РАССЕЯНИЕ ВОЛН МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА В ДОЖДЕ С УЧЕТОМ НЕСФЕРИЧНОСТИ КАПЕЛЬ

April 14, 2012 by admin Комментировать »

Афонин А. А., Тимофеев В. А. Ярославский государственный университет им П. Г. Демидова Ул. Советская, д. 14, Ярославль – 150000, Россия Тел.: +7(0852) 79-77-70; e-mail: afonin@uniyar.ac.ru

Аннотация – На основе метода T-матриц рассчитаны угловые зависимости рассеяния радиоволн миллиметрового диапазона в дожде с учетом как несферичности капель, так и распределения их по размерам.

I.  Введение

В настоящее время в связи с развитием систем связи, локации и дистанционного зондирования проявляется все больший интерес к области радиоволн миллиметрового (ММ) диапазона. В пользу ММ диапазона в радиолокации говорит возможность повысить разрешающую способность устройств ближнего обнаружения и сопровождения целей. В области передачи данных увеличение несущей частоты цифровых систем связи позволяет увеличить как количество каналов, так и скорость передачи информации. Определенные перспективы связывают с использованием этого участка электромагнитного спектра в системах подвижной сотовой связи.

Fig. 1. Dependences of differential scattering cross- section on scattering angle Qs at the constant angle

На эффективность систем ММ диапазона сильное воздействие оказывает состояние атмосферы и, особенно, осадки в виде дождя. А так как форма падающей капли (особенно крупного размера) далека от сферической, то это приводит к появлению существенной кроссполяризационной составляющей в сигнале на приемной стороне, что требует дополнительных расчетов при использовании систем связи с повторным использованием частоты.

нис. 7. зависимости оифференциального сечения рассеяния для несферической капли дождя от угла 0s при фиксированном угле ф j = я/3 .

Ранее основное внимание уделялось изучению характеристик взаимодействия в длинноволновой части ММ диапазона [1]. Недавние исследования [2, 3] позволили уточнить данные о форме капель дождя. В работе выполнен анализ рассеивающих свойств несферических частиц во всем ММ диапазоне с учетом этой информации.

II.  Основная часть

Эксперименты показали, что форма падающей капли (особенно крупного размера) далека от сферической. Первоначальные исследования взаимодействия ММ излучения с несферическими частицами были выполнены для эллипсоидальных частиц, а затем и для более реалистичной формы – сплюснутого сфероида с вогнутым основанием (так называемая форма Пруппахера-Питтера).

Рассмотрим взаимодействие плоской гармонической волны с отдельной каплей дождя. Рассеивающие свойства частицы могут быть описаны с помощью, так называемой, амплитуды рассеяния [1], которая содержит информацию об амплитуде, фазе и поляризации рассеянного излучения. В матричном представлении рассеянное поле р в точке г в за-

S

висимости от направления распространения и поляризации падающей волны р можно записать в

следующей сЬооме Г11:

где индексы 1, 2 соответствуют горизонтальной и вертикальной поляризации излучения, к – волновое число в свободном пространстве, а элементы матрицы амплитуды рассеяния f – описывают сополяр-

ную и кроссполяризационную составляющие рассеянного излучения.

В качестве метода численного моделирования взаимодействия ММ излучения с такими несферическими частицами был использован так называемый метод Т-матриц [1].

Сначала были выполнены расчеты рассеивающих свойств отдельной частицы дождя. На рис. 1а и рис. 1Ь приведены для примера угловые зависимости нормированных сополярных и кроссполяризаци- онных значений дифференциального сечения рассеяния для капель с эффективными радиусами я0 = 1 мм (пунктирная линия) и а0=3мм (сплошная

линия). Длина волны падающего излучения Л = 3 мм. Угол наклона частиц а = ж/б.

фх = л/Ъ for nonspherical raindrops.

Как следует из приведенных данных, увеличение размеров частицы приводит к увеличению интенсивности поля рассеянного вперед.

Также были выполнены исследования рассеивающих свойств капель в различных участках ММ диапазона. Анализ результатов расчетов показал, что при увеличении длины волны падающего излучения амплитуда дифференциального сечения рассеяния в направлении вперед убывает.

На основе полученных данных для отдельных капель можно получить угловую зависимость рассеивающих свойств дождя, учитывая реальное распределение частиц по размерам. Для этого было использовано распределение Беста [4]:

где / – интенсивность дождя в мм/ч,

я – эффективный радиус частицы, т. е. радиус

шара того же объема, что и данная капля.

На рис. 2а и рис. 2Ь приведены угловые зависимости нормированных сополярных и кроссполяриза- ционных значений дифференциального сечения рассеяния для единичного объема дождя при значении интенсивности осадков / = 20мм!ч , Л = 3 мм .

(а)                                          (Ь)

Рис. 2. Угловые зависимости сечения рассеяния единичного объема дождя при / = 20 мм / ч ■

Fig. 2. Angle dependences of scattering cross-section for unit volume of rain at I = 20 mm/h

Анализ результатов моделирования показал, что при увеличении интенсивности осадков или уменьшении длины волны излучения угловая диаграмма для сополярной составляющей сужается. Для кросс- поляризационной компоненты имеет место противоположная тенденция.

I.    Заключение

В работе с помощью компьютерного моделирования на основе метода Т-матриц проведен анализ угловой зависимости сечения рассеяния миллиметрового излучения в дожде. Исследованы рассеивающие свойства отдельных капель, а также единичного объема осадков.

Результаты данного моделирования могут быть использованы при расчете систем с повторным использованием частоты.

II.   Список литературы

[1]  Oguchi, Т. Electromagnetic Wave Propagation and Scattering in Rain and Other Hydrometeors// Proc. IEEE. – 1983.- Vol. 71, – No. 10, P. 1029-1078.

[2]  Li, L. W„ Kooi, P. S., Leong, M. S., Yeo, T. S., and Gao, M. Z. Microwave Attenuation by Realistically Distorted Raindrops, Part I – Theory// IEEE Trans. Antennas and Propagation. –

1995.       -Vol. 43,- No. 8, P. 811-821.

[3]  Lin, D.-P., Chen, H.-Y. Volume Integral Equation Solution of Extinction Cross Section by Raindrops in the Range 0.6- 100Ghz. // IEEE Trans. Antennas and Propagation. -2001 .- Vol. 49,- No. 3, P. 494-499.

[4]  Красюк H. П., Колобов В. Jl., Красюк В. Н. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу РЛС. – М.: Радио и связь, 1988.

ММ-WAVE RAIN SCATTERING WITH REGARD TO RAINDROP NONSPHERICITY

Afonin A. A., Timofeyev V. A.

Yaroslavl State University 14 Sovetskaya St., Yaroslavl -150000, Russia phone: (0852) 79-77-70 e-mail: afonin@uniyar.ac.ru

Abstract – Angle dependences of mm-wave rain scattering have been numerically analyzed using the T-matrix technique with regard to both the raindrop nonsphericity and size distribution.

I.  Introduction

At present a growing interest is being shown in the mm-wave band due to the development of communication, radar and re- mote-sensing systems. However, atmospheric conditions strongly affect the performance of mm-wave systems. Rain in the radio path causes wave attenuation, scattering in all directions and polarization distortions, which is critical for frequency-reuse systems. Therefore the study of rain scattering in realistically shaped particles is a topical problem. Recent research [2,3] has provided more accurate information about raindrop shapes. Wth regard to this data, the present report analyses the rain scattering properties of nonspherical particles in the mm band.

II.  Main part

Angle dependences of the scattering properties of raindrops in the shape of oblate spheroids with concave bottom (the so- called Pruppacher-Pitter shape) have been studied for the mm band. Simulation and numerical analysis of the wavelength, line of symmetry orientation in particles, and raindrop size influence on the differential scattering cross-section have been carried out using the T-matrix technique. As an example, the normalized angle dependences of co-polarized and cross-polarized differential scattering cross-sections for the raindrops with effective radii a0 = 1mm (dotted line) and a0 = 3mm (solid line) are shown in Fig. 1a and Fig. 1b. The incident radiation wavelength A = 3mm; the particle angle or = 7T/6. The investigations have shown that the angle distribution of the co-polarized differential scattering cross-section converges with an increase in the precipitations intensity or at smaller wavelengths. The analysis of the rain scattering properties for different sections of the mm band has been carried out with regard to the particle size distributions. Results of calculating angle dependences of the co- polarized and cross-polarized scattering cross-sections for unit volume of rain are shown in Fig. 2. The wavelength of incident radiation A = 3mm; the rain intensity I = 20mm/h. The calculations have shown that smaller wavelengths and higher rain intensity also make the angle distribution of the co-polarized scattering cross-section converge.

III.  Conclusion

Results of numerically calculating angle dependences of rain scattering are presented. The differential scattering cross- section of a single raindrop has been studied. Angle dependences of scattering cross-sections for unit volume of rain have been analyzed. The available results may prove useful in the design of frequency reuse systems.

Аннотация – Приведено интегральное уравнение Ба- ланиса для задачи восстановления диэлектрической проницаемости по заданному коэффициенту отражения электромагнитных волн от неоднородной полуограниченной среды, обобщенное на случай, когда функция проницаемости терпит скачок I рода на границе раздела сред. Указан точный алгоритм восстановления вещественной диэлектрической проницаемости по коэффициенту электромагнитного отражения.

I.  Введение

Среди обратных задач электродинамики важное место занимает определение диэлектрической проницаемости неоднородной среды по частотной зависимости амплитудного коэффициента отражения. Различные варианты решения этой проблемы для непрерывной функции диэлектрической проницаемости приведены в работах [1-4]. Случай неоднородной среды с разрывным профилем диэлектрической проницаемости рассматривался в [5, 6]. В отличие от [5], где развиваются приближенные подходы к задаче, в данной статье приведен точный алгоритм восстановления вещественной диэлектрической проницаемости e(z) по коэффициенту отражения, учитывающий скачок этой функции на границе раздела сред.

II.  Основная часть

Процесс преломления и отражения плоских электромагнитных волн от неоднородной полуограниченной среды с диэлектрической проницаемостью sl(z), занимающей полупространство z>0, в

условиях нормального падения описывается уравнением Гельмгольца

Функция s1(z) G С2 (z > 0) предполагается неотрицательной, {E^z) > £ > 0 при z > 0 ) и £1 (z) —> £х при z —> +оо . В точке z = 0 функция s(z) имеет разрыв 1 рода, причем £1 (+0) Ф s0.

Если E(z,k)- решение уравнения (1.1), удовлетворяющее граничному условию

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты