6.2. Влияние атмосферы на дальность радиолокации

В предшествующем параграфе были рассмотрены факторы, определяющие дальность радиолокации в свободном пространстве. Однако реальные условия распространения радиоволн вследствие наличия атмосферы и земли отличаются от условий распространения в свободном пространстве, что, естественно, сказывается и на дальности радиообнаружения.

Влияние атмосферы на дальность радиолокации возникает в силу того, что при распространении радиоволн в атмосфере имеют место, во-первых, искривление траектории распространения в вертикальной плоскости и, во-вторых, затухание радиоволн.

Искривление траектории распространения радиоволн в вертикальной плоскости вызывается явлением рефракции, т. е. преломлением радиоволн в нижних слоях атмосферы, возникающим вследствие изменения давления, температуры и влажности воздуха по высоте. Характер и величина рефракции зависят от величины вертикального градиента коэффициента преломления Так, при радиолуч отклоняется от прямой линии вверх, т. е. имеет место отрицательная рефракция (рис. 6.1, а).

Рис. 6.1. Искривление траектории распространения радиоволны в атмосфере: а - отрицательная рефракция; б - положительная рефракция, в - сверхрефракция

Если то радиолуч отклоняется от прямой линии вниз, т. е. имеет место положительная рефракция (рис. 6.1, б).

Рефракция радиоволн влияет на дальность радиолокации в силу кривизны земной поверхности и сказывается при обнаружении низколетящих или низкорасположенных целей. Непосредственно из рис. 6.1 следует, что при отрицательной рефракции дальность радиолокации таких целей уменьшается, а при положительной рефракции увеличивается. Учесть влияние рефракции на дальность радиолокации проще всего можно путем замены действительного радиуса Земли так называемым эффективным радиусом, который определяется из следующего соотношения:

где ρ_эфф - эффективный радиус Земли,

ρ_з - действительный радиус Земли.

При такой замене кривизна земли уменьшается на величину кривизны луча и, следовательно, луч можно считать по-прежнему прямолинейным.

Рефракция, возникающая в стандартной атмосфере, называется нормальной или стандартной. Поскольку для стандартной атмосферы вертикальный градиент коэффициента преломления

то нормальная рефракция является положительной при радиусе кривизны радиолуча около 25000 км. Эффективный радиус Земли в этом случае

При - наступает так называемая критическая рефракция, при которой радиус кривизны радиолуча равен радиусу Земли. Это означает, что высота радиолуча над землей остается постоянной и радиоволны распространяются как бы над плоской землей. В этом случае ρ_эфф = ∞.

При возникает сверхрефракция, при которой радиолуч претерпевает полное внутреннее отражение и возвращается на землю, затем, отразившись от поверхности земли, вновь претерпевает полное внутреннее отражение и т. д. (рис. 6.1, б).

В этом случае дальность радиолокации нередко превышает дальность радиолокации в нормальных условиях в несколько раз. Однако такое явление встречается сравнительно редко.

Сверхрефракция возникает тогда, когда температура воздуха с высотой возрастает, т. е. имеет место инверсия температуры (изменение температуры с высотой, противоположное обычному), а влажность воздуха с высотой резко уменьшается. Слой атмосферы, в котором создаются условия для образования явления сверхрефракции, называется атмосферным каналом или атмосферным волноводом. Высота атмосферного волновода зависит от интенсивности инверсии температуры, высоты слоя, в котором эта инверсия имеет место, и скорости падения давления водяного пара. Обычно высота атмосферного волновода лежит в пределах от десятков до сотен метров. Поэтому чем короче волны, тем чаще наблюдается увеличение дальности радиолокации за счет сверхрефракции.

Опыт показывает, что сверхрефракция наблюдается в хорошую погоду, когда отсутствует перемешивание воздушных масс в нижних слоях атмосферы. Чаще всего сверхрефракция возникает в летние месяцы в субтропических и тропических поясах преимущественно над водными поверхностями. Так, перемещение сухого воздуха с суши на более холодную поверхность моря приводит к тому, что слой воздуха, прилегающий к поверхности моря, будет охлаждаться и одновременно увлажняться за счет испарения морской воды. В результате возникает температурная инверсия и резкое уменьшение влажности воздуха с высотой, что приводит к образованию атмосферного волновода высотой, достигающей нескольких сот метров.

Над сушей сверхрефракция встречается реже, так как неровности земли приводят к перемешиванию нижних слоев атмосферы. Обычно атмосферные волноводы образуются над большими ровными пространствами земли, т. е. в пустынях, вследствие ночного охлаждения земной поверхности. В условиях чистого неба после жаркого дня тепло излучается земной поверхностью быстрее, чем оно поглощается нижними слоями атмосферы. Поэтому температура почвы становится значительно ниже температуры воздуха, в результате чего возникает температурная инверсия. Если яри этом имеет место испарение влаги с поверхности земли, то влажность будет резко уменьшаться с высотой. Все это может привести к образованию атмосферного волновода.

Рассмотрим теперь влияние затухания радиоволн в атмосфере на дальность радиолокации.

Если мощность отраженного сигнала при отсутствии потерь в атмосфере обозначить через Р₂₀, а мощность отраженного сигнала при наличии потерь в атмосфере - через Р₂, то затухание, выраженное в децибелах, будет равно

Для случая, когда атмосфера вдоль всей трассы распространения радиоволн является однородной, можно затухание β представить как

где α - коэффициент поглощения в дб/км,

R - расстояние до обнаруживаемой цели в км.

Тогда

Поскольку согласно основной формуле радиолокации (6.3) при G₁ = G₂ = G и η₁ = η₂ = 1

то

Принимая P₂ = P_пор, получаем искомую дальность радиолокации с учетом затухания радиоволн в атмосфере

или

где

- дальность радиолокации в свободном пространстве. Уравнение (6.7) является трансцендентным и его проще всего можно решить графическим методом.

На рис. 6.2 представлены графики зависимости дальности радиолокации в атмосфере R_макс от дальности радиолокации в свободном пространстве R_0макс, соответствующие различным значениям коэффициента затухания α.

Рис. 6.2. Графики зависимости дальности радиолокации в атмосфере от дальности радиолокации в свободном пространстве, соответствующие различным значениям коэффициента затухания

На рис. 6.3 представлен график зависимости отношения от значения произведения αR_0макс.

Рис. 6.3. График зависимости отношения дальности радиолокации в атмосфере к дальности радиолокации в свободном пространстве от произведения коэффициента затухания на дальность радиолокации в свободном пространстве

Затухание радиоволн в атмосфере возникает вследствие поглощения и рассеяния энергии радиоволн как дипольными молекулами кислорода и паров воды, так и гидрометеорами, частицами пыли и т. п.

На рис. 6.4 представлены графики зависимости коэффициента поглощения радиоволн от длины волны для кислорода и паров воды. Из этих кривых видно, что поглощение энергии радиоволн кислородом воздуха и парами воды на волнах длиннее 10 см незначительно. Однако при укорочении волны поглощение возрастает. Характерным является наличие максимумов поглощения, обусловленных резонансными свойствами поглощения энергии молекулами воды и кислорода.

Рис. 6.4. Графики зависимости коэффициента поглощения радиоволн от длины волны для кислорода и паров воды

Затухание радиоволн в атмосфере вследствие наличия гидрометеоров происходит как в силу того, что водяные капельки, содержащиеся в тумане, облаках и дожде, не являются совершенным диэлектриком, так и в силу рассеяния энергии радиоволн дождевыми капельками. На рис. 6.5 приведен ряд зависимостей коэффициента поглощения радиоволн от длины волны, соответствующих различной интенсивности дождя (сплошные кривые) и различной интенсивности тумана (пунктирные кривые).

Рис. 6.5. Зависимости коэффициента поглощения радиоволн от длины волны: для дождя (сплошные кривые) при различной интенсивности дождя: а - 0,25 мм/час (моросящий дождь); б - 1 мм/час (слабый дождь); в - 4 мм/час (средний дождь); г - 16 мм/час (сильный дождь); и для тумана (пунктирные кривые) при различной концентрации воды в атмосфере: д - 0,032 г/м³ (видимость около 600 м); е - 0,32 г/м³ (видимость около 130 м); ж - 2,3 г/м³ (видимость около 30 м)

Как видим, затухание радиоволн, а следовательно, и уменьшение дальности радиолокации на волнах короче 10 см в ряде случаев могут достигать значительной величины. Так, например, если дальность радиолокации в свободном пространстве равна 100 км, то при λ = 3 см в условиях сильного дождя дальность радиолокации сократится до 30 км, т. е. уменьшится в три раза. Поэтому для радиолокационных станций дальнего обнаружения обычно выбирают диапазон волн от 10 см и длиннее.