Лекция Особенности распространения электромагнитных волн, учитываемые при дальномерных измерениях. Прозрачность атмосферы. Влажность.

    Скачать с Depositfiles 

                                        Лекция 7

6 Особенности распространения электромагнитных волн,                                                        учитываемые при дальномерных измерениях

Это надо объединить с материалом из лекции 5 «Распространение электромагнитных волн»

Внешняя среда, в частности атмосфера, оказывает существенное влияние на закономерность распространения электромагнитных волн, используемых для измерения расстояний в геодезии. В зависимости от состояния атмосферы на пути прохождения электромагнитных волн в отдельных случаях может наблюдаться не только существенное понижение точности линейных измерений, но и полное нарушение работоспособности дальномерных систем.

Рассмотрим основные проблемы, связанные с влиянием атмосферы на дальномерные измерения. При этом особое внимание уделим особенностям прохождения электромагнитных волн вблизи земной поверхности на линиях небольшой протяженности, ограниченных пределами прямой видимости.

6.1 Прозрачность атмосферы

Одним из важных параметров, оказывающих существенное влияние на работоспособность любой дальномерной системы, является прозрачность атмосферы для выбранного участка диапазона электромагнитных волн. Количественно этот параметр оценивается коэффициентом пропускания или обратным ему по смыслу коэффициентом ослабления.

Коэффициент ослабления характеризует относительное уменьшение интенсивности излучения, выраженное в логарифмических единицах и отнесенное к единице длины пройденного пути (обычно к 1 км). Величина коэффициента ослабления определяется как поглощающими, так и рассеивающими свойствами атмосферы и зависит от ее состояния (прежде всего от наличия в ней водяных паров, пыли и других примесей), а также от длины волны используемого излучения.

Для оптического диапазона хорошим критерием оценки степени прозрачности атмосферы может служить дальность видимости, оцениваемая визуально. Приближенная зависимость коэффициента ослабления  от длины волны  несущих колебаний приведена на рис. 6.1. При построении данных кривых поглощение, обусловленное влиянием водяных паров и углекислого газа, не учитывалось.

Из общей тенденции изменения этих кривых нетрудно заметить, что при переходе от коротковолнового участка оптического диапазона к длинноволновому затухание, вносимое атмосферой, уменьшается. Поэтому для повышения дальности действия дальномеров стремятся во многих случаях использовать излучение с длинами волн, лежащими в красной или инфракрасной части оптического диапазона. На рис 6.1 указаны участки длин волн: А – арсенид-галлиевого излучателя; Г – гелий-неонового лазера; В – видимого спектра.

6.2 Влажность

Для оценки влияния влажности воздуха на дальность действия светодальномеров, на рис. 6.2 приведен график, характеризующий общую тенденцию изменений пропускания атмосферы от содержания водяных паров в интервале длин волн от 0.3 до 1.0 мкм на уровне моря. Из графика видно, что для уменьшения влажности воздуха (выраженной в см через толщину слоя осажденного водяного пара на уровне моря) на дальность действия дальномеров целесообразно выбирать излучение с длиной волны около 0.7 мкм. Диапазон длин волн вблизи 0.9 мкм наиболее сильно подвержен этому влиянию. Однако в тех случаях, когда используются излучатели с очень узким частотным спектром, то в диапазоне около 0.9 мкм можно существенно ослабить это влияния при работе в пределах так называемых «окон прозрачности».

Дело в том, что при более детальном изучении спектральных свойств атмосферы зависимость прозрачности ее от длины волны носит более сложный характер, чем на рис. 6.1 и 6.2. Это обусловлено влиянием многочисленных молекулярных резонансов различных газовых компонентов, входящих в состав атмосферы.

При работе в зоне действия таких резонансов, которые наблюдаются на вполне определенных дискретных частотах, поглощение излучаемой электромагнитной энергии резко возрастает. На рис. 6.3 показана зависимость коэффициента пропускания атмосферы для интервала длин волн от 0.89 до 0.98 мкм, полученная с помощью высокоразрешающих анализаторов спектра. На тех участках спектра, где наблюдается резкое возрастание поглощающих свойств атмосферы (линии поглощения) дальность действия дальномеров существенно уменьшается. На участках, заключенных между линиями поглощения, влияние атмосферы на дальность действия дальномеров проявляется значительно меньше. Поэтому для выбора рабочего диапазона несущих частот для светодальномеров предпочтение отдают последним участкам, которые получили название «окон прозрачности».

Однако даже при принятии необходимых мер, направленных на оптимальный выбор рабочих участков оптического диапазона и применение соответствующих этим участкам источников излучения, светодальномеры оказываются мало пригодными для выполнения линейных измерений на местности при наличии густого тумана, дымки, сильной запыленности воздуха и при других неблагоприятных состояних атмосферы на пути прохождения луча света. Поэтому при работе в таких условиях отдают предпочтение радиодальномерам.

Наряду с ограничениями , связанными с влиянием внешней среды на дальность действия дальномеров, атмосфера оказывает существенное влияние и на точность измерений этими приборами.

Проанализируем влияние атмосферы на траекторию распространения электромагнитных волн.

Одно из главных требований, предъявляемых к используемому в дальномерах излучению, гласит, что излучение должно распространяться по известной, интересующей нас траектории. Наиболее полно этому требованию отвечает траектория в виде прямолинейного отрезка, соединяющего конечные пункты измеряемого расстояния. Рассмотрим, насколько полно выполняется это требование в реальных условиях.

Физические закономерности распространения электромагнитных волн в той или иной среде базируются на хорошо известном принципе Ферма. Согласно этому принципу электромагнитные волны распространяются в пространстве по такому пути, на прохождение которого затрачивается на меньшее время. В однородной среде такому условию соответствует прямолинейное распространение электромагнитных волн. К сожалению, приземный слой атмосферы представляет собой неоднородную среду, что обусловливает искривление интересующей нас траектории. При этом наибольшие искривления связаны с изменениями плотности воздуха с высотой.

На основе теоретических и экспериментальных исследований установлено, что для большинства реально наблюдаемых метеорологических условий траекторию распространения электромагнитных волн оптического и УКВ диапазона можно описать

    Скачать с Depositfiles