Содержание к диссертации
Введение
1. Моделирование задач ослабления радиоволн миллиметрового диапазона, распространяющихся в атмосфере 12
1.1 Обзор факторов, влияющих на распространение радиоволн в атмосфере 12
1.2 Модель ослабления в атмосферных газах 23
1.3 Модель ослабления в дымках, облаках, туманах и осадках 28
1.4 Применение кубических сплайнов для оценки ослабления в дождях на основе эмпирических данных 42
1.5 Модель ослабления в аэрозолях, основанная на приближении Рэлея 45
2. Программа расчета ослабления в атмосферных газах, гидрометеорах и аэрозолях 53
2.1 Реализованные модели и методы расчетов 53
2.2 Алгоритм и интерфейс программы 56
3. Результаты расчета ослабления радиоволн в атмосфере 65
3.1 Результаты работы программы 65
3.2 Анализ результатов 74
Заключение 78
Литература 84
Приложение 1 94
Приложение 2
- Модель ослабления в атмосферных газах
- Применение кубических сплайнов для оценки ослабления в дождях на основе эмпирических данных
- Алгоритм и интерфейс программы
- Анализ результатов
Введение к работе
В результате бурного развития систем связи и передачи информации стало ясно, что диапазон миллиметровых волн является огромным частотным ресурсом, намного превышающим по занимаемой полосе все, что использовалось человечеством по сей день.
В тоже время в большинстве развитых стран появился острый дефицит частотного ресурса для предоставления современных услуг радиосвязи в наиболее освоенных полосах частот [1]. Этими факторами обусловлен повышенный интерес к освоению миллиметрового диапазона длин волн (ММВ).
Первая приемопередающая аппаратура для генерации ММ излучения на волне 6 мм была создана в России еще в 1894 г. Лебедевым П.Н. Позднее (в 1922 г.) А.А. Глаголевой-Аркадьевой была осуществлена генерация излучения в диапазоне 0.082...50 мм с помощью оригинального излучателя. Во второй половине двадцатого века выполнялись уже фундаментальные научно-исследовательские работы по изысканию эффективных средств генерации и приема в диапазоне радиоволн от 1 см до 0.1 мм.
Наряду с работами по генерации и приему этих волн большие усилия прилагались по изучению основных характеристик распространения ММВ и субмиллиметровых волн (СБММВ) в атмосфере. На протяжении длительного периода при освоении спектра ММВ исследователи подходили с осторожностью к созданию новых перспективных радио систем для различных технических приложений. Основной причиной подобного критического отношения к новому диапазону радиоволн было отсутствие каких-либо данных по их распространению в атмосфере. Первые теоретические и экспериментальные исследования распространения этих волн в атмосфере были проведены Ван-Флеком, В. Вейскопфом, Т. Роджерсом, А.Г. Аренбергом, Б.А. Введенским, М.А. Колосовым и др.[2-9]. В работе [16] выполнен обзор исследований распространения радиоволн в тропосфере и рассмотрены работы по молекулярному поглощению и гидрометеорному ослаблению применительно к задачам радиолокации.
В результате ряда теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что в отличие от дециметровых и сантиметровых волн ММВ и более короткие волны испытывают частотно-селективное молекулярное поглощение и значительное ослабление в гидрометеорах и аэрозолях. По этой причине оказалось, что дальность распространения этих волн существенно меньше, чем более длинноволновых диапазонов [6-9]. Наряду с этими свойствами выяснилось, что ММВ позволяют обеспечить лучшую помехоустойчивость и скорость передачи данных, обладают крайне высоким разрешением по углу места, азимуту, дальности; они могут также обеспечивать высокую скрытность передачи при малых габаритах приемопередающей радиоаппаратуры и антенн. Всвязи с большой практической ценностью применения ММВ на практике представляют большой интерес расчеты ослабления ММВ в различных атмосферных условиях.
К настоящему времени в значительной мере завершается процесс фундаментальных исследований основных характеристик этих новых диапазонов волн. Итогом многих исследований и конструкторских разработок явилось освоение в промышленном исполнении новых принципов генерации, усиления и преобразования СВЧ колебаний путем создания многочисленных элементов и узлов новых приемо-передающих радиотехнических комплексов [9,10,11,17].
Все это вместе взятое дало возможность задействовать огромный диапазон частот для многочисленных технических применений и перейти к массовому использованию свойств ММВ и более коротких радиоволн в радиотехнических устройствах.
Среди областей, где находят свое применение ММВ, особенно интенсивно развиваются в наши дни беспроводная связь, системы передачи данных и радиолокации. Потребности в организации высоконадежных однопролетных линий связи, предназначенных для передачи многоканальной телефонии; внедрение в технологии сотовой связи пикосот с целью увеличения пропускной способности и улучшения электромагнитной совместимости системы в целом; построение системы обмена данными между ЭВМ по беспроводному каналу; а также стремление создать круглосуточную всемирную цифровую систему связи (http://www.inmarsat.com: http://www.iridium.com/:
http://www.globalstar.com/; http://www.thuraya.comA - все это стимулирует рост интереса к использованию ММВ.
При рассмотрении проблем, с которыми сталкиваются системы сотовой связи, хорошо заметна тенденция к использованию все более высоких частот радиоволн [12-15]. Увеличение частоты, используемой для организации связи и передачи данных в соте, приводит к увеличению пропускной способности, а, следовательно, и количества одновременно обслуживаемых абонентов, к уменьшению размеров сот, что позволяет улучшить качество связи в местах, куда проникновение радиоволн затруднено. Кроме того, появляется больше возможностей по обеспечению электромагнитной совместимости при частотно-территориальном планировании систем сотовой связи [14].
Одним из перспективных направлений является применение ММВ в сфере передачи данных между ЭВМ. Развитие локальных вычислительных сетей с использованием беспроводной связи (например «wireless» или, как частный случай, «Wi-Fi» технологии) и стремление увеличить скорость передачи данных в таких сетях ведет к необходимости использовать также все более коротковолновый диапазон радиоволн для этих задач. В работе [17] предлагается использование миллиметровых радиоволн для передачи широкополосной информации. Описывается макет линии дуплексной связи двух ЭВМ на волнах 5 и 8,6 мм.
Из всего вышесказанного следует, что ММВ в основном находят все более широкое применение в системах широкополосной связи наземных пунктов с искусственными спутниками земли и межспутниковой связи, высоконадежных однопролетных линий связи, предназначенных для передачи многоканальной телефонии, системах передачи информации, в технологиях сотовых сетей.
Как уже отмечалось, ослабление радиоизлучения в атмосфере имеет общую тенденцию возрастать с ростом частоты и зависеть от погодных условий. Интенсивность поглощения ММВ радиоволн в чистой атмосфере обусловлена наличием молекул кислорода и водяного пара. Однако ослабление в чистой атмосфере не столь велико как в субмиллиметровом диапазоне волн и существенно лишь на некоторых частотах (22.2 (Н20), 60 (Ог), 118.8 (Ог), 180(Н2О) ГГц) [32]. Таким образом, в настоящее время для более протяженных линий связи представляют интерес "окна прозрачности" атмосферы на частотах 35, 94, 140 и 220 ГГц, где наблюдается минимальное затухание по сравнению с соседними участками ММВ. Модели для расчета ослабления в чистой атмосфере основаны, в основном, на эмпирических формулах, описывающих линии поглощения в кислороде и водяном паре.
Рассматривая основные трассы распространения радиоволн в атмосфере, а именно, приземные и наклонные, видим, что необходимо учитывать влияние не только атмосферных газов, но и осадков, различных аэрозолей в виде туманов и облаков. При изучении взаимодействия излучения с гидрометеорами и аэрозолями, следует отметить, что привносимое ими ослабление может быть значительным, а в некоторых случаях и существенно превышать ослабление в чистой атмосфере [67]. Основными параметрами при моделировании гидрометеоров и аэрозолей являются характеристики водности или интенсивности и распределения частиц по размерам. Наиболее сильно эффекты рассеяния, поглощения и деполяризации проявляются при распространении ММВ в дождях [65]. Снегопады тоже являются гидрометеорами, но вносят гораздо меньшие потери в излучение [65]. Кроме того, снегопады характеризуются исключительно разнообразной формой снежинок и сложной пространственно-временной структурой, что не позволяет адекватно описывать их с помощью какой-либо модели.
В задачах связи на наклонных трассах типа земля - спутник и в радиолокационных задачах особое внимание обращено на взаимодействие радиоволн с облаками, являющимися разновидностью аэрозолей. Учитывая множество видов облаков [48,49] и широчайший разброс их параметров и состава [49,50] следует выделить типы облаков, в которых излучение претерпевает наиболее сильное ослабление. В то же время по облачности существуют обширные статистические данные, необходимые для моделирования трассы распространения. К ним относятся бальность и высота нижней границы облаков (ВНГО). Кроме этих характеристик статистика собирается для метеорологической дальности видимости (МДВ), которая является интегральной характеристикой, определяющей ослабление волн оптического диапазона [103]. Эту же характеристику желательно использовать и для определения ослабления ММВ в аэрозолях, и в результате, используя доступ к статистическим данным, можно установить вероятностную связь метеорологической дальности видимости с данными по облакам [108]. Таким образом, при известной МДВ, появляется возможность не только оценить затухание радиоволн, но и определить ВНГО, что позволит предсказать возможность распространения радиоволн в наклонном направлении.
При изучении влияния различных факторов на распространение радиоволн в атмосфере, немаловажна задача количественного сравнения степени этого влияния для каждого из факторов. Иными словами, необходимо определить, какими факторами можно пренебречь, а какие необходимо учитывать в расчетах характеристик радиоволн миллиметрового диапазона. Для решения этой задачи удобно объединить модели, описывающие многообразие атмосферных явлений в едином программном комплексе. Это позволит гибко моделировать среду распространения, выбирая модели, участвующие в расчете, и их параметры.
В представленной работе исследуется ослабление излучения, привнесенное в результате распространения радиоволн в атмосфере, как наиболее значимая характеристика для различных технических приложений.
Моделирование атмосферы как среды распространения осуществлялось во многих работах. Например, достаточно обширные вычисления приводятся в работах [66,77,83,84], основанные на применении системы MathLab и реализованные в виде отдельных функций для системы. Однако при таком подходе пользователю необходимо изучать основы программирования в пакете MathLab, не говоря уже о времени счета, о наглядности получаемых данных и о возможности оперативно менять параметры расчета. Кроме того, в аналогичных работах, как правило, расчеты ведутся по одной из возможных моделей, что снижает ценность выполняемых вычислительных экспериментов.
Задачу моделирования ослабления ММВ в атмосфере можно разбить на несколько частей. Вначале необходимо исследовать модели распространения в чистой атмосфере, гидрометеорах и аэрозолях. Здесь имеется ввиду ослабление в кислороде и водяном паре, в дождях, туманах и облаках. На этом этапе сравниваются основные методы расчета ослабления радиоволн, и строится модель атмосферных образований, оказывающих влияние на распространение радиоволн.
На следующем шаге осуществляется программная реализация методов расчета ослабления ММВ на ЭВМ, привносимого различными факторами. Результатом является интерактивная программа, позволяющая рассчитывать ослабление электромагнитных волн (ЭМВ) для различных условий распространения с использованием нескольких выбранных методов расчета. В интерфейсе программы закладывается возможность изменять основные параметры атмосферы (давление, температура, влажность) и тип гидрометеоров (параметры распределения частиц внутри атмосферного образования). На выходе программы строится график ослабления ЭМВ в зависимости от частоты для каждой смоделированной ситуации.
Предусматривается возможность вывода нескольких зависимостей на один график и сохранение этих данных для дальнейшей работы. Программа ориентируется на пользователя, знакомого с основами работы на персональном компьютере, но не должна требовать никаких специальных навыков в области программирования.
Далее, используя полученный программный продукт, осуществляется количественный анализ, проводится сравнение и выявляются наиболее значимые факторы, влияющие на распространение радиоволн. В результате исследования выделяются типы и свойства гидрометеоров и аэрозолей, чье влияние наиболее заметно, сравниваются рассчитанные значения с экспериментальными данными для проверки используемых моделей, проводится анализ и проверяется адекватность математических моделей, описывающих ослабление в определенных условиях.
В следующей части работы рассматривается модель, определяющая связь МДВ и ВНГО. Модель основывается на регрессионной зависимости и предполагается, что эта зависимость будет близка к линейной. С целью построения модели проводятся расчеты для статистических данных, собранных за длительный период времени (порядка 10 лет) и характеризующих реальный климатический регион. Сравнение полученных результатов с аналогичными для другого климатического региона, позволяет определить, связан ли характер зависимости с конкретным географическим расположением. Статистические таблицы данных подвергаются первичной обработке в табличном процессоре типа EXCEL. Файлы EXCEL используются в качестве промежуточных данных для программы, написанной в математическом пакете MATHCAD. Программа MATHCAD, в свою очередь, позволяет получить вероятностные характеристики дискретных случайных величин МДВ, ВНГО и количества облаков, а так же построить графики частостей и регрессионных зависимостей. Эта часть работы позволяет связать величину МДВ, необходимую для расчета ослабления ММВ, с ВНГО, используемой в качестве одного из основных параметров наклонной и вертикальной трасс распространения радиоволн.
Целью настоящей работы является исследование моделей атмосферы как среды распространения радиоволн, методов расчета ослабления ММВ, создание алгоритма, объединяющего несколько основных моделей и методов расчета в единый расчетный комплекс и разработка программного обеспечения, призванного автоматизировать вычислительные процессы. В этой связи в представленной работе решаются следующие задачи:
1. исследование методов расчета ослабления радиоволн миллиметрового диапазона. Выбор методов для последующей программной реализации, причем с целью более полного описания физических процессов необходимо одновременно использовать методы, построенные на основе теоретических и эмпирических данных;
2. исследование моделей атмосферы как среды распространения и построение обобщенной модели, учитывающей основные факторы, влияющие на распространение радиоволн;
3. построение алгоритма расчетной программы, объединяющего методики расчета ослабления для атмосферных газов, гидрометеоров и аэрозолей;
4. разработка интерактивного интерфейса, позволяющего исследователю манипулировать методиками расчета и самостоятельно выбирать модель атмосферы;
5. создание расчетной программы, основанной на разработанном алгоритме, включающей в себя основные методики расчета ослабления радиоволн миллиметрового диапазона и позволяющей гибко моделировать среду распространения, учитывая в расчете влияние тех или иных атмосферных явлений на конкретной трассе;
6. установление корреляционных зависимостей МДВ и ВНГО на основе статистического анализа экспериментальных данных за большой промежуток времени с использованием табличного процессора EXCEL и математического пакета MATHCAD.
Модель ослабления в атмосферных газах
Молекулы атмосферных газов могут поглотить часть энергии радиоволны проходящей через них, тем самым вызвав ее ослабление. Такого рода поглощение носит название молекулярного и наблюдается в отсутствии дождя, тумана и других капельных образований. В этих условиях энергия распространяющейся волны расходуется на нагревание вещества, ионизацию или возбуждение атомов и молекул, фотохимические процессы и т.д. Среди входящих в состав тропосферы газов молекулярное поглощение особенно сильно проявляется в кислороде и в водяных парах. Наибольшее ослабление вызывается полярными молекулами воды. Диполи молекул ориентируются вдоль вектора приложенного электрического поля радиоволны. Так как электрическое поле в волне меняется дважды за период, перегруппировывая такие молекулы, то при этом волна теряет часть своей энергии. На высоких частотах это происходит чаще, и энергии, соответственно, теряется больше. Неполярные молекулы кислорода также вызывают поглощение энергии из-за наличия у них магнитных моментов. Поскольку большинство энергетических уровней имеет дискретные значения, то подобные переходы обладают более или менее ясно выраженным резонансным характером, что приводит к резонансному или селективному поглощению радиоволн.
Из различных гидрометеоров наибольший вклад в ослабление ММВ вносят осадки, особенно дожди[56,57]. Энергия волны одновременно поглощается и рассеивается дождевыми каплями. Ослабление нарастает при увеличении плотности дождя (увеличении числа и размеров дождевых капель), а также при увеличении размеров дождевого очага на трассе распространения.
Как уже отмечалось выше, для расчета рассеивающих свойств различных гидрометеоров необходимо знать их диэлектрические свойства. Диэлектрические свойства обычно описываются комплексной диэлектрической проницаемостью є или комплексным показателем преломления т. Их мнимые части определяют потери в веществе. Диэлектрические свойства жидкой воды при длинах волн более 1 мм обусловлены дипольной природой молекул воды, а при длинах волн менее 1 мм диэлектрические свойства зависят от резонансных поглощений в молекуле.
Оценки коэффициентов ослабления в гидрометеорах обычно выполняются с помощью полуэмпирических аппроксимационных соотношений, связывающих ослабление с интенсивностью R осадков [71]. Однако этот подход, ввиду огромного числа различных условий распространения в каждом конкретном случае (различные распределения частиц по размерам и частоты), не позволяет говорить об однозначности характера связи коэффициента ослабления с интенсивностью осадков.
Поскольку гидрометеоры, в основном, состоят из дискретных капель различных размеров, то коэффициент рассеяния или поглощения зависит от отношения радиуса отдельной капли к длине волны падающего излучения. Согласно строгой теории дифракции электромагнитных волн на сферической частице, дифрагирующее свойство этой сферической капли зависит от безразмерной величины р=2пг/Х, называемой параметром дифракции, где г -радиус капли. В теории дифракции в зависимости от параметра р различают три случая: 1) р « 1 или г « X, 2) р 1 или г X, 3) р»1 или г » X . В первом случае, когда радиус капель мал по сравнению с длиной волны, расчет коэффициентов ослабления можно проводить по приближенным формулам Рэлея. Второй случай, при котором радиус капель соизмерим с длиной волны падающего излучения, необходимо рассматривать с помощью точной теории дифракции волн на сферических частицах (теории Ми). В третьем случае, когда радиус капель велик по сравнению с длиной волны падающего излучения, для расчетов используют формулы геометрической оптики. Так как в нашем случае (ММ и СБММ волны в гидрометеорах) длина волны соизмерима с размерами капель в гидрометеорах, то необходимо применять теорию Ми. Строго говоря, с помощью теории Ми можно описать все три случая, но расчеты с использованием теории Ми связаны с определенными математическими трудностями. Рассмотрим существующие алгоритмы расчета ослабления электромагнитного излучения по теории Ми.
Применение кубических сплайнов для оценки ослабления в дождях на основе эмпирических данных
При расчете ослабления в дожде следует учитывать не только общее количество осадков, но и время, за которое данное количество выпадает. Так, при одинаковом количестве осадков, выпадающих во время сильной грозы и в течение нескольких дождливых дней со средней интенсивностью дождя, последний случай может вызвать меньшее время неготовности линии связи.
Помимо дождей достаточно часто в атмосфере наблюдаются дымки и туманы, часто определяющие прозрачность атмосферы. Они состоят из капель размером в микроны (радиус капель гораздо меньше длины волны) и вносят меньшее ослабление в ММВ по сравнению с дождями. По этой же причине коэффициент ослабления не связан с распределением капель по размерам.
Данные о горизонтальной прозрачности атмосферы находят широкое применение во многих технических приложениях (оптическая связь и локация, авиация и т.п.) [99]. Для определения ослабления длин волн оптического диапазона на атмосферных оптических линиях связи (АОЛС), широко применяется величина, которую называют метеорологическая дальность видимости (МДВ). Нахождению аналитического вида вероятностного закона распределения МДВ посвящена работа авторов [112]. Это одна из основных метеорологических величин, которую надо знать при взлете и посадке воздушных судов. Наблюдение за изменением этой величины в обязательном порядке проводятся на всех взлетно-посадочных полосах аэродромов, обсерваториях и метеостанциях. Таким образом, существуют обширные статистические данные по МДВ для разных времен года и разных территориальных и климатических зон.
В сумерки и ночью вследствие резкого уменьшения освещенности и, следовательно, быстрого возрастания порога контрастной чувствительности глаза видимость объектов утрачивается на расстояниях, значительно меньших, чем днем. Поэтому ночью метеорологическую дальность видимости определяют по точечным источникам света, т. е. по огням, удаленным от наблюдателя на такие большие расстояния, что их угловые размеры становятся меньше порога остроты зрения ( 1 угловой минуты).
Для каждой конкретной аппаратуры АОЛС и дальности связи можно рассчитать минимальное, или критическое, значение МДВ - Smim при котором при ухудшении погодных условий происходит нарушение работоспособности канала АОЛС. Тогда, учитывая метеорологическую статистику конкретной местности, например, используя данные метеослужб, есть возможность с определенной точностью предсказать доступность канала связи.
Однако использование АОЛС на наклонных трассах сильно затруднено из-за влияния облачности. Для этих же технических приложений [99] весьма важно знание вероятностных распределений нижней границы облаков Нн, определяющих, в основном, прозрачность атмосферы в вертикальном и наклонном направлениях. Облака практически не прозрачны для оптического излучения. Как правило, на метеостанциях параллельно с измерениями МДВ осуществляется измерение высоты нижней границы облаков (ВНГО) и количества облаков, измеряемое в баллах от 0 (ясно) до 10. Величины ВНГО и бальность считаются не менее важными для функционирования воздушного транспорта и метеослужб чем МДВ. Данные измерений статистически систематизированы и доступны наравне с данными по МДВ, которая напрямую связана с высотой нижней границы облаков. Интуитивно понятно, что чем ниже облака, тем меньше величина МДВ. Качественно связь прозрачности в горизонтальном и вертикальном направлениях, при наличии облаков, оценивалась в работах [106-109]. Если попытаться установить характер этой зависимости (при этом для практического интереса будет информативно, только если зависимость будет близка к линейной), это позволит оценить коэффициент пропускания атмосферы, используя ВНГО, а эта характеристика является одной из важнейших для наклонных линий связи. В работе [110] на основе анализа экспериментальных данных установлена корреляционная и регрессионная связи между случайными величинами МДВ и ВНГО. В качестве исходных данных в работе [ПО] были взяты результаты наблюдений МДВ, количества облаков -N и ВНГО за 14 лет (1964-1977 гг.), выполненных на метеостанции Ленинградской области (пос. Воейково). Учитывая вышесказанное, представляется весьма привлекательным использовать величину МДВ для оценки ослабления электромагнитных волн миллиметрового диапазона в аэрозолях.
Эту величину можно связать с водностью метеорологического образования, которая определяет коэффициент поглощения волн оптического диапазона[115]. Характер этой связи будет разный для разных типов аэрозолей [116]. Таким образом, при известной водности или МДВ можно достаточно точно определить ослабление волн оптического диапазона.
В случае волн миллиметрового диапазона размер частиц в туманах и облаках (диаметр частиц порядка 10-100 мкм) значительно меньше длины волны, и при расчетах коэфициента ослабления в них можно пользоваться приближением Рэлея [81]. Если сравнить численные значения сечения рассеяния и поглощения в рэлеевском приближении то окажется, что v« а.
1. Рассмотрены вопросы, связанные с взаимодействием электромагнитного излучения миллиметрового диапазона с атмосферой. Проведен общий обзор методов моделирования факторов, влияющих на распространение радиоволн в атмосфере. Проанализированы методы и алгоритмы расчетов ослабления в чистой атмосфере, в гидрометеорах и аэрозолях.
2. С целью моделирования и исследования влияния основных факторов, привносящих затухание при распространении электромагнитных волн, разработана общая методика расчета, с использованием основных моделей атмосферы и методов расчета ослабления.
3. Собраны материалы, позволяющие разработать алгоритм вычислений и создать программу, выполняющую задачу моделирования на ЭВМ влияния атмосферы на ослабление радиоволн.
Алгоритм и интерфейс программы
Схема алгоритма расчета, отражающая возможности программы, изображена на рис.2.1 Внешний вид пользовательского интерфейса программы показан на рис.2.2. Алгоритм расчета ослабления радиоволн в атмосфере, реализованный в программе. Причем в программу заложены данные по интенсивности дождя в соответствии с несколькими основными географическими регионами России и предусмотрена возможность выбора типового значения для той или иной местности в отдельном окне (рис. 2.3).
Далее на основном экране пользователь выбирает вид взаимодействия и алгоритм для расчета ослабления (рис.2.1). Выбор производится с помощью трех выпадающих списков. На одном графике можно построить три зависимости одновременно, различаемые по цветам: красный, синий, зеленый (рис.2.2). Существует возможность провести вычисления кривых ослабления в кислороде или/и парах воды, расчет по эмпирической формуле (1.66) для горизонтальной и вертикальной поляризации, расчет в соответствии со строгой теорией Ми и расчет по модели, основанной на приближении Рэлея (рис.2.1). Если используется расчет по теории Ми или Рэлея, то пользователю предоставляется возможность выбрать соответственно функцию распределения частиц по размерам и ее параметры для Ми и МДВ или водность для Рэлея (рис.2.1). При этом пересчет МДВ в водность будет выполнен автоматически. Вид окна, содержащего интерфейс выбора типа и параметров распределения частиц по размерам, представлен на рис. 2.4.
Существует возможность автоматически заполнить данные по распределению, выбрав один из типов облаков и дождей, классифицированных по Дейрменджану из базы данных программы (рис.2.3). Если параметры какой-либо функции заданы не равными 0, она будет включена в расчет по теории Ми. Таким образом, заполняя поля параметров нескольких функций распределения, можно получить многомодальное распределение или ослабление в смешанных дисперсионных средах.
Кроме построения общих зависимостей, реализован интерфейс «калькулятора», позволяющего быстро рассчитать ослабление для конкретной частоты (рис. 2.5). Здесь, на разных панелях одного окна создан интерфейс для расчета ослабления в атмосферных газах, расчета затухания в гидрометеорах по эмпирической формуле и вычисления ослабления в соответствии с теорией Ми. При этом до начала расчета можно вызвать окна с параметрами интенсивностеи для дождей и параметрами распределений частиц по размерам аналогично, как и при построении зависимостей в диапазоне частот.
Программное обеспечение, призванное решать задачи распространения радиоволн в атмосфере и описанное в современной литературе зачастую представляют собой узконаправленные комплексы, автоматизирующие отдельные методы расчетов и использующие фиксированные модели атмосферных явлений. Кроме того, практически все программы реализованы в виде функций для различных математических пакетов типа MATHLAB, которые требуют от исследователя определенного уровня знаний в программировании этих пакетов. Исключением могут являться программы для инженерных расчетов, реализованные в виде независимых откомпилированных модулей с пользовательским интерфейсом. Однако подобные продукты в основном используют только несложные методы расчетов, основанные на эмпирических формулах. Все это ограничивает круг их применения.
Разработанное ПО полезно как для различных инженерных расчетов, так и для исследовательских задач. Оно позволяет определять молекулярное поглощение, для разных характеристик атмосферы и излучения (температуры, атмосферного давления, плотности водяного пара, частоты). Кроме того, в программе реализовано несколько независимых методик расчета ослабления радиоволн в гидрометеорах и аэрозолях. Здесь имеются ввиду методики, основанные на теории Ми, приближенной эмпирической формуле и приближении Рэлея, позволяющее определить зависимость ослабления от МДВ. Наравне с методами расчета программа предоставляет широкие возможности по моделированию среды распространения. Модели гидрометеоров и аэрозолей могут быть выбраны как из ряда заранее сохраненных, так и построены пользователем в процессе работы с программой. Это предоставляет исследователю возможность самостоятельно сравнить различные методики, используемые в вычислительном эксперименте и определить выбор наиболее адекватной математической модели.
Комплексный подход к исследованию проблемы моделирования распространения радиоволн в атмосфере привел к разработке программного обеспечения, позволяющего оценивать ослабление в атмосфере, обусловленное многими факторами (атмосферные газы, гидрометеоры и аэрозоли). Причем программой предусмотрено сочетание различных факторов, что дает возможность гибко моделировать среду распространения.
Анализ результатов
Таким образом, при теоретических расчетах, связанных с распространением радиоволн в атмосфере, для корректного моделирования среды распространения необходимо знание целого ряда характеристик атмосферы (температура, давление, влажность) и параметров распределения гидрометеоров (различные микрофизические свойства). Однако, учитывая многообразие форм дождей и облаков, в зависимости от времени года и географического расположения, представляется сомнительным, что параметры распределений, подобранные для определенных серий экспериментов, могут быть применены для другого времени года или другого месторасположения. Для более универсального описания гидрометеоров необходимы обширные экспериментальные данные по микрофизическим свойствам гидрометеоров за достаточно большой промежуток времени и полученные для конкретной местности.
В связи с этим, правильнее будет использовать методику, основанную на оценке ослабления по известной величине МДВ и применяемую для видимого спектра излучения, для предсказания затухания радиоволн ММ диапазона. Ограничением в этом случае является выполнение условий для применения приближения Рэлея, т. е. для миллиметрового диапазона эта методика применима только для аэрозольных образований.
Показано, что ослабление в облаках сравнимо, а часто существенно превышает ослабление в дождях и газах. Наличие или отсутствие отдельных типов облаков, одной из характеристик которых является ВНГО, может определить возможность распространения ММВ на наклонных трассах. В тоже время существуют данные по вероятностному распределению величины МДВ для ряда географических регионов. Установление устойчивой статистической связи является первым шагом в исследованиях зависимости между законами распределения МДВ и ВНГО.
В Приложении 2 произведен расчет вероятностных характеристик метеорологической дальности видимости и высоты нижней границы облаков с применением табличного процессора EXCEL и программного комплекса MATHCAD на основе статистических данных, полученных БРИС ЦВ МГО по наблюдениям в Москве за десятилетний период. Общее число наблюдений за весь период составило и=53850.
Выполненные вычисления позволяют сделать следующие выводы: 1. Наименьшее среднее число облаков наблюдается в мае - июне -июле - августе, когда оно составляет примерно 3,5 балла, а наибольшее — в ноябре - декабре, достигая 8 баллов и, соответственно, значения МДВ максимальны в эти весенне-летние месяцы и минимальны в осенне-зимние, причем минимум /Ид, точно совпадает с максимумами ms и тн, приходящимися на июнь. 2. Наибольшая средняя высота облаков отмечается в июне (тн=1,4 км), а наименьшая - в декабре (тн =0,4 км). 3. Ход зависимостей для ms, mN и тн совпадает для Москвы и Ленобласти, однако абсолютное значение этих величин достаточно заметно различается. Для Москвы отмечается наличие ярко выраженных максимумов и минимумов ms, mN и тн, что объясняется, очевидно, близостью климата Москвы к континентальному, тогда как для Ленобласти эти зависимости носят более сглаженный характер.
1. Затухание в атмосферных газах много ниже, чем в гидрометеорах (в основном дожди и облака) и в большинстве случаев им можно пренебречь. Вблизи резонансных частот, а именно на частотах 24 и 184 ГГц для водяного пара и 60 и 188.7 ГГц для кислорода, а так же при низких углах подъема трассы распространения сигнала ослабление в чистой атмосфере необходимо учитывать. Это связано с накоплением потерь за счет большой протяженности трассы.
2. Основное ослабление, при распространении радиоволн, вносят дожди. Однако, на высоких частотах, отдельные типы облаков могут привносить ослабление, превосходящее ослабление в дожде в несколько раз. К таким типам облаков относятся в основном кучевые и кучево-дождевые классы облаков. Наибольшее ослабление наблюдалось в облаках Cb(max) (кучево-дождевые). Таким образом, особенно при рассмотрении наклонных трасс распространения, важным фактором является влияние облаков.
3. Сравнение нескольких функций распределения частиц по размерам показало, что наиболее универсальной для дождей различной интенсивности можно признать четырехпараметрическое распределение Шифрина. Эмпирическая формула показывает наибольшее ослабление в дожде, что можно объяснить предназначением ее для инженерных расчетов, где всегда важнее иметь «запас прочности». Для низких интенсивностей дождя применение распределения Лоуса-Парсона и Маршалла-Пальмера дает заниженные значения ослабления. Это может говорить о несостоятельности параметров экспоненциальных распределений по размерам для мороси, приведенных в [76]. Для облаков актуально использование сочетания нескольких функций распределения, описывающих различные по размеру фракции капель.
4. Расчет ослабления по теории Рэлея для аэрозольных образований дает хорошее совпадение с данными, полученными при помощи теории Ми. Отсюда можно сделать вывод, что такие характеристики атмосферы как МДВ или водность позволяют с достаточной степенью точности определить ослабление радиоволн миллиметрового диапазона.
Созданный программный продукт позволяет оценивать ослабление электромагнитных волн в атмосферных газах и различных гидрометеорных образованиях, включая облака и дожди, путем построения графиков затухания радиоволн в СМ и ММ диапазонах длин волн. При этом для дальнейшего анализа существует возможность построить на одном графике кривые ослабления для различных смоделированных сред распространения. Программа предоставляет исследователю интерфейс для изменения параметров атмосферы и микрофизических свойств атмосферных гидрометеоров. Для расчетов по строгой теории Ми, изменяя параметры выбранных распределений, а также комбинируя разные типы распределений, можно смоделировать широкий набор различных видов гидрометеоров.
В целом анализ ряда численных экспериментов, проведенных при помощи разработанного программного комплекса, позволяет говорить об адекватности реализованных математических моделей и приводит к выводу о возможности его применения для комплексного исследования научных и технических проблем, связанных с ослаблением радиоволн миллиметрового диапазона в атмосфере.
