Введение к работе
\ i:- - :/;: 1 диссертации J
'""~ Актуальность исследований, Миллиметровые и субмиллиметровые волны (ММВ и СБМВ) обладают рядом преимуществ по сравнению с сантиметровыми и оптическиг,ш волнами. Весьма перспективным представляется использование этих волн в системах наземной и космической связи, радиолокации и радиовидения и для целей дистанционного зондирования земных покровов, атмосферы и атмосферных образований вследствие сильного поглощения и рассеяния ММВ и СБШ этими объектами. Необходимость освоения диапазонов ШВ и СБМВ диктуется не только их преимуществами по сравнению с другими диапазонами, но я частотным переполнением освоенных радаодиапазонов вплоть до частоты 10 ГГц.
Б настоящее время наблюдается особенно повышенный интерес к ММВ и СБЫВ. Этот интерес обусловлен значительными успехами, достигнутыми в области твердотельной технологии, на основе которой возникла реальная возможность создания малогабаритной приемно-передаодей аппаратуры полностью на устройствах в интегральном исполнении с микрополосковыми антеннами. Это действительно позволяет реализовать присуще ММВ и СБМВ преимущества.
Освоение ШШ и СБШ для целей связи, радиолокации и дистанционного зондирования окружающей среда потребовало развития исследований распространения этих волн в атмосфере как на приземных, так и наклонных трассах. Особое внимание этим исследованиям стало уделяться в середине 60-х годов. Поскольку основное влияние на распространение 1MB и СБИВ в атмосфере оказывают водяной пар и гидрометеоры, к которым относятся водные аэрозоли (туманы, облака) и осадки в виде доздя, снега и града, то
_ 4 -
в первую очередь необходимо было исследовать ослабление, обусловленное водяным паром и указанными метеообразовашшми.
Т.к. появление в атмосфере неоднородных в пространстве гидрометеорных образований носит случайный характер, то конечной целью исследований ослабления ШВ и СБМВ в гидрометеорах является развитие методов прогнозирования статистики ослабления, для чего требуются сведения о коэффициентах ослабления, о временной и пространственной структуре гидромэтеорных образований, зависящей от климатических условий, и экспериментальные данные об ослаблении на приземных и наклонных трассах, в том числе разнесенных в пространстве. Кроме того, т.к. ослабление связано с рассеянием ж поглощением радиоволн в среде и в силу закона теплового излучения Кирхгофа - с собственным излучением среда, то вопросы ослабления, рассеяния и поглощения ММВ и СБМВ в атмосфере с гидрометеорами вообще следует рассматривать в контексте с вопросами радаотеплового излучения атмосферы. В частности, рассеяние сильно влияет на радаояркостную температуру гидрометеоров на ММВ и СБМВ, и следовательно, на измеряемое по ней ослабление в осадках.
К моменту начатых автором в середине 60-х годов работ в области исследования ослабления коротких ММВ и СБИВ в гидрометеорах были проведены в основном исследования молекулярного поглощения в водяном паре преимущественно спектрометрическими методами. Длительное время работы автора в этой области фактически были единственными. В области исследования распространения длинных ШВ в осадках отечественные работы отставали от зарубежных. Однако и здесь был ряд еще не решенных научных вопросов. Поэтому задача заключалась не только в том, чтобы ликвидировать это
отставание и получить фактические данные по распространению длинных ШВ в толще земной атмосферы и данные по пространственно-временной структуре осадков, но и в том, чтобы решить ряд вопросов, которые перечислены в цели работы. Необходимость болев глубокого и всестороннего исследования рассматриваемой проблемы и потребности практики определили направленность исследований автора: изучение связи ослабления, рассеяния и интенсивности радаотеплового излучения гидрометеоров в миллиметровом и субмиллимэтровом диапазонах волн с их физическими параметрами и развитие методов прогнозирования статистики перечисленных величин на основе изучения пространственно-временных характеристик гидрометеорннх образований. Основное внимание в работе уделяется довдю как главному фактору, влияющему на ослабление
ммв.
Целью работы являлось:
исследование коэффициентов ослабления ММВ и СБЫВ в туманах, облаках, доддях и снегопадах в зависимости от длины волны излучения и физических характеристик метеообразований и выбор моделей для расчета этих коэффициентов;
создание физической модели, описывающей радиотешювое излучение слоя гидрометеоров с рассеянием, на осново приближенного решения уравнения переноса излучения в аналитическом виде и развитие радиометрических способов и методик измерений ослабления в осадках с рассеянием по их собственному радиотепловому излучению;
исследование пространственно-временных характеристик интенсивности дождя, построение его модели и разработка методов прогнозирования статистики ослабления радиоволн на приземных и.
наклонных трассах, в том числе разнесенных в пространстве;
- исследование ослабленім в толще атмосферы с гидрометеорами по её радиогепловому излучению и сравнение полученной долговременной статистики ослабления в дожде как на одиночных, так и разнесенных в пространстве вортикальных трассах, с прогнозируемой статистикой.
3 цель работы также входило исследование косолщиенгов молекулярного поглощения в водяном паре, поскольку это поглощение неос ходимо учитывать при измерениях ослабленій в гидрометеорах и при прогнозировании статистики полного ослабления, обусловленного всеми факторами.
Научная новизна
-
Выполнены измерения ослабления з облаках разного типа в диапазоне длин волн 0,45-8,2 мм и искусственных туманах разной плотности на волне 0,311 мм, впервые позволившие автору исследовать спектральные характеристики этого ослабления на ЬП'.В и CE.S.
-
Теоретически и экспериментально изучено- ослабление CUJB и коротких ШЗ б доздях и снегопадах и исследована роль эффектов рассеяния в формировании радиотеплового излучения осадков на ЖЗ и СШВ.
-
При помощи нового метода получено приближенное решение уравнения переноса излучения с учетом рассеяния в аналитическом виде для расчета радиояркостной температуры гидрометеоров.
-
Создана физическая модель для описания радиотеплового излучения слоя гидрометеоров с рассеянием.
-
Разработана и апробирована методика радиометрических измерений ослабления М'ЛВ б гидрометеорах при фиксированном угле наблюдений по их собственному радиотепловому излучению, позволяющая учесть влияние рассеяния на измеряемое ослабление.
-
Предложен новый способ измерений ослабления ЬШ в гидро-
метеорах по их радиотепловому излучению, не требующий введения поправки в измеряемое ослабление за счет рассеяния.
7. Для центрального района ETC исследовани пространственные характеристики интенсивности сильных ливневых дождей и получены зависимость диаметра ливневой части дождя от его интенсивности, а также нормализованная пространственная автокорреляционная функция интенсивности.
8. Предложена новая модель довдя для прогнозирования интегральных распределений ослабления 1MB в дозде на различных одиночных трассах, учитывающая эллиптичность формы зоны дождя, преимущественное направление ветра во время доздя на высоте 3 км над уровнем моря в заданном районе и вклад в ослабление, вносимый облаками.
9. Впервые создана обобщенная модель доздя для прогнозирования совместной статистики ослабления ММВ на двух разнесенных в пространстве трассах, а также предложен и апробирован метод прогнозирования этой статистики.
Научная и практическая ценность работы заключается в следующем:
изучены спектральные зависимости ослабления ММВ и СБШ в облаках разного типа, туманах разной плотности, дождях и снегопадах разной интенсивности;
полученное приближенное решение уравнения переноса излучения в гидрометеорах в аналитическом виде с учетом рассеяния может использоваться при разработке алгоритмов для расчета с заданной точностью характеристик распространения ММВ и в задачах по дистанционному радиофизическому зондированию осадкоз;
развитые -на основе аналитического решения уравнения па-
_ 8 -
реноса излучения методика и новый способ радиометрических измерений ослабления МВД в гидрометеорах с рассеянием по их ра-диотешювому излучению могут приманяться при исследованиях ослабления МШ в толще атмосферы с гидрометеорами и при дистанционных измерениях параметров ыетеообъектов;
радиометеорологические исследования пространственно-временных характеристик интенсивности дождя явились основой для создания новой модели доздя для прогнозирования условий распространения радиоволн в довде;
для основных районов СССР получены необходимые параметры, позволящие рассчитывать для заданного района среднегодовые интегральные распределения вероятности выпадения дождя разной интенсивности;
на основе результатов исследований пространственной автокорреляционной функции интенсивности дождя разработан и экспериментально проверен метод прогнозирования совместной статистики ослабления радиоволн в дожде на двух разнесенных в пространстве трассах;
за ряд лет- наблвдений в центральной части Европейской территории СССР (ETC) получены годовые и сезонные интегральные распределения вертикального ослабления на волне 8,2 мм, в том числе совместные распределения ослабления в дожде для двух трасс, разнесенных на расстояние 24 км.
Приведенные в работе результаты необходимы при проектировании различных радиосистеы для оценок надежности их работы, дальности действия и т.п. при наличии в атмосфере осадков и водных аэрозолей. Эти результаты нашли применение в ряде организаций промышленности. Подученные данные могут использоваться так-
- 9 -же при дистанционных радиофизических исследованиях осадков пассивными методами.
Апробация результатов, материалы диссертации докладывались на УШ (Ашхабад, 1967), IX (Харьков, 1969), X (Иркутск, 1972), XI (Казань, 1975), 2П (Томск, 1978), ХШ (Горький, 1981), НУ (Ленинград, 1984), ХУ (Алма-Ата, 1987) Всесоюзных конференциях по распространении радиоволн, У (Кишинев, 1978), УІ (Таллин, 1982), УП (Суздаль, 1986) Всесоюзных совещаниях по радиометеорологии, на I (Москва, 1976), Л (Харьков, 1978), Ш (Горький, 1980) Всесоюзных симпозиумах по миллиметровым и субмиллиметровым волнам,на Всесоюзном симпозиума по распространению ММВ и СЕМВ в атмосфере Земли и планет (Горький, 1974), на I (Москва, 1982), П (Фрунзе, IS85) Всесоюзных школах-симпозиумах по распространению ЫМВ л СБМВ в атмосфере, на двух Всесоюзных сессиях Общества им.А.С.Попова (Москва, 1975; 1980), Советско-английском семинаре по распространению СБИВ в атмосфере (Москва, 1977), Советско-японских симпозиумах по электронике (Токио, 1979; Москва, 1987), на ХУШ Международном конгрессе по электронике (Италия, 1971), Коллоквиуме по мелкомасштабной структуре осадков и распространению электромагнитных волн (Франция,1973), У Коллоквиуме по микроволновой связи (ВНР, 1974), Международном симпозиуме по антеннам и распространению радиоволн (Япония, 1978), Симпозиуме по СБМВ (CM, 1971) и на П (США, 1976), Ш (Англия, 1978), ГУ (США, 1979), Л (США, 1981), УШ ((Ж, 1983), IX (Япония, 1984), X (СМ, 1985), и XI (Италия, 1986) Международных конференциях по миллиметровым и инфракрасным волнам.
Основные научные положения и результаты исследований автора» выносимые на защиту:
-
Радиометрический способ измерений при фиксированном угле наблюдений ослабления ММЗ и СБШ в гадрометеорах с рассеянием в толще атмосферы по их радиотепловому излучению является эффективным, простым и дешевым способом, особенно в случае получения статистики этого ослабления на имитируемых трассах ИСЗ-Зеїлля в разных климатических районах. Разработанная методика позволяет учесть влияние рассеянного гидромегеорами излучения на радиояркостную температуру и существенно повысить точность определения ослабления.
-
Разработанные на основе результатов исследований временных и пространственных характеристик интенсивности дождя его простая и обобщенная модели и метода прогнозирования статисти- ки ослабления ММВ и СБШ в дожде позволяют рассчитывать для любого климатического района СССР интегральные распределения ослабления на одиночных и разнесенных в пространстве трассах по количеству вшадавдих сильных ливневых дождей конвективного происхождения, по общему количеству жидких осадков, по преимущественному направлению ветра на высоте 3 км над уровнем моря во время выпадения доадэй и пространственной автокорреляционной функции интенсивности дождя в данном районе.
-
Разработанная на основе нового приближенного решения уравнения переноса излучения физическая модель, описывающая радиотепловое излучение слоя гидрометеоров с рассеянием, а также развитая в работе метеорологическая модель дождя и результаты теоретических и экспериментальных исследований ослабления и рассеяния ММВ и СБЫВ в доядо на приземных и вертикальных трассах составили основу радиомодели дождя в диапазонах Ш$ и СБШ. Модель включает в себя зависящие от интенсивности довдя коэффициенты ослабления, коэффициенты рассеяния в переднюю и заднюю по-
- II -
лусферы и индикатрису рассеяния единичного объема дождя и дает возможность оценки при заданном уровне вероятности оптической толщины дождя, его радаояркостной температуры и рассеянной в дожде мощности, а также любых других величин, связанных с перечисленными величинами функциональной зависимостью.
Совокупность сформулированных и обоснованных в диссертации положений представляет собой новое направление радиофизических исследований - изучение физических основ прогнозирования условий распространения ММВ и СБИВ в атмосфере с гидрометеорами с учетом климатических особенностей.
Представленные в диссертации исследования охватывают период с 1965 по 1987 гг. Личный вклад автора заключается в выборе направления исследований, в формулировке и постановке задач, в проведении теоретических исследований и расчетов, в участии при создании ряда измерительных комплексов, в разработке методик измерений, в руководстве и непосредственном участии в проведении измерений в полевых и лабораторных условиях, в обработке и интерпретации полученных результатов и в разработке моделей дождя и методов прогнозирования статистики ослабления в нем радиоволн.
