З.Ослабление электромагнитного излучения атмосферными образованиями

3.1. Затухание в воздухе

Уменьшение интенсивности электромагнитного излучения в воздухе оп­ределяется преимущественно поглощением в атмосферных газах. Основными поглощающими ингредиентами атмосферы в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра являются водяной пар, углекислый газ, азот и кислород [6]. Кроме того, в планетарном масштабе атмосфера содержит так на­зываемые малые примеси, способные поглощать излучение. В локализованных областях атмосферы могут присутствовать газы индивидуального происхожде­ния, также приводящие к затуханию оптических волн.

К настоящему времени для всех участков спектра, в которые попадает из­лучение перспективных в прикладном отношении лазеров, разработаны надеж­ные методы количественного определения коэффициентов поглощения, осно­ванные на экспериментальных и теоретических исследованиях. Таким образом, если спектр излучения лазера известен с достаточной точностью, то ослабление интенсивности лазерного луча атмосферными газами может быть заранее оп­ределено для любых реальных метеоусловий в атмосфере.

В системах оптической связи, локации, навигации длина волны излучения лазера выбирается таким образом, чтобы она находилась в одном из окон про­зрачности атмосферы и уж, по крайней мере, не попадала на линии резонанс­ного поглощения газов. Поэтому ниже будем рассматривать ослабление опти­ческих волн только за счет молекулярного и аэрозольного рассеяния и погло­щения. Разработанная для оговоренных условий теория молекулярного рассея­ния света Кабанна-Рэлея дает следующее выражение для коэффициента рас­сеяния в газах [8]:

(29)

где п - показатель преломления среды;  - фактор деполяризации рассеянного излучения (по последним измерениям [8] равен 0,035); N- число молекул в единице объема.

Что касается поглощения миллиметровых волн в газах атмосферы, то оно определяется в основном молекулами кислорода и водяного пара. На рис. 3 приведены зависимости коэффициента ослабления в воздухе от длины волны излучения [4]. Резонансное поглощение в кислороде наблюдается на волнах 2,5 и 5 мм, а в водяном паре на волне 13,5 мм. При давлении воздуха 760 мм рт. ст. и температуре 20 ºС коэффициент ослабления на волне 5 мм равен 14 дБ/км и на волне 2,5 мм - 3,5 дБ/км. При тех же параметрах атмосферы и влажности 7,5 г/м³ резонансное поглощение в парах воды составляет 0,15 дБ/км. Волны пятимиллиметрового излучения (f = 60 ГГц) используются в атмосферных ли­ниях связи повышенной скрытности. Сильное резонансное поглощение на ука­занных волнах затрудняет прием информации за спиной корреспондента-получателя.

Однако значительно больший практический интерес представляет оценка ослабления миллиметровых волн в окнах прозрачности атмосферы. Для этого можно использовать основанную на приближении Рэлея модель, предложен­ную авторами [10], согласно которой коэффициент поглощения в газах атмо­сферы (дБ/км), определяется выражением

в котором f, ГГц - частота; n" - мнимая часть коэффициента преломления

p_n , кПа - парциальное давление водяного пара,

, г/м³ - абсолютная влажность воздуха,

t_обр - относительная обратная температура,

t, К - температура; р, кПа - давление сухого воздуха;  - относительная влаж­ность воздуха.

В ряде случаев атмосферные потери уменьшают вероятность перехвата сообщений и снижают уровень помех от соседних линий связи, работающих в том же диапазоне частот. Существует оптимальная частота, на которой отно­шение сигнал/помеха имеет максимум. Расчет оптимальной величины коэффи­циента ослабления, максимизирующего отношение сигнал/помеха, основан на следующем [11]. Предполагается, что шум приемника и помеха от мешающей станции обладают свойствами аддитивного белого гауссова шума или что в приемнике сигнал обрабатывается таким образом, что шумы приемника и помехи преобразуются в аддитивный белый гауссов шум. Отношение сиг­нал/помеха

где S, I и N - соответственно мощности принимаемого сигнала, помехи и шума приемника, являющиеся функциями частоты,

S₁, N₁, I₁ - значения S, N, I в отсутствие атмосферного поглощения и рассеяния; В и В_i - зависящие от частоты величины атмосферного поглощения или рассея­ния на трассах полезного сигнала и помехи; N_a - компонент шума приемника, обусловленный собственным тепловым излучением атмосферы. В случае на­земных линий связи N_a=0 и

где k_Б ⁼1,3810 ^-23, Дж/К - постоянная Больцмана; Т_о, К - температура окру­жающей среды; F_n - коэффициент шумов системы; f, МГц - ширина полосы частот. Можно показать, что отношение сигнал/помеха для наземных линий связи определяется выражением

в котором

R_i и R_s - соответствующие длины трасс от источника помехи, передатчика сиг­нала до приемника.

Если через m₁ обозначить величину m, которая имела бы место в атмосфе­ре без потерь, то выигрыш в отношении сигнал/(помеха+шум) в линии связи за счет атмосферного ослабления равен

где

(41)

Величина Е как функция В максимальна при

(42)

Так как В не может быть меньше 1, то

(43)

Максимальное значение увеличения отношения сигнал/(помеха+шум) за счет атмосферного ослабления

(44)

где m_max и m₁ - отношение сигнал/(помеха+шум) с учетом и без учета атмо­сферного ослабления соответственно.

Если величина B_опт не попадает в область достижимых значений В, то в качестве нее следует брать значение, наиболее близкое к величине В_опт. В лю­бом случае оптимальная величина коэффициента ослабления вблизи приемни­ка равна

(45)

Оптимальную частоту (длину волны), на которой наблюдается максимум от­ношения сигнал/(помеха+шум), определяют по графику зависимости коэффи­циента ослабления от длины волны (рис. 3).