ẢNH HƯỞNG của TẦNG đối lưu đến TRUYỀN SÓNG vô TUYẾN

Báo cáo:SỐ HÓA ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU TRONG TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam Tháng 10, năm 2016 Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Như Vinh Đỗ Thị Dung.

Báo cáo:

SỐ HÓA ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU

TRONG TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN

Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam

Tháng 10, năm 2016 Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Như Vinh

Đỗ Thị Dung

Mục lục

A TRUYỀN SÓNG TRONG TẦNG ĐỐI LƯU 3

I Đặc điểm tầng đối lưu 3

a Tính chất vật lí 3

b Hệ số điện môi 4

c Chiết suất 5

II Tác động của tầng đối lưu với truyền sóng đất 6

a Hiện tượng khúc xạ khí quyển 6

b Ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển khi truyền sóng trong tầm nhìn thẳng 7

c Hiện tượng Phadinh khi thu trong tầm nhìn thẳng 8

III Truyền sóng trong tầng đối lưu 9

a Các dạng khúc xạ khí quyển 9

b Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ 9

c Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu 10

IV Suy giảm sóng trong tầng đối lưu 11

a Hấp thụ phân tử 11

b Hấp thụ do mưa 12

c Hấp thụ do sương mù 12

B TRUYỀN SÓNG DO KHUẾCH TÁN TRONG TẦNG ĐỐI LƯU 13

C SỐ HÓA CÔNG THỨC ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU VỚI TRUYỀN SÓNG TRONG MATLAB 14

I Công thức số hóa áp suất phụ thuộc vào độ cao 15

a Công thức trong lí thuyết: 15

b Trong thực tế: 15

c Tính toán trong matlab ta có: 15

II Công thức số hóa chỉ số chiết suất khí quyển trong tầng đối lưu 17

a Công thức lý thuyết: 17

b Tính toán số hóa trong Matlab ta có: 17

III Biến thiên chỉ số chiết suất theo độ cao 18

IV Đường đi của sóng trong khí quyển xét hiện tượng khúc xạ 19

Tài liệu tham khảo 21

A TRUYỀN SÓNG TRONG TẦNG ĐỐI LƯU

I Đặc điểm tầng đối lưu

Tầng đối lưu là tầng dưới cùng của khí quyển trái đất trải từ mặt đất lên đến độcao khoảng 8 – 10km ở các vĩ tuyến cực, khoảng 10 – 12km ở các vĩ tuyến trung bình

và 16 – 18km ở miền nhiệt đới Các thông số chủ yếu đặc trưng cho tầng đối lưu gồm:Mật độ chất khí, biến thiên nhiệt độ theo độ cao, độ ẩm của không khí, hệ số điện môi,

độ biến thiên của chỉ số chiết suất theo độ cao

T nhiệt độ tuyệt đối (độ Kelvin);

M: trọng lượng phân tử của chất khí;

g: gia tốc trọng tường;

 Biến thiên nhiệt độ theo độ cao

Tính chất quan trọng nhất của

tầng đối lưu là sự giảm nhiệt độ theo độ

cao Nguyên nhân do sự đốt nóng tầng

đối lưu chủ yếu tỏa nhiệt của mặt đất Ở

một khoảng nào đó trong tầng đối lưu

xuất hiện hiện tượng nhiệt độ tăng theo

độ cao Hiện tượng này được gọi là hiện

tượng đảo nhiệt

Trong khoảng 10km đầu tiên

nhiệt độ giảm 0.55℃/km Từ 11km tới

18km tiếp theo nhiệt độ không thay đổi

Hình 1: Sự thay nhiệt độ theo độ cao của bầu khí quyển trái đất.

 Độ ẩm của không khí

Hơi nước trong tầng đối lưu được tạo ra do sự bốc hơi của hơi nước trên mặt đấtdưới tác dụng của bức xạ mặt trời Vì vậy tầng khí quyển trên đại dương ẩm hơn tầngkhí quyển trên đất liền Lượng hơi nước giảm nhanh theo độ cao

c Chiết suất

Biến thiên của chỉ số chiết suất theo độ cao phụ thuộc vào biến thiên của cácthông số nhiệt độ, áp suất, độ ẩm của chất khí theo độ cao:

N= 78 T (p+ 4810 P T h)Khi tính toán ta lấy:

dN

dh=−4.10−21/m

Lên cao 1m chiết suất giảm 4 10 −2

II Tác động của tầng đối lưu với truyền sóng đất

a Hiện tượng khúc xạ khí quyển

Tầng đối lưu có chiết suất biến đổi đề theo độ cao vì vậy nếu có tia sang truyền

đi không song song với phương nằm ngang thì nó sẽ bị khúc xạ liên tục Kết quả sóng

bị uốn cong Hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ khí quyển

Bán kính cong của quỹ đạo sóng khi có khúc xạ khí quyển

Hình 2: Mô tả các thông số tính bán kính cong của quỹ đạo sóng

Giả thiết ta bức xạ một tia sóng có góc tới φ đi xuyên qua khoảng dh tới lớp cóchiết suất n+dn với góc tới φ+dφ Bán kính cong của tia sóng sẽ bằng:

R= 1 −dn dh

= 10−dN6

dh

= 1064.10 −2.2,5.107m=2500 km

 Nếu chiết suất không thay đổi theo độ cao tia sóng sẽ đi thẳng

b Ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển khi truyền sóng trong tầm nhìn thẳng

Khi áp dụng công thức giao thoa trường ở điểm thu phụ thuộc vào hiệu số hìnhhọc của đường đi giữa tia tới trực tiếp và tia phản xạ từ mặt đất Hiện tượng khúc xạkhí quyển làm cho tia sáng đi cong do đó hiệu số hình học của tia tới trực tiếp và tiaphản xạ từ mặt đất sẽ khác trong trường hợp sóng truyền trong trường hợp đồng nhất

Hình 3: Quỹ đạo của tia sóng trực tiếp và tia phản xạ

Để xét ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển ta coi cả hai tai tới trực tiếp và tia phản

xạ trên mặt đất đều truyền theo quỹ đạo thẳng trên mặt cầu bán kính tưởng tượng a td

Bán kính tương đương được xác định sao cho độ cong tương đối giữa tia sóng

và mặt đất trong điều kiện truyền lan thực và giả định là như nhau suy ra:

=>Khi có ảnh hưởng của khúc xạ khí quyển tầm nhìn thẳng tăng 15%

c Hiện tượng Phadinh khi thu trong tầm nhìn thẳng

Một trong số nhứng hiện tượng thường gặp trong thông tin vô tuyến là cường độtín hiệu thu lớn khi đặt máy thu ở vị trí này nhưng lại có thể rất bé hoặc bằng khôngnếu ta chuyển đổi máy thu sang vị trí khác Trong nhiều trường hợp khi máy thu đặt ở

vị trí cố định thì sự dao động tại điểm thu vẫn xảy ra Hiện tượng đó được gọi là hiệntượng Phadinh Được chia thành 2 loại: Phadinh phẳng-ảnh hưởng chủ yếu lên các hệthống dung lượng nhỏ, băng tần hẹp Phadinh lựa chọn tần số-ảnh hưởng tới các hệthống dung lượng cao băng tần rộng

Hai loại Phadinh này có thể xuất hiện độc lập hoặc đồng thời Nguyên nhân chủyếu gây ra Phadinh là điều kiện khí hậu và địa hình

III Truyền sóng trong tầng đối lưu

a Các dạng khúc xạ khí quyển

 Khúc xạ âm

Chiết suất tăng theo độ cao dN /dh>0 và quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng lêntrên (R<0) Bán kính tương đương của trái đất nhỏ hơn bán kính thực điều đó dãn tớigiảm cường độ tại điểm thu

Khúc xạ tới hạn: điều kiện khúc xạ tới hạn xảy ra:

b Truyền sóng trong điều kiện siêu khúc xạ

Ở một khoảng chiều cao nào đó của tầng đối lưu nếu chiết suất biến thiêntheo quy luật:dN /dh<−0,157(1/m) thì tia sóng đi vào tầng đối lưu sẽ bị uốn cong với

độ cong lớn hơn độ cong quả đất

Hình 4: Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu.

Lợi dụng tính chất trên của miền siêu khúc xạ để truyền lan sóng cực ngắn đi

xa Tuy nhiên miền siêu khúc xạ xảy ra bất thường, độ cao và chiều dài của miền siêukhúc xạ cũng luôn luôn thay đổi nên sử dụng phương pháp truyền lan bằng siêu khúc

xạ tầng đối lưu thông tin bị thất thường và không liên tục Chính vì thế phương phápnày không sử dụng cho thông tin viba

Những sóng vô tuyến điện được truyền đi tới những cự li rất xa do hiệntượng siêu khúc xạ đều thuộc vào loại sóng tầng đối lưu

c Truyền sóng do khuếch tán trong tầng đối lưu

Tầng đối lưu là môi trường có các tham số thay đổi theo thời gian và khônggian Các hiện tượng như mưa bão tuyết… đều xảy ra trong tầng đối lưu Bởi vậy tầngđối lưu là một môi trường không đồng nhất Nếu ở một vùng nào đó trong tầng đối lưukhông đồng nhất với môi trường xung quanh, theo nguyên lí quang một tia sóng đi vàovùng không đồng nhất sẽ bị khuếch tán ra mọi phía

IV Suy giảm sóng trong tầng đối lưu

Sóng vô tuyến truyền lan trong tầng đối lưu ngoài các hiện tượng phản xạ khúc

xạ còn bị suy hao do hấp thụ các phân tử, hấp thụ do mưa, sương mù…Các hấp thụ nàyphụ thuộc nhiều vào tần số, điều kiện khí tượng từng vùng và phương của tai sóng

a Hấp thụ phân tử

Chủ yếu do phân tử H2Ovà O2 Hấp thụ phân tử phụ thuộc vào tần số

Hình 5: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ sóng vào tần số.

b Hấp thụ do mưa

Phụ thuộc vào cường độ mưa mm/giờ và tần số

Hình 6: Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ do mưa với cường độ 100mm/giờ vào tần số.

c Hấp thụ do sương mù

Phụ thuộc vào cường độ sương mù thể hiện bằng tầm nhìn xa (m) và tần số

Hình 7: Hệ số hấp thụ do sương mù phụ thuộc vào tần số.

B TRUYỀN SÓNG DO KHUẾCH TÁN TRONG TẦNG ĐỐI LƯU

Những quan trắc thực nghiệm về sự truyền sóng cực ngắn vào cuối năm 1949 cho thấy kết quả tính toans trường và kết quả tính toán thực nghiệm khác nhau rất nhiều kể cả khi xét đến hiện tượng khúc xạ khí quyển Nguyên nhân của hiện tượngtrên được giải thích bởi sự tán xạ sóng tại những miền không đồng nhất của tầng đối lưu

Tán xạ là sự thay đổi đường đi của tia sóng điện từ khi gặp phải một môi trường

có sự không đồng nhất về chiết suất với những khoảng cách mà chiết suất thay đổi gần bằng độ dài bước sóng

Sự tán xạ là sự lan truyền của sóng trong những môi trường có hằng số điện và hằng số từ thay đổi hỗn loạn, rất phức tạp nếu sử dụng các hệ phương trình

Maxwell để giải và tìm chiết suất hiệu dụng của môi trường

Hình 8: Sơ đồ giả định

Hình 8 là sơ đồ của một tuyến thông tin theo phương thức tán xạ sóng trong tần đối lưu Anten phát được đặt tại điểm A, giản đồ phương hướng của nó giới hạn bởi hai đường AC và AC1 Anten thu đặt tại B, giản đồ phương hướng giới hạn bởi hai đường

 d là khuảng cách gữa anten phát và anten thu

 g1 và g2 là hệ số định mức hướng tính của anten phát và anten thu

 r1 và r2 là khoảng cách từ điểm Q lấy bất kì trong miền V đến hai anten

 là suất diện tích tán xạ hiệu dụng của một đơn vị thể tích tầng đối lưu, có tâm tại điểm Q

Nếu anten có hệ số định hướng cao , V sẽ nhỏ và ta có thể coi

và Khi đó:

C SỐ HÓA CÔNG THỨC ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU VỚI TRUYỀN SÓNG TRONG MATLAB

Xét khí quyển tầng đối lưu trong điều kiện thường, các số liệu tham số lấy trongtài liệu U.S.Standard Atmosphere,1976

I Công thức số hóa áp suất phụ thuộc vào độ cao

a Công thức trong lí thuyết:

Khi nhiệt độ thay đổi theo độ cao:

Khi nhiệt độ không đổi theo độ cao:

L b: hệ số suy giảm nhiệt độ theo độ cao

h b: chiều cao ở lớp dưới cùng

Tài liệu tham khảo: https://en.wikipedia.org/wiki/Barometric_formula

c Tính toán trong matlab ta có:

M = 0.0289644;

g0 = 9.80665;

R = 8.31432;

L b= -0.0055; hệ số suy giảm nhiệt độ theo độ cao

T b= 288.15; nhiệt độ tiêu chuẩn

h = [0:100:11000];

Pb = 1041mbar: áp suất không khí tại mặt đất

 Trong khoảng 0km tới 11km đầu tiên nhiệt độ giảm 0,55℃/km

Công thức số hóa trong matlab tương ứng: P = Pb*(T./(T+L*h)).^(g*M/(R*L))Tại 11km có p11= 232.5 mbar

 Trong khoảng 11km tới 18km tiếp theo nhiệt độ không thay đổi

Công thức số hóa tương ứng: p = p11.*exp(-g*M.*(h1-11000)/(R*216.65))

Kết quả số hóa công thức:

Nhận xét: Kết quả số hóa trên đồ thị tương ứng với tài liệu tham khảo trên

https://en.wikipedia.org/wiki/Barometric_formula

II Công thức số hóa chỉ số chiết suất khí quyển trong

tầng đối lưu

a Công thức lý thuyết:

 : Độ phân cực của một phân tử khí

 : Độ phân cực của một phân tủ hơi nước

 : Hệ số điiện môi của không khí

 : Áp suất riêng của phần khí

 : Áp suất riêng của phần hơi nước

 : Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ

 k: Hằng số Boltzman

 T: Nhiệt độ KenvinTrong đó:

+) +) : Độ ẩm tương đối của không khí

: Áp suất hơi nước bão hòa (Ở 100 oC áp suất hơi nước bão hòa bằng áp suất khí quyển tiêu chuẩn)

Thay giá trị các hằng số và thực nghiệm ta có được:

 : Áp suất khí quyển (đã tính ở phần trên)

b Tính toán số hóa trong Matlab ta có:

Ph = q*T*P0/373;

N = 110*(P + 0.481*Ph)/T;

Các giá trị đã biết lấy từ phần tính toán áp suất theo độ cao ở trên

Chiều cao h từ mặt nước biển đến 11 km

Kết quả   :

III Biến thiên chỉ số chiết suất theo độ cao

Biến thiên chỉ số chiết suất theo độ cao : phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ

ẩm không khí theo độ cao

Tính toán số hóa trong Matlab :

gradN = diff(N,h);

Kết quả:

IV Đường đi của sóng trong khí quyển xét hiện tượng

khúc xạ

Đặt hệ trục tọa độ Oxy:

Gốc O trùng với vị trí anten phát Ox và Oy hợp thành mặt cắt ngang với trái đất

Chuyển trục tọa độ từ độ cao h, sang x từ vị trí đặt anten phát đến 800 km

Rtd = 6400 km bán kính trái đất.

Anten phát sóng có hướng coi như tiếp tuyến với trái đất tại vị trí đặt anten phát

Phương trình mô tả mặt đất:

Phương trình mô tả đường đi tia sóng:

 (km) bán kính cong tương đương của trái đất xét hiện tượng khúc xạ khí quyển

 (km) bán kính cong của tia sóng

Tài liệu tham khảo

1 Sách Trường điện từ và truyền sóng – GS.TSKH.Phan Anh

2 Sách Hệ thống thông tin vệ tinh (tập 1) – PGS.TS.Thái Hồng Nhị

3 U.S.Standard Atmosphere,1976

4 https://en.wikipedia.org/wiki/Barometric_formula