Expert Zamkovoy Vladimir "Фабрика инновационных технологий"
Радиосигналы в тропосфере
Меню сайта

Форма входа


«  Июнь 2017  »

Друзья сайта


Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0

Приветствую Вас, Гость · RSS 26.06.2017, 12:21

At simple level we will consider devices. The purpose? To give the first step to your creativity in this direction. If there will be difficulties, write to us.
We can sell the documentation and programs of controllers of the good device. Successful to you of business.

Research of passage of radio signals through troposphere.
Исследование прохождения радиосигналов через тропосферу.
   The possibility of using of geostationary satellites radiation at high elevation angles for determination of hydrometeors parameters (rain, snow, hail, cloud) is discussed.
   Description of the equipment structure diagram and results of the experimental investigations of low-, medium- and high-level clouds main forms are shown.
   The apparatus for recognizing clouds is quite simple and cheap.


   Key words: water content, liquid phase, geostationary.
The opportunity to use the geostationary satellite radio signals at high  elevation angles for determining parameters of hydrometeors (rain, snow, hail, clouds) is discussed. The attenuation and scattering of radio waves allow one to determine the average moisture and drop concentration in stratocumulus clouds, the reflection of radio waves from cumulonimbus clouds provides information on the intensity and hazard of cloudbursts etc. The functional diagram of equipment and results of experimental investigations on main forms of low-, middle- and high-level clouds are presented. The method of cloud recognizing using the geostationary satellite radiation, is promising. The equipment is environmentally safe, simple and cheap.
At the present time, in view of environmental changes, one of the urgent problems is the detection of hydrometeors being hazard for man and causing hail, showery rains, snowfall etc. Furthermore, banks of undulated clouds
present a flight safety hazard for aircrafts. These clouds are formed by atmospheric waves developing at the interface of two air layers having different densities and moving with different speeds. In wave ridges, where the ascending motion of air takes place, the cooling occurs provoking the water vapor condensation and cloud formation. In downward currents the air heats up and the sky between the ridges becomes free. The waves of this type cause bumpiness
and sometimes lead to the aircraft catastrophe. Such hydrometeors are recognized with the help of active meteorological radar stations possessing a large energy potential and being environmentally unsafe [1,2].
Therefore, one of primary requirements to the design and application of the equipment is its environmental safety [3].
The present work was initiated to investigate the possibility to use the radio signals emitted from geostationary satellites for determination of hydrometeor parameters. The problem was set taking into consideration wide application of the space television, simplicity and availability of equipment, frequency ranges used and environmental safety.
The research technique consists in finding the dependence between fluctuation characteristics of 3cm radio waves emitted from the geostationary satellite and the parameters of hydrometeors being on the path of radio wave propagation.
On the path of centimetric radio-wave propagation [4] the troposphere has the most influence. Troposphere turbulences, leading to the dielectric permittivity inhomogeneity ε, influence on the level of a received signal and cause tailing of its spectrum. Clouds take a particular place [5]. The main forms of clouds are:
- the low-level clouds: stratus (homogeneous, linear, ordered structure, comparatively thin layer); stratocumulus (layer with a distinct structure in the form of waves, banks or coarse plates); nimbostratus (continuous gray veil of a high vertical power giving long precipitations inthe form of widespread rain or snow);
- middle-level clouds: alto-stratus (grayish or slightly bluish veil); alto-cumulus (similar to stratocumulus but thinner);
- high-level clouds: cirrus (low-density, often transparent, in the form of single parallel or entangled threads; cirrostratus (white or bluish, rather homogeneous veil); cirrocumulus (thin, semi-transparent or in the form of ripples or flake clusters);
- vertically developed clouds having rather flat bottom and domical top often of a fantastical contours: cumulus, deep-cumulus and cumulonimbus. The temperature, moisture and water in liquid phase are varying at the cloud boundary in the atmosphere mass. Therefore there the sudden changes of the refraction index reaching to 1-3 N units/m take place. The sharpest (to 40 N units and more) jumps and drops of the refraction index at the cloud boundaries are observed during summer months because of the significant moisture influence at positive temperatures [6]. Such clouds are the most hazardous for a man: showery rains, hail, thunderstorms etc. The showery rains fall from the cumulonimbus clouds arising at the certain stage of the deep-cumulus cloud developing. The widespread rains fall, as a rule, from the nimbostratus clouds
and are characterized by a light intensity and extension of several hundred kilometers. The offered technique of an environmentally safe passive location, using the radio waves emitted from geostationary satellites, is based on the investigations of fluctuation characteristics of signals which have passed throughout the atmosphere. To exclude the surface reflections one applies highly located satellites ( β = 10°, 20° and 30°). Geometrical parameters of the propagation path are presented in Fig.1.


В настоящее время в связи с климатическими изменениями одной из актуальных задач является обнаружение опасных для человека гидрометеообразований, способных вызвать град, проливные дожди, снегопады и т. д. Кроме этого, большую опасность для авиации представляют гряды волнистых облаков. Эти облака образованы атмосферными волнами, развивающимися на границе двух воздушных слоев, имеющих различные плотности и движущиеся с различными скоростями. При этом в гребнях волн, где имеет место восходящее движение воздуха, происходит охлаждение, конденсируется водяной пар и образовываются облака. В нисходящих течениях воздух нагревается и небо между гребнями остается чистым. Волны этого типа порождают болтанку, а иногда и приводят к авиакатастрофам. Для распознавания таких гидрометеообразований применяются радиолокационные станции, обладающие большим энергопотенциалом и представляющие экологическую опасность для тех мест, где они установлены[1,2]. По этим причинам одним из первостепенных требований к разрабатываемой и используемой аппаратуре является ее экологическая безопасность[3].

Широкое применение спутникового телевидения, простота и доступность аппаратуры, используемые частотные диапазоны и экологическая безопасность поставили задачу исследовать возможность использования сигналов геостационарных спутников для определения параметров гидрометеообразований. Этим исследованиям и посвящена настоящая работа.

1. Методика исследований. Методика исследований заключалась в установлении зависимости характеристик флуктуаций сигнала геостационарного спутника трехсантиметрового диапазона с параметрами гидрометеообразований, находящихся на трассе распространения радиоволн.

На трассе распространения сигналов ИСЗ [4] сантиметрового диапазона наибольшее влияние имеет тропосфера. Турбулентности тропосферы, приводящие к появлению неоднородностей диэлектрической проницаемости ε, влияют на уровень принимаемого сигнала и приводят к размытию его спектра. Особое место занимают облака [5].

К основным формам облаков относятся облака нижнего яруса: слоистые (однородной, линейной, упорядоченной структуры, сравнительно тонкий слой); слоисто-кучевые (слой с ясно выраженной структурой в виде волн, гряд или крупных пластин); слоисто-дождевые (сплошная серая пелена большой вертикальной мощности, дающая длительные осадки в виде обложного дождя или снега). Облака среднего яруса: высоко-слоистые (сероватая или чуть синеватая пелена); высоко-кучевые (похожие на слоисто-кучевые, но более тонкие).
Облака верхнего яруса: перистые (неплотные, часто просвечивающиеся, в виде отдельных параллельных или спутанных нитей);
 перисто-слоистые (белая или голубоватая, довольно однородная пелена); перисто-кучевые (тонкие, полупрозрачные, в виде ряби или скопления хлопьев). И, наконец, облака вертикального развития, имеющие сравнительно плоские основания и куполообразные вершины, часто причудливых очертаний: кучевые, мощно-кучевые и кучево-дождевые.
На границе облаков меняется температура и влажность воздуха, а также водность, т. е. содержание воды в жидкой фазе. Поэтому на границах облаков наблюдаются резкие скачки коэффициента преломления, достигающие
Nед/м. Наибольшие перепады коэффициента преломления на границах облаков (до 40 N единиц и более) наблюдаются в летний период времени из-за существенного влияния влажности при положительных температурах [6]. Такие облака имеют наибольшую опасность для человека: ливневые дожди, град, грозы и т. д. Ливневые дожди выпадают из кучево-дождевых облаков, которые возникают на определенной стадии развития мощных кучевых облаков. Обложные дожди выпадают, как правило, из слоисто-дождевых облаков и характеризуются небольшой интенсивностью и протяженностью в несколько сотен километров. Предлагаемый метод экологически безопасной пассивной локационной станции, использующий радиосигналы геостационарных ИСЗ, основан на исследовании флуктуационных характеристик сигналов, прошедших тропосферу. С целью исключения влияния отражений от поверхности для исследований применяются высокорасположенные спутники (β = 10˚, 20˚ и 30˚).

Рис. 1. – Геометрические параметры трассы распространения: H – высота расположения геостационарного ИСЗ; h – высота расположения гидрометеообразования;
R– расстояние от приемной антенны до гидрометеообразования;

β – угол места направления на геостационарный ИСЗ; Rз – радиус Земли


Таким образом, полученные записи флуктуаций можно разбить на три группы: флуктуации при разрывной облачности ; флуктуации при сплошной облачности ; флуктуации при чистом небе .

В первом случае наблюдается высокий уровень низкочастотных составляющих флуктуаций, глубина которых зависит от характера облаков. На рис. 4 амплитуда флуктуаций при прохождении мощного кучево-дождевого облака достигает 30-40 мВ,  при прохождении белых кучевых облаков с меньшей водностью амплитуда флуктуаций достигала 15-20 мВ. Минимальная частота флуктуаций в первом случае составляла сотые доли герца (рис. 4), а во втором – десятые доли герца (рис. 5,6). Это связано прежде всего со скоростью движения облаков.

В первом случае скорость ветра составляла 1-3 м/с, а во втором – 8-9 м/с. Во второй группе флуктуации сигнала имеют меньшую амплитуду, однако появляется ярко выраженная высокочастотная составляющая спектра (достигающая 300 Гц). Для третьей группы характерна сильная сезонная зависимость: практически отсутствие флуктуаций (рис. 5) в ясный морозный (-10˚С) день и наличие флуктуаций с небольшой амплитудой в ясный летний день ~ 5-10 мВ, как видно на рис. 9 в момент отсутствия в диаграмме антенны облака.

Использование сигналов геостационарных ИСЗ позволяет распознавать и идентифицировать облака, особенно находящиеся в первом ярусе, так как они имеют наибольшее влияние на флуктуации сигнала.

Аппаратура для распознавания облаков является достаточно простой в изготовлении и может иметь широкое распространение.



1.     Кивва Ф. В., Синицкий В. Б., Тургенев И. С., Хоменко С. И. Спектральные характеристики отражений от метеообразований. // XII Всесоюз. Конф. по распространению радиоволн, Тез. докл., Томск, 1978. Ч. II С 225-227.

2.     Степаненко В. Д. Радиолокация и метеорология. – Л., Гидрометеоиздат, 1966. 327с.

3.     Кайдаловский М. И., Стоцкий А. А. Экспериментальные характеристики флуктуаций радиоизлучения облаков на сантиметровых и миллиметровых волнах. // XII всесоюзная конференция по распространению радиоволн: Тез. докл., Томск, 1978. Ч. II. С 77-80.

4.     Яковлев О. И. Распространение радиоволн в космосе – М.; Наука, 1985 – 214с.

5.     Атлас облаков/ Под ред. Хргиан, А.Х. и др. Гидрометеоиздат, 1978 – 268с.

6.     Калинин А. И. Распространение радиоволн на трассах наземных и космических радиолиний – М.; Связь, 1979 – 296с.

7.     Космические траекторные измерения/ Под ред. Агаджанова П. А., Дужвича В. Е., Коростенева А. А.  – М.; Сов. радио. 1969 – 504с.

8.     Дальнее тропосферное распространение ультракоротких волн/ Под ред. Введенского Б. А.  и др. М.; Сов. радио – 1965 – 415с.
Подробнее на  нашем форуме:
 Либо  в  личной  переписке.    
Copyright MyCorp © 2017
Используются технологии uCoz