Способ радиосвязи

 

Использование: в радиосвязи, а именно в системах, применяющих рассеивание радиоволн на неоднородностях отмосферы. Сущность изобретения: способ включает формирование на передающей стороне модулированного радиосигнала, направленного для отражения от тропосферы, прием радиоволн, рассеянных на неоднородностях атмосферы и выделение информации. Для создания области рассеивания в более высоких областях атмосферы используется модулированное лазерное излучение, источник которого находится по середине трассы. Модулированное лазерное излучение приводит к возбуждению звуковых волн, которые обеспечивают возникновение неоднородностей в атмосфере. Использование оптического квантового генератора обеспечивает гарантированное формирование неоднородностей в различных слоях атмосферы, увеличение дальность передачи в два раза, а также повышение на порядок энергетический потенциал трассы. 3 ил.

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано в системах, применяющих рассеивание радиоволн на неоднородностях атмосферы.

Известен способ радиорелейной связи, который включает формирование сигналов, передаваемых по радиорелейным линиям связи, их получение в направлении приемника радиоволн, ретрансляцию и прием, т.е. способ основан на излучении передатчиком радиосигналов в направлении приемника радиоволн.

Известен также способ тропосферной связи, который включает формирование на передающей стороне модулированного радиосигнала, направленного для отражения от тропосферы, и прием на приемной стороне радиоволн, рассеянных на неоднородностях тропосферы.

Для передачи потоков информации по современным радиорелейным линиями связи (РРЛ) требуются полосы частот до нескольких десятков, а иногда и сотни мегагерц и соответственно несущие не менее нескольких гигагерц. Радиосигналы на этих частотах эффективно передаются лишь в пределах прямой видимости, поэтому для связи на большие расстояния в земных условиях приходится использовать ретрансляцию радиосигналов.

Принципы построения тропосферных радиорелейных линий (ТРЛ) и РРЛ прямой видимости во многом аналогичны. На ТРЛ ретрансляция осуществляется за счет отражения и рассеяния радиоволн турбулентными и слоистыми неоднородностями тропосферы.

В силу особенностей, связанных со спецификой передачи радиосигналов, эти способы имеют ограниченную дальность радиосвязи.

Цель изобретения увеличение дальности радиосвязи.

Это достигается тем, что при способе радиосвязи, заключающемся в формировании на передающей стороне модулированного радиосигнала, направленного для отражения от тропосферы, в приеме радиоволн, рассеянных на неоднородностях атмосферы, и выделении информации с помощью модулированного лазерного излучения, источник которого находится посередине трассы, происходит возбуждение звуковых волн, обеспечивающих возникновение неоднородностей в атмосфере, на которых происходит рассеивание радиоволн, причем необходимая мощность лазерного излучения определяется из выражения P(r) где r характерный размер области поглощения; с_s скорость возбуждаемого звука; Р(r) звуковое давление (амплитуда); I_oa² мощность лазерного излучения; m индекс модуляции; κ_b коэффициент объемного расширения; ρ_o плотность воздуха на высоте поглощения; ρ плотность воды; I_о плотность мощности лазерного излучения на высоте, где происходит поглощение;
а² поперечное сечение пучка лазера;
μ_a коэффициент поглощения в аэрозоли;
С_рв удельная теплоемкость воды, а частота модуляции лазерного излучения связана с частотой излучаемого радиосигнала соотношением
2 λ_s sin Θ λ, где λ_s длина волны звука;
Θ угол рассеивания;
λ длина волны радиосигнала.

При предлагаемом способе за счет воздействия модулированного лазерного излучения на неоднородности атмосферы, в качестве которого может быть использован аэрозольный слой, возникают звуковые волны, обеспечивающие рассеивание радиоволн в различных слоях атмосферы. Длина волны звука выбирается из условия рассеивания радиоволн на звуке и определяется частотой излучения радиоволн. На передающей стороне источник радиосигналов направляется в область рассеивания на заданную высоту, что обеспечивает требуемую дальность связи.

На фиг. 1 показан способ организации радиосвязи с использованием оптического квантового генератора; на фиг.2 и 3 чертежи, поясняющие принцип организации связи.

Способ-прототип основан на использовании тропосферного рассеивания на неоднородностях показателя преломления, обусловленных турбулентными движениями в тропосфере. Показатель преломления воздуха зависит от высоты и определяется давлением, плотностью водяных паров и температурой на данной высоте. Вихревые движения воздуха вызывают возникновение неоднородностей концентрации, а следовательно, и показателя преломления. Удельный поперечник рассеяния радиоволн на неоднородностях показателя преломления, имеющих статический характер, описывается следующей формулой
σ C(ρ)dρ, (1) где (( Δ ε^')>²)^1/2 среднеквадратичное значение флуктуаций электрической проницаемости;
С(ρ) функция корреляции для электрической проницаемости.

Мощность, достигающая приемника Р₂, если мощность передатчика равна Р для излучения длины волны λ определяется выражением
P₂ dU (2) где Dg₁ и Dg₂ коэффициенты направленности антенн приемника и передатчика;
U₁ и U₂ расстояния до рассеивающего объема от передатчика и приемника соответственно;
σ- удельная площадь рассеяния в тропосфере, т.е. величина, на которую надо умножить поток энергии первичного излучения, чтобы определить эффективную мощность вторичного излучения в направлении излученного единичным объемом.

Это выражение удобно разбить на два, смысл которых очевиден:
P_своб (3)
F (4)
P₂ P_своб. ^.F², (5) где d дальность;
Р_своб. мощность, получаемая приемником при прямом распространении на расстояние d при условии правильной ориентации антенны;
F множитель ослабления за счет рассеяния в тропосфере.

Полное ослабление в децибеллах равно сумме F и ослабления в свободном пространстве
Ввиду большого количества изменяющихся параметров и сложного статического описания турбулентного движения тропосферы на практике выражением (1) для σ не пользуются, а в инженерных методиках расчета радиолиний тропосферного рассеяния применяются непосредственно эмпирические зависимости F от дальности и частоты.

Однако существенно, что σ сильно зависит от угла рассеяния σ ≈ (sin Θ/2)^-n, n 5÷9.

Поэтому линии тропосферного рассеяния строят таким образом, чтобы угол рассеяния был минимален, т.е. направление антенн выбирают как можно ближе к горизонтальному (см.фиг.2):
H=Rcos-1 (6) R_э эквивалентный радиус земли для малых D;
H (7)
При предложенном способе в качестве рассеивающего объема используется объем, в котором распространяются звуковые волны, возбужденные мощным модулированным лазерным излучением, источник которого расположен примерно посередине радиотрассы (см.фиг.1).

В качестве поглощающей среды выступает водный аэрозоль, который присутствует во всех слоях атмосферы, но отличается своей плотностью. Он эффективно поглощает излучение, длиной волны λ 1,06 μkm. В соответствии с этим в качестве облучающего предлагается ОКГ на гранате, работающий на этой длине волны.

Для эффективного рассеяния радиоволны на звуке должно выполняться условие Бpэга
2 λ _з sin Θ λ /n (8)
λ _{з -} длина волны звука.

λ /n длина волны в среде, в нашем случае n 1.

Если исходить, например, из того, что рассеивающий объем находится на высоте 20 км, а трасса имеет характерную для линии тропосферного рассеяния геометрию (передатчик и приемник находятся в точках максимальной видимости, если смотреть из рассеивающего объема), то длина половины трассы будет 500 км, а угол Θ 4°
Тогда из выражения (8) следует, что длина волны звука должна быть порядка λ_з=λ /0,16.

Для λ 6 см λ_з 36 м, что соответствует частоте звука порядка одного килогерца. При увеличении угла (увеличить длину трассы при сохранности ее геометрии или изменить геометрию трассы так, что П_pд(передатчик) РО (рассеивающий объем) и П_рм (приемник) РО не касательные к горизонту, то надо уменьшить длину волны звука.

Кроме того, считается, что поглощение происходит на высотах порядка 5 км, где может существовать сплошная облачность и коэффициент поглощения в аэрозоле можно положить μ_o 0,02μ ^-1.

Вследствие небольших плотностей мощности лазерного излучения предполагается тепловой механизм возбуждения звука. Термооптическое возбуждение звука в жидкости или газе описывается уравнением
Δρ (9) где ρ- давление;
κ p коэффициент теплового расширения соответствующей жидкости;
С_р удельная теплоемкость при постоянном давлении;
Q выделяемое в единице объема количество тепла.

Чтобы определить как изменится вид уравнения для случая аэрозольной среды, необходимо обратиться к его выводу. Это уравнение является следствием уравнения непрерывности и уравнения Эйлера для данной среды. Пренебрегая вязкостью и теплопроводностью, их можно записать в виде
(10)
тепловой источник, определяющий расширение жидкости (газа) вследствие нагрева излучения. Уравнение тепловой генерации звука можно получить с учетом вязкости и теплопроводности. В нашем случае полагается что расширение аэрозольной среды определяется расстоянием капелек воды.

Для этого должно выполняться заведомо верное условие:
λ_s≫ , где среднее расстояние между капельками аэрозоля. В этом случае выражение для теплового источника можно записать в виде
P ΔT, (11)
коэффициент теплового расширения воды;
V_в/V_о доля воды по объему
ΔТ повышение температуры капель вследствие нагрева;
ΔT
C_вр удельная теплоемкость воды при постоянном давлении;
С_вр теплоемкость единицы объема аэрозольной среды, в предположении, что тепло поглощает только капельки воды.

Таким образом, уравнения непрерывности и Эйлера будут выглядеть следующим образом:
(12)
Отсюда уравнение тепловой генерации звука в аэрозоле будет иметь вид
= (13)
Для оценки звукового давления воспользуемся формулой для термооптической генерации звука (6):
P(r)=
× exp- sin (14)
В соответствии с выражениями (9) и (1) выражение (14) преобразуем к виду
P(r)=
×K^-_s¹μ_a·(cosΘ)^-1exp- sin (15) или
P(r)= μ_a×
×cosΘ^-1exp- sin (16)
Здесь учтено, что K_sM^-1 >> 1 и K_a >>1( Θ0). Видно, что звук распространяется в основном вверх с расхождением 1/K_sa, а характерный размер лазерного пятна. Оценим потери мощности радиоволны, использующей рассеяние оптически возбужденным звуком, необходимыx мощностей лазерного излучения.

Показатель преломления и диэлектрическая проницаемость ε тропосферы мало отличаются от единицы. Поэтому вводится так называемый индекс преломления N. Эти три величины связаны следующими соотношениями:
n== 1 + (17)
N=(n-1)·10⁶ 10⁶ (18)
Зависимость индекса преломления воздуха от давления Р, температуры Т и давления водяных паров определяется следующим эмпирическим соотношением
N P + (19)
При стандартных условиях у поверхности
Р 1013 мб; е 10,25 мб; t 15^оС
(1 мб 10^-3 бар 10² Па)
N изменяется с высотой примерно от 300 у поверхности Земли до 100 на высоте 4 км.

Тропосферное рассеяние в естественных условиях объясняется рассеянием на флуктуациях показателя преломления.

В соответствии с экспериментальными данными величина этих флуктуаций имеет порядок =1N ед и несколько уменьшается с высотой. Флуктуации N в естественных условиях связаны с флуктуациями давления Р, температур Т и влажности е. Однако наибольший вклад в изменение коэффициента преломления воздуха на радиочастотах в соответствии с выражением (19) даeт изменение парциального давления водяных паров (на 1мб), затем изменение температуры (на 1^оС) и меньше всего сказывается давление:
[N ед/мб] (20)
P [N ед/град]
[N ед/мб]
Для упрощения оценок положим, что звуковая волна, возбуждаемая оптическим излучением, есть волна давления Р и влажности е и е пропорционально Р. Тогда , где ΔР амплитуда звуковой волны, а ΔN соответствующая амплитуда индекса преломления, Для того, чтобы ΔN/N было порядка 10^-2-10^-3, как для естественных условий ΔР/Р для звуковой волны должно иметь тот же порядок. Отсюда с учетом того, что давление с высотой падает (высота однородной атмосферы 8 км) можно считать, что для того, чтобы звуковая волна имела порядок естественных флуктуаций ΔР должно быть порядка 10 Па.

Эффективность преобразования падающей радиоволны в дифрагированный на звуковой волне пучок определяется формулой
K sin Δn (21) где I_под плотность мощности падающей волны;
I_диф плотность мощности дифрагированной волны;
ω частота радиоволны;
е длина, на которой происходит дифракция;
Δn амплитуда показателя преломления в звуковой волне, возбужденной оптическим излучением. Чтобы сопоставить эту величину с множителем ослабления F, необходимо учесть расходимость дифрагированного пучка. Для простоты будем считать, что расходимость в плоскости, перпендикулярной плоскости падения (плоскость содержания нормально к фронту волны и нормам к дифракционной решетке) равна γ, где γ расходимость определяемая передающей антенной. В плоскости падения расходимость определяется общим количеством штрихов дифракционной решетки (считаем, что вся энергия излучается между первым максимумом и минимумом интенсивности дифрагированного пучка: Δ ϕ 2 λ/N λ_s, где λ- длина волны дифрагированного света; λ_s длина волны звука поглощения решетки; N число полок, на которых происходит дифракция.

Таким образом, для оценки будем считать, что пространственная расходимость дифрагированного пучка в итогe есть 2λ/Nλ_s. Аналогом полного поперечного сечения рассеяния (проинтегрированного по объему в нашем случае будет
σ=K(ScosΘ)·4π (22) где S площадь сечения дифракционной решетки вертикальной плоскостью,
S^.cosΘ площадь сечения пучка радиоволн, падающего на решетку.

Считая заданными параметры передающей системы
Р мощность; D коэффициент усиления антенны и приемной антенны; D₂ коэффициент усиления, получим выражение для мощности принимаемого сигнала:
плотность потока мощности излучения, падающего на решетку;
K(ScosΘ) мощность переизлученного дифракционной решеткой в единичный телесный угол в направлении приемника мощности на входе приемника;
P₂ K(ScosΘ)D₂ (23)
P₂
Если сравнить выражение (23) с аналогичным выражением для тропосферного рассеяния, то видно, что первый сомножитель есть затухание в свободном пространстве, а второй аналог множителя ослабления F²:
F² (24)
Параметры е, N, S геометрические параметры создаваемой дифракционной решетки, связанные между собой. Они определяются расходимостью лазерного луча (размером пятна а на высоте поглощения) и затуханием звука в атмосфере, углом падения радиоволны на дифракционную решетку, расходимостью рассеиваемой радиоволны γ (или коэффициентом усиления передающей антенны).

Анализ технико-экономической эффективности проводился аналитическим методом по сравнению с прототипом.

Подставляя в формулу для (24) указанных ниже возможных по порядку величины значения параметров, входящих в эту формулу, можно получить оценку для F²:
ΔN 1·N ед; Δn=10^-6 ΔN 10^-6
10³
16 16·cos⁴Θ 10
10²·10^-4
10^-1·10^-5=10^-6 Отсюда
F² (10^-3)²·(10^-6)^-1·10^-6·10 10^-5 50 дб/км
Таким образом, при предлагаемом способе при одинаковых мощностях излучения обеспечивается уменьшение потери мощности на линии связи по сравнению с прототипом примерно на порядок.

Кроме того, создание звуковых волн обеспечивается в любых слоях атмосферы. Необходимая мощность лазерного излучения зависит от плотности аэрозолей слоя и определяется из выражения (16). Таким образом, обеспечивается наличие областей рассеивания на больших высотах, что приводит к увеличению дальности передачи.

Например, при использовании тропосферных линий связей максимальная высота области рассеивания может составить порядка 10-12 км, что в соответствии с выражением (7) обеспечивает дальность радиосвязи около 600 км.

При создании области рассеивания на высоте около 50 км в соответствии с выражением (7) обеспечивается дальность радиосвязи около 1200 км.

Таким образом, применение предложенного способа позволяет примерно в два раза увеличить дальность радиосвязи или повысить примерно на порядок энергетический потенциал трассы.

Формула изобретения

СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ, заключающийся в том, что на передающей стороне формируют модулированный радиосигнал и излучают его в направлении сформированного объекта ретрансляции, а на приемной стороне принимают модулированный радиосигнал и выделяют информацию, отличающийся тем, что формирование объекта ретрансляции осуществляют путем воздействия на область предполагаемого нахождения объекта ретрансляции сфокусированным модулированным лазерным излучением, источник которого находится по середине трассы между передающей и приемной сторонами с получением в области ретрансляции звуковых волн, возбуждающих неоднородности, причем мощность лазерного излучения определяется из выражения

где r радиус области поглощения;
C_з скорость возбужденного звука;
P(r) давление звуковой волны;
m индекс модуляции лазерного излучения;
H_в коэффициент объемного расширения газа (воздуха);
ρ_o плотность газа (воздуха) на высоте поглощения;
ρ плотность воды;
I_о плотность мощности лазерного излучения на высоте поглощения;
a² поперечное сечение пучка лазера на высоте поглощения;
I_оa² мощность лазерного излучения;
m_a коэффициент поглощения лазерного излучения в водной аэрозоли;
C_рв удельная теплоемкость воды,
а частота модуляции лазерного излучения связана с частотой излучаемого радиосигнала соотношением
2λ_ssinΘ=λ,
где λ_s длина волны звука;
Θ угол рассеивания;
l длина волны радиосигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3