки, затем имеется участок трас-
сы, на котором высотные разрезы поля имеют
только 1−2 максимума поля или даже совсем их не
имеют. На последующих участках трассы распро-
странения появляются максимумы и минимумы
поля, количество которых увеличивается и кото-
рые можно проследить на некотором участке
трассы. Такие случаи являются как бы переход-
ными от случая «захватывания» лепестков, когда
на всей трассе структура поля повторяется, к слу-
чаю разрушения лепестковой структуры. Наличие
переходного участка между областью с правиль-
ной лепестковой структурой поля и областью с
изрезанным характером поля, обладающего ма-
лым количеством максимумов, является частым
для волн 6,8 и 8,1 мм. В этом же опыте расчеты и
измерения максимумов лепестков для волны 8,1 мм
при высоте передающей антенны 12 м (см. рис. 7, б)
имеют хорошее согласие, и лепестковая структу-
ра наблюдается вплоть до расстояния 20 км.
На волне 32 мм переход от обычной интерферен-
ционной структуры поля к неправильной проис-
340 360 380 340 360 380
М, М-ед. М, М-ед.
20
16
12
8
4
0
20
16
12
8
4
0
z,
м
z,
м
–1
0
–5
0
5
М
но
ж
ит
ел
ь
ос
ла
бл
ен
ия
, д
Б
–1
0
–5
0
5
М
но
ж
ит
ел
ь
ос
ла
бл
ен
ия
, д
Б
–1
0
–5
0
5
М
но
ж
ит
ел
ь
ос
ла
бл
ен
ия
, д
Б
В. К. Иванов и др. / Распространение радиоволн миллиметрового…
_________________________________________________________________________________________________________________
52
ходит непрерывно. Еще одно отличие волн 32 мм
от волн 6,8 и 8,1 мм в характере искажений лепе-
стковой структуры заключается в том, что случа-
ям медленных изменений структуры поля с рас-
стоянием на волне 32 мм соответствуют быстрые
изменения на волнах 6,8 и 8,1 мм. При медленных
изменениях структуры поля на волнах 6,8 и
8,1 мм на волне 32 мм структура поля является
более устойчивой.
Выводы. Расчеты структуры поля см и
мм радиоволн методом численного решения па-
раболического уравнения с пошаговым разбиени-
ем и использованием преобразования Фурье в
области прямой видимости и полутени показали
хорошее согласие с экспериментальными данными.
Отличие заключается в небольших отклонениях
структуры поля, связанных с неучтенными изме-
нениями вертикального профиля )(zM по дис-
танции, определяемого метеорологическими ус-
ловиями, характером и направлением движения
воздушных масс, а также особенностями геомор-
фологии побережья.
На мм волнах наблюдается искажение
лепестковой структуры. Даже при нормальной
рефракции наблюдается сужение и прижатие к
поверхности моря первого лепестка и сдвиг по-
следующих лепестков вверх. При сильной реф-
ракции и изменении профиля коэффициента пре-
ломления вдоль трассы распространения проис-
ходит разрушение лепестковой структуры начи-
ная с близкого расстояния.
1. Recommendation ITU-R P. 838-3. Specific Attenuation Model
for Rain for Use in Prediction Methods [Электронный
ресурс]. – Режим доступа: www/URL: http://www.itu.int/
/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.838-3-200503-I!!PDF-E.pdf-
R-REC-P.838-3-200503-I!!PDF-E.
2. Малышенко Ю. И. Оценка воздействия дождей на пара-
метры РЛС микроволнового диапазона с учетом метеоста-
тистических сведений о продолжительности выпадения
дождей / Ю. И. Малышенко, Ю. В. Левадный // Радио-
физика и электрон. − 2011. – 2(16), № 3. − С. 67−77.
3. Исследование поля прямого сигнала на волнах 32; 8,1; 6,8; 4
миллиметра при распространении над морем: отчет по НИР
«Резеда»; научн. рук. А. Я. Усиков. – Х., 1955. – 170 c.
4. Modloch A. Overwater propagation of millimeter waves /
A. Modloch // IEEE Trans. on Anten. and Prop. − 1969. – 17,
N 1. − P. 82−85.
5. Кулемин Г. П. Рассеяние миллиметровых радиоволн поверх-
ностью земли под малыми углами рассеяния / Г. П. Куле-
мин, В. Б. Разсказовский – К.: Наук. думка, 1987. – 230 с.
6. Брауде С. Я. Деформация лепестковой структуры поля
сантиметровых и миллиметровых радиоволн при распро-
странении в приводном волноводе / С. Я. Брауде,
И. Е. Островский // Радиофизика и радиоастрономия. –
1997. – 2, № 4. – С. 446−449.
7. Разсказовский В. Б. Многолучевое распространение над
морем / В. Б. Разсказовский, Ю. А. Педенко // Зарубежная
радиоэлектрон. – 1996. − № 7. – С. 29−39.
8. Разсказовский В. Б. Распространение сантиметровых и
миллиметровых радиоволн под малыми углами скольжения:
Модель многократной дифракции на экранах / В. Б. Раз-
сказовский, Ю. Ф. Логвинов // Изв. вузов. Радиофизика. –
2008. – 51, № 8. – С. 700−710.
9. Ott R. H. Roots of the modal equation for em wave propaga-
tion in a tropospheric duct / R. H. Ott // J. of Mathematical
Physics. – 1980. – 21, N 5. – P. 1256−1266.
10. Белоброва М. В. Пакет программ для диагностики условий
распространения ультракоротких радиоволн над морем /
М. В. Белоброва, В. К. Иванов, А. В. Кукушкин и др. //
Изв. вузов. Радиофизика. – 1990. – 33, № 12. – С. 1315−1319.
11. Брауде С. Я. Распространение ультракоротких радиоволн
над морской поверхностью / С. Я Брауде, В. К. Иванов,
И. Е. Островский // Радиофизика и радиоастрономия. –
1996. – 1, № 2. – С. 171−186.
12. Levy M. Parabolic Equation Methods for Electromagnetic
Wave Propagation / M. Levy. – L.: The Institution of Electric-
al Engineers, 2000. – 338 p.
13. Dockery D. An improved impedance-boundary algorithm for
Fourier split-step solutions of the parabolic wave equation /
D. Dockery, J. Kuttler // IEEE Trans. on Antennas and Propa-
gation. – 1996. – 44, N 12. − P. 1592–1599.
14. Miller A. R. New Derivation for the Rough Surface Reflec-
tion Coefficient and for the Distribution of Sea-Wave Eleva-
tions / A. R. Miller, R. M. Brown, E. Vegh // IEE Proc., Part H. –
1984. – 131, N 2. − P. 114–116.
V. Ivanov, Yu. Levadnyi, V. Shalyapin
MILLIMETER WAVE PROPAGATION
IN COASTAL AREA
The problems of centimeter and millimeter waves
propagation over the sea in coastal area are considered. Ducts in
the coastal area are usually advective and are sufficiently stronger
than evaporation ducts. Their parameters (duct height and M-
difference) depend on the distance to the shore. The field structure
in the line of sight and the half-shadow regions were calculated by
means of split-step parabolic equation Fourier method. The com-
parison of the calculations and experimental data have shown good
agreement. It was also shown that interference structure of the
centimeter wave field is stable and its distortion is possible only
for very strong refraction. The distortion of interference structure
for millimeter waves happens even for weak refraction and the
interference structure are being destroyed for simultaneous strong
refraction and changing radiometeorological parameters.
Key words: parabolic equation, coastal zone,
atmospheric waveguide.
В. К. Іванов, Ю. В. Левадний, В. Н. Шаляпін
ПОШИРЕННЯ РАДІОХВИЛЬ
МІЛЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ
В ПРИБЕРЕЖНІЙ ЗОНІ
Розглянуто питання поширення радіохвиль см і
мм діапазонів над морем в прибережних районах. Хвилеводи,
що виникають в прибережних зонах, в основному є адвектив-
ними з мінливими при віддаленні від берега параметрами (висо-
тою хвилеводу і М-дефіцитом), а їх потужність значно переве-
ршує потужність хвилеводів випаровування. Проведено розра-
хунки структури поля в зоні прямої видимості й півтіні при
різних метеорологічних умовах методом числового рішення
параболічного рівняння з покроковим розбиванням і викорис-
танням перетворення Фур’є. Зіставлення розрахунків з експе-
риментальними даними демонструє гарний збіг. У результаті
досліджень показано, що інтерференційна структура поля в см
діапазоні є стійкою і її спотворення відбуваються тільки за умов
дуже сильної ре фракції. У мм діапазоні радіохвиль спотворення
інтерференційної структури виникає навіть при слабкій рефрак-
ції. При сильній рефракції й одночасній зміні радіометеорологі-
чних параметрів уздовж траси поширення відбувається руйну-
вання інтерференційної структури.
Ключові слова: параболічне рівняння, прибережна
зона, атмосферний хвилевід.
Рукопись поступила 30.06.11 г.
|