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 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 I Đặc điểm tầng đối lưu Tầng đối lưu tầng khí trái đất trải từ mặt đất lên đến độ cao khoảng – 10km vĩ tuyến cực, khoảng 10 – 12km vĩ tuyến trung bình 16 – 18km 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 không khí, hệ số điện môi, độ biến thiên số chiết suất theo độ cao a Tính chất vật lí • Mật độ chất khí Mật độ chất khí khí đặc trưng số phân tử chứa không khí Mật độ chất khí kí hiệu Tại độ cao h (lấy mặt biển làm gốc) có áp suất p, nhiệt độ tuyệt đối T Mật độ chất khí xác định biểu thức: gọi số Boltzman; : áp suất mặt đất; số chất khí; nhiệt độ tuyệt đối (độ Kelvin); : trọng lượng phân tử chất khí; : gia tốc trọng tường; • Biến thiên nhiệt độ theo độ cao Tính chất quan trọng tầng đối lưu giảm nhiệt độ theo độ cao Nguyên nhân đốt nóng tầng đối lưu chủ yếu tỏa nhiệt mặt đất Ở khoảng tầng đối lưu xuất hiện tượng nhiệt độ tăng theo độ cao Hiện tượng gọi tượng đảo nhiệt Trong khoảng 10km nhiệt độ giảm 0.55/km Từ 11km tới 18km nhiệt độ không thay đổi Hình 1: Sự thay nhiệt độ theo độ cao bầu khí trái đất • Độ ẩm không khí Hơi nước tầng đối lưu tạo bốc hơi nước mặt đất tác dụng xạ mặt trời Vì tầng khí đại dương ẩm tầng khí đất liền Lượng nước giảm nhanh theo độ cao Ở mật đất có: • Áp suất = 1013 mbar • Nhiệt độ T = 15℃ • Độ ẩm tương đối S = 60% b Hệ số điện môi : mật độ phân tử nước c Chiết suất Biến thiên số chiết suất theo độ cao phụ thuộc vào biến thiên thông số nhiệt độ, áp suất, độ ẩm chất khí theo độ cao: Khi tính toán ta lấy: Lên cao 1m chiết suất giảm II Tác động tầng đối lưu với truyền sóng đất a Hiện tượng khúc xạ khí Tầng đối lưu có chiết suất biến đổi đề theo độ cao có tia sang truyền không song song với phương nằm ngang bị khúc xạ liên tục Kết sóng bị uốn cong Hiện tượng gọi tượng khúc xạ khí Bán kính cong quỹ đạo sóng có khúc xạ khí Hình 2: Mô tả thông số tính bán kính cong quỹ đạo sóng Giả thiết ta xạ tia sóng có góc tới φ xuyên qua khoảng dh tới lớp có chiết suất n+dn với góc tới φ+dφ Bán kính cong tia sóng bằng: Xét tam giác abc ta có: Do Áp dụng định luật khúc xạ điểm a ta có: Nhận xét: • Bán kính cong tia sóng qua tầng đối lưu phụ thuộc vào tốc độ biến thiên chiết suất theo độ cao mà không phụ thuộc vào giá trị tuyệt đối • Nếu chiết suất tăng theo độ cao () bán kính cong có giá trị âm, quỹ đạo sóng có bề lõm hướng lên (tia sóng bị uốn cong lên) gọi khúc xạ âm • Nếu chiết suất giảm theo độ cao () bán kính cong có giá trị dương Quỹ đạo sóng có bề lõm quay xuống gọi khúc xạ dương • Nếu chiết suất không thay đổi theo độ cao tia sóng thẳng b Ảnh hưởng khúc xạ khí truyền sóng tầm nhìn thẳng Khi áp dụng công thức giao thoa trường điểm thu phụ thuộc vào hiệu số hình học đường tia tới trực tiếp tia phản xạ từ mặt đất Hiện tượng khúc xạ khí làm cho tia sáng cong hiệu số hình học tia tới trực tiếp tia phản xạ từ mặt đất khác trường hợp sóng truyền trường hợp đồng Hình 3: Quỹ đạo tia sóng trực tiếp tia phản xạ Để xét ảnh hưởng khúc xạ khí ta coi hai tai tới trực tiếp tia phản xạ mặt đất truyền theo quỹ đạo thẳng mặt cầu bán kính tưởng tượng Bán kính tương đương xác định cho độ cong tương đối tia sóng mặt đất điều kiện truyền lan thực giả định suy ra: Áp dụng cho công thức tính toán tầm nhìn thẳng độ cao anten ta có: • Cự li tầm nhìn thẳng: Gọi k tỉ số bán kính tương đương bán kính thực suy ra: Với tầng đối lưu thường ta có: Suy ra: =>Khi có ảnh hưởng khúc xạ khí tầm nhìn thẳng tăng 15% c Hiện tượng Phadinh thu tầm nhìn thẳng Một số nhứng tượng thường gặp thông tin vô tuyến cường độ tín hiệu thu lớn đặt máy thu vị trí lại bé không ta chuyển đổi máy thu sang vị trí khác Trong nhiều trường hợp máy thu đặt vị trí cố định dao động điểm thu xảy Hiện tượng gọi tượng Phadinh Được chia thành loại: Phadinh phẳng-ảnh hưởng chủ yếu lên hệ thống dung lượng nhỏ, băng tần hẹp Phadinh lựa chọn tần số-ảnh hưởng tới hệ thống dung lượng cao băng tần rộng Hai loại Phadinh xuất độc lập đồng thời Nguyên nhân chủ yếu gây Phadinh điều kiện khí hậu địa hình III Truyền sóng tầng đối lưu a Các dạng khúc xạ khí • Khúc xạ âm Chiết suất tăng theo độ cao quỹ đạo tia sóng có bề lõm hướng lên (R0) Khúc xạ dương phân thành trường hợp: Khúc xạ khí thường: Ứng với khúc xạ xảy tầng đối lưu thường Cường độ điện trường điểm thu trường hợp lớn so với trường hợp khúc xạ Khúc xạ tới hạn: điều kiện khúc xạ tới hạn xảy ra: Trường hợp bán kính cong tia sóng bán kính trái đất, bán kính tương đương trái đất có giá trị ∞ Sóng truyền song song với mặt đất cầu • Siêu khúc xạ Điều kiện xảy siêu khúc xạ: Trường hơp bán kính cong tia sóng nhỏ bán kính trái đất, bán kính tương đương trái đất nhỏ Sóng bị uốn cong trở mặt đất bị phản xạ mặt đất b Truyền sóng điều kiện siêu khúc xạ Ở khoảng chiều cao tầng đối lưu chiết suất biến thiên theo quy luật: tia sóng vào tầng đối lưu bị uốn cong với độ cong lớn độ cong đất Hình 4: Hiện tượng siêu khúc xạ tầng đối lưu Lợi dụng tính chất miền siêu khúc xạ để truyền lan sóng cực ngắn xa Tuy nhiên miền siêu khúc xạ xảy bất thường, độ cao chiều dài miền siêu khúc xạ luôn thay đổi nên sử dụng phương pháp truyền lan siêu khúc xạ tầng đối lưu thông tin bị thất thường không liên tục Chính phương pháp không sử dụng cho thông tin viba Những sóng vô tuyến điện truyền tới cự li xa tượng siêu khúc xạ thuộc vào loại sóng tầng đối lưu c Truyền sóng khuếch tán tầng đối lưu Tầng đối lưu môi trường có tham số thay đổi theo thời gian không gian Các tượng mưa bão tuyết… xảy tầng đối lưu Bởi tầng đối lưu môi trường không đồng Nếu vùng tầng đối lưu không đồng với môi trường xung quanh, theo nguyên lí quang tia sóng vào vùng không đồng bị khuếch tán phía IV Suy giảm sóng tầng đối lưu Sóng vô tuyến truyền lan tầng đối lưu tượng phản xạ khúc xạ bị suy hao hấp thụ phân tử, hấp thụ mưa, sương mù…Các hấp thụ phụ thuộc nhiều vào tần số, điều kiện khí tượng vùng phương tai sóng a Hấp thụ phân tử Chủ yếu phân tử Hấp thụ phân tử phụ thuộc vào tần số Hình 5: Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ sóng vào tần số b Hấp thụ mưa Phụ thuộc vào cường độ mưa mm/giờ tần số Hình 6: Sự phụ thuộc hệ số hấp thụ mưa với cường độ 100mm/giờ vào tần số c Hấp thụ sương mù Phụ thuộc vào cường độ sương mù thể tầm nhìn xa (m) tần số Hình 7: Hệ số hấp thụ sương mù phụ thuộc vào tần số B TRUYỀN SÓNG DO KHUẾCH TÁN TRONG TẦNG ĐỐI LƯU Những quan trắc thực nghiệm truyền sóng cực ngắn vào cuối năm 1949 cho thấy kết tính toans trường kết tính toán thực nghiệm khác nhiều kể xét đến tượng khúc xạ khí Nguyên nhân tượng giải thích tán xạ sóng miền không đồng tầng đối lưu Tán xạ thay đổi đường tia sóng điện từ gặp phải môi trường có không đồng chiết suất với khoảng cách mà chiết suất thay đổi gần độ dài bước sóng Sự tán xạ lan truyền sóng môi trường có số điện số từ thay đổi hỗn loạn, phức tạp sử dụng hệ phương trình Maxwell để giải tìm chiết suất hiệu dụng môi trường Hình 8: Sơ đồ giả định Hình sơ đồ tuyến thông tin theo phương thức tán xạ sóng tần đối lưu Anten phát đặt điểm A, giản đồ phương hướng giới hạn hai đường AC AC1 Anten thu đặt B, giản đồ phương hướng giới hạn hai đường BC BD Hệ số suy giảm tính theo công thức: F= d 2.π ∫ S g1 g 2σ ( θ ) dV r12 r2 Trong đó: • Tích phân lấy toàn miền thể tích giao hai giản đồ phương hướng - V • d khuảng cách gữa anten phát anten thu • g1 g2 hệ số định mức hướng tính anten phát anten thu • r1 r2 khoảng cách từ điểm Q lấy miền V đến hai anten σ (θ ) • suất diện tích tán xạ hiệu dụng đơn vị thể tích tầng đối lưu, có tâm điểm Q Nếu anten có hệ số định hướng cao , V nhỏ ta coi r1 ≈ r2 ≈ d g1 ≈ g ≈ Khi đó: F≈ d π σ ( θ ) V C SỐ HÓA CÔNG THỨC ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU VỚI TRUYỀN SÓNG TRONG MATLAB Xét khí tầng đối lưu điều kiện thường, số liệu tham số lấy tài liệu U.S.Standard Atmosphere,1976 I Công thức số hóa áp suất phụ thuộc vào độ cao a Công thức lí thuyết: gọi số Boltzman; : áp suất mặt đất; số chất khí; : trọng lượng phân tử chất khí; : gia tốc trọng tường; : nhiệt độ tiêu chuẩn b Trong thực tế: Khi nhiệt độ thay đổi theo độ cao: : hệ số suy giảm nhiệt độ theo độ cao : chiều cao lớp Khi nhiệt độ không đổi theo độ cao: Tài liệu tham khảo: https://en.wikipedia.org/wiki/Barometric_formula c Tính toán matlab ta có: M = 0.0289644; = 9.80665; R = 8.31432; = -0.0055; hệ số suy giảm nhiệt độ theo độ cao = 288.15; nhiệt độ tiêu chuẩn h = [0:100:11000]; Pb = 1041mbar: áp suất không khí mặt đất • Trong khoảng 0km tới 11km nhiệt độ giảm 0,55/km Công thức số hóa 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 nhiệt độ không thay đổi Công thức số hóa tương ứng: p = p11.*exp(-g*M.*(h1-11000)/(R*216.65)) Kết số hóa công thức: Nhận xét: Kết số hóa đồ thị tương ứng với tài liệu tham khảo https://en.wikipedia.org/wiki/Barometric_formula II Công thức số hóa số chiết suất khí tầng đối lưu a Công thức lý thuyết: •  δ p ph N = k k +  2ε k T 2ε k T η    δ h + ÷ 10 T   • • • • +) δh ε0 pk ph η : Độ phân cực phân tử khí : Độ phân cực phân tủ nước : Hệ số điiện môi không khí : Áp suất riêng phần khí : Áp suất riêng phần nước • : Hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ • k: Hằng số Boltzman • T: Nhiệt độ Kenvin Trong đó: +) δk p = pk + ph ph = ϕ × pmax ϕ : Độ ẩm tương đối không khí pmax pmax = : Áp suất nước bão hòa T × Pb 373 (Ở 100 oC áp suất nước bão hòa áp suất khí tiêu chuẩn) Thay giá trị số thực nghiệm ta có được: N= 78  p + 0.0013 × P0 × ( Tb + L.h )  Tb + L.h  • p : Áp suất khí (đã tính phần trên) b Tính toán số hóa Matlab ta có: Ph = q*T*P0/373; N = 110*(P + 0.481*Ph)/T; Các giá trị biết lấy từ phần tính toán áp suất theo độ cao Chiều cao h từ mặt nước biển đến 11 km Kết : III Biến thiên số chiết suất theo độ cao Biến thiên số chiết suất theo độ cao : ẩm không khí theo độ cao Tính toán số hóa Matlab : gradN = diff(N,h); dN dh phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ Kết quả: IV Đường sóng khí xét tượng khúc xạ Đặt hệ trục tọa độ Oxy: Gốc O trùng với vị trí anten phát Ox 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 h= Rtd − x − Rtd  π x  cos  ÷  Rtd  Rtd = 6400 km bán kính trái đất dN dN dx = dh dx dh Anten phát sóng có hướng coi tiếp tuyến với trái đất vị trí đặt anten phát Phương trình mô tả mặt đất: y1 = Rtd − ( x − 400) − 6387 Phương trình mô tả đường tia sóng: atd = • Rtd Rtd 1− R y2 = atd − ( x − atd + 10643)2 − 8386.5 (km) bán kính cong tương đương trái đất xét tượng khúc xạ khí R= • 103 dN − dh (km) bán kính cong tia sóng Kết quả: Code số hóa Matlab: M = 0.0289644; g = 9.80665; R0 = 8.31432; T0 = 288.15; P0 = 1062; L = -0.0055; q = 0.75; syms x; h = (6400 -x)/cos(x*pi/(6400*2)) - 6400; T = T0 + L*h; P = P0*(T0/T)^(g*M/(R0*L)); Ph = q*T*P0/373; N = 110*(P + 0.481*Ph)/T; gradN = diff(N,x)/diff(h,x); R = 10^3/(-gradN); atd = 6400/(1-6400/R); y1 = sqrt(6400^2-(x-400)^2)-6387; y2 = sqrt(atd^2-(x-atd+10020+623)^2)-8220-166.5; ezplot(y1,[0,800]); grid; hold on; ezplot(y2,[0,800]); hold off; xlabel('km'); Tài liệu tham khảo Sách Trường điện từ truyền sóng – GS.TSKH.Phan Anh Sách Hệ thống thông tin vệ tinh (tập 1) – PGS.TS.Thái Hồng Nhị U.S.Standard Atmosphere,1976 https://en.wikipedia.org/wiki/Barometric_formula [...]...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 tượng trên 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. .. 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 σ (θ ) • 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 r1 ≈ r2 ≈ d 2 và g1 ≈ g 2 ≈ 1 Khi đó: F≈ 2 d π σ ( θ ) V C SỐ HÓA CÔNG THỨC ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐỐI LƯU VỚI TRUYỀN SÓNG TRONG MATLAB... 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: •  δ p 1 ph N = k k +  2ε 0 k T 2ε 0 k T η  6   δ h + ÷ 10 T   • • • • +) δh ε0 pk ph η : 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... 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. .. 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 BC và BD Hệ số suy giảm được tính theo công thức: F= d 2.π ∫ S g1 g 2σ ( θ ) dV r12 r2 2 Trong đó: • Tích phân được lấy trong toàn miền thể tích giao nhau của hai giản... anten phát đến 800 km h= Rtd − x − Rtd  π x  cos  ÷  2 Rtd  Rtd = 6400 km bán kính trái đất dN dN dx = dh dx dh Anten phát sóng có hướng coi như tiếp tuyến với trái đất tại vị trí đặt anten phát Phương trình mô tả mặt đất: y1 = Rtd 2 − ( x − 400) 2 − 6387 Phương trình mô tả đường đi tia sóng: atd = • Rtd Rtd 1− R y2 = atd 2 − ( x − atd + 10643)2 − 8386.5 (km) bán kính cong tương đương của trái... 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 trong tài liệu U.S.Standard Atmosphere,1976 I Công thức số hóa áp suất phụ thuộc vào độ cao a Công thức trong lí thuyết: gọi là hằng số Boltzman; : áp suất ở trên mặt đất; là hằng số chất khí; : trọng lượng phân tử của chất khí; : gia tốc trọng tường; : nhiệt độ tiêu chuẩn b Trong... 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 : ẩm không khí theo độ cao Tính toán số hóa trong Matlab : gradN = diff(N,h); dN dh phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ Kết quả: IV Đường đi của sóng trong khí quyển xét hiện tượng khúc xạ Đặt hệ trục tọa độ Oxy: Gốc O trùng... 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 Kenvin Trong đó: +) δk p = pk + ph ph = ϕ × pmax ϕ : Độ ẩm tương đối của không khí pmax pmax = : Áp suất hơi nước bão hòa T × Pb 373 (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: N= 78  p + 0.0013... tả đường đi tia sóng: atd = • Rtd Rtd 1− R y2 = atd 2 − ( x − atd + 10643)2 − 8386.5 (km) bán kính cong tương đương của trái đất xét hiện tượng khúc xạ khí quyển R= • 103 dN − dh (km) bán kính cong của tia sóng Kết quả: Code số hóa trong Matlab: M = 0.0289644; g = 9.80665; R0 = 8.31432; T0 = 288.15; P0 = 1062; L = -0.0055; q = 0.75; syms x; h = (6400 -x)/cos(x*pi/(6400*2)) - 6400; T = T0 + L*h; P = P0*(T0/T)^(g*M/(R0*L));