Influence of atmospheric turbulence on the spectral composition of the radio signal

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. It is shown that it is necessary to study the effect of atmospheric turbulence on the spectral characteristics of a radio signal. Aim. The influence of atmospheric turbulence on the spectral fluctuations of the radio signal intensity and on the displacement of the spectral components of the radio signal has been studied. Methods. The research was carried out on the basis of an analysis of the relationship between two-wave and single-wave correlation ratios. Based on the solution of the differential equation for fluctuations of the eikonal amplitude of an electromagnetic wave and the use of the derived trigonometric ratio, a connection between the two-wave Fourier=spectrum and single-wave spectra is obtained. In this case, a single source of turbulence effects on the radio signal was used at the coordinate point of the radio wave propagation by introducing a new variable equal to the average value of the coordinates of the turbulence effect. To find the resulting double integral, one of the coordinates of the turbulent action is transformed into an angular variable. Results. The dependence of the relative dimensionless mean of square of the integral intensity of the radio signal fluctuations on the wave number of turbulent pulsations of the atmosphere at various displacements of the spectral wavelengths of the radio signal is found. Conclusion. It is shown that turbulence slightly distorts the spectral information essence of a propagating radio signal in various wavelength ranges.

Full Text

Различие атмосферной рефракции для различных длин волн в спектре радиосигнала определяет влияние турбулентности на спектр радиосигнала. Основной вклад в флуктуации амплитуд радиоволн под действием турбулентных пульсаций, составляющих спектр радиосигнала, вносят верхняя тропосфера и нижняя стратосфера.

Влияние турбулентности приводит, во-первых, к изменению спектральной флуктуации интенсивности радиосигнала, а во-вторых, к изменению спектра радиосигнала за счет сдвига длин волн в спектре. Эти два процесса связаны между собой.

Рассмотрим средний квадрат флуктуаций интегральной (по спектру) интенсивности радиосигнала за счет турбулентности атмосферы:

J'2=λ1λ2I'λdλ2=2hh12hh1 I'λI'λ'dλdλ',   (1)

где I'λ – флуктуации спектральной плотности интенсивности, принимаемой антенной, радиоволны; λ1 и λ2 – границы спектра радиоволны, угловые скобки означают процесс осреднения. Будем считать, что в результате воздействия турбулентности на радиосигнал произошел сдвиг отдельной длины волны в спектре с величины λ до λ'.

Спектральную зависимость плотности интенсивности радиоволны в случае малых флуктуаций, рис. 1, примем в виде:

Iλ=I0λe2χ'λI0λ1+2χ'λ,   (2)

где I0λ – предполагаемая спектральная плотность интенсивности радиоволны на границе тропосферы и стратосферы; χ'λλ – спектральные флуктуации амплитуды эйконала радиосигнала за счет турбулентности [1], Коэффициент 2 использован, т. к. интенсивность радиосигнала (или модуль вектора Пойнтинга) пропорциональна квадрату напряженностей электрического и магнитного полей в электромагнитной волне.

I'λ=IλI0λ2I0λχ'λ.   (3)

Таким образом, формулу (1) для среднего квадрата флуктуаций интенсивности интегрального радиосигнала можно записать в виде:

J'2=4λ1λ2λ1λ2I0λI0λ'χ'λχ'λ'dλdλ'=  (4)

=4λ1λ2λ1λ2I0λI0λ'Bχχλ,λ'dλdλ',

где  Bχχλ,λ'=χ'λλχ'λ'λ'– двухволновое корреляционное соотношение амплитудных пульсаций эйконалов в спектре

радиосигнала за счет турбулентности атмосферы [2].

 

Рис. 1. К анализу пространственной двухточечной корреляционной функции флуктуаций эйконала радиосигнала в турбулентной атмосфере

Fig. 1. On the analysis of the spatial two-point correlation function of the eikonal fluctuations of a radio signal in a turbulent atmosphere

 

Если имеется пространственное поле пульсаций эйконала радиосигнала за счет турбулентности χ'X, рис. 1, то Фурье-интеграл пространственной двухточечной корреляционной функции Bχχ=χ'X1χ'X2 имеет вид [1]:

Bχχ=eik'ρFχχk',X1,X2dk',   (5)

где k' – волновой вектор флуктуаций эйконала электромагнитной волны за счет турбулентности, ρ=(ρ1+ρ2)/2, ρ1 и ρ2 – радиусы векторы с началом в точках X1 и X2 на оси Х в плоскостях Y,Z, модули которых вычисляются по формулам ρ=Y2+Z2, рис. 1, Fχχk',X1,X2 – двухточечный Фурье-спектр флуктуаций эйконала радиосигнала.

Решение дифференциального уравнения для флуктуаций эйконала амплитуды электромагнитной волны [1] имеет вид:

Fχχk',X1,X2=μ4Bζ2k20X10X2sink'2X1υ2k×   (6)

×sink'2X2ξ2kFnnk',υ,ξdυdξ,

где ζ – волновое число турбулентных пульсаций; k – волновое число радиосигнала; υ и ξ – координаты на оси Х источников воздействия турбулентности на электромагнитную волну, рис. 1, Fnnk',υ,ξ – двухточечный Фурье-спектр флуктуаций показателя преломления за счет турбулентности, μ и B=4 – постоянные величины. В формуле (6), для сохранения размерностей физических величин, уменьшена степенная зависимость спектральной функции Fχχk',X1,X2 от волнового числа турбулентных пульсаций до ζ2. Как будет показано в дальнейшем, это не влияет на конечный результат анализа.

На фронте волны при X1=X2=L, рис. 1, формула (6) для Фурье-спектра приобретает вид:

Fχχk'=μζ2k20L0Lsink'2Lυ2k×   (7)

×sink'2Lξ2kFnnk',υ,ξdυdξ.

где обозначено Fχχk',L,L=Fχχk'. Фактически рассматривается единая точка наблюдения на оси Х воздействия турбулентных пульсаций на электромагнитную волну.

Несложная модификация решения дифференциального уравнения для флуктуаций эйконала амплитуды электромагнитной волны [1] для двухволновой корреляционной функции Bχχλ,λ'=χ'λλχ'λ'λ' показывает, что Фурье спектр Fχχk',λ,λ' должен быть записан в форме:

Fχχk',λ,λ'=μζ2k1k20L0Lsink'2Lυ2k1×   (8)

×sink'2Lξ2k2Fnnk',υ,ξdυdξ,

где k1=2π/λ и k2=2π/λ' – волновые числа длин волн радиосигнала (исходной и сдвинутой за счет влияния турбулентности) на координатах воздействия турбулентности на радиосигнал υ и ξ.

При X1=X2=L можно рассматривать единый источник воздействия турбулентности на радиосигнал в точке координаты Х распространения радиоволны, т. е. ввести новую переменную r=(υ+ξ)/2.

Следовательно, формулу (8) можно записать в виде:

Fχχk',λ,λ'=μζ2k1k20L0Lsink'2Lr2k1×   (9)

×sink'2Lr2k2Fnnk',rdυdξ.

Кроме того, необходимо осуществить замену дифференциального элемента в двойном интеграле dυdξ по формуле [3]. Представим ξ=Lφ/2π, где ξменяется в пределах (0,L) при изменении φ – угловой переменной в пределах (0,2π). Следовательно, υ=2rLφ/2π. С помощью якобиана J дифференциальный элемент dυdξ преобразуется:

dυdξ=Jdrdφ=υrυφξrξφdrdφ=   (10)

=2L2π0L2πdrdφ=2L2πdrdφ.

Таким образом, формула (9) сводится к одиночному интегралу по независимой переменной r:

Fχχk',λ,λ'=2μζ2k1k2L2π0L02πsink'2Lr2k1×   (11)

×sink'2Lr2k2Fnnk',rdrdφ=

=2μζ2k1k2L0Lsink'2Lr2k1×

×sink'2Lr2k2Fnnk',rdr.

Для вычисления интеграла (11) докажем тригонометрическое тождество в подынтегральном выражении:

sink'2Lr2k1sink'2Lr2k2=   (12)

=sin2k'2Lr2k~1sin2k'2Lr2k~2,

где k~i=2π/λ~i, а величины λ~1=(λ+λ')/2, а λ~2=(λλ')/2 – полусмещение длины волны за счет влияния турбулентности.

Для доказательства (12), преобразуем по известным тригонометрическим тождествам правую часть формулы (12):

sin2k'2Lr2k~1sin2k'2Lr2k~2=   (13)

=sink'2Lrk~2+k~12k~1k~2×

×sink'2Lrk~2k~12k~1k~2.

Учитывая

k~2+k~12k~1k~2=12k1 и k~2k~12k~1k~2=12k2,

Подставив тождество (12) в подынтегральное выражение (11), получим:

Fχχk',λ,λ'=2μζ2k1k2L0Lsink'2Lr2k1×   (14)

×sink'2Lr2k2Fnnk',rdr=

=2μζ2k1k2L0Lsin2k'2Lr2k~1Fnnk',rdr

0Lsin2k'2Lr2k~2Fnnk',rdr.

Проводя аналогичные преобразования для Фурье-спектра одноволновой корреляционной функции (7) с использованием переменной r=(υ+ξ)/2 и формулы для произведения подынтегральных дифференциалов, аналогично (10), получаем интеграл от одной независимой переменной r:

Fχχk'λ=μζ2k20L0Lsink'2Lυ2k×   (15)

×sink'2Lξ2kFnnk',υ,ξdυdξ=

=2μζ2k2L0Lsin2k'2Lr2kFnnk',rdr.

где волновое число k=2π/λ.

Таким образом, формула (14) связи между двухволновым Фурье-спектром и одноволновыми спектрами принимает вид:

Fχχk',λ,λ'=k1k2k~12Fχχk'λ~1k1k2k~22Fχχk'λ~2=   (16)

=λ~12λλ'Fχχk'λ~1λ~22λλ'Fχχk'λ~2.

В (16) степенная зависимость ζ2 сокращается в правой и левой частях равенства, поэтому этот сомножитель, как отмечалось ранее, не участвует в дальнейшем анализе.

Имея соотношения между спектрами (16) можно получить связь между соответствующими корреляционными функциями (5):

Bχχk',λ,λ'=χ'λk',λχ'λ'k',λ'=   (17)

=eik'ρFχχk',Х1,λ,Х2,λ'dk'=

=eik'ρλ~12λλ'Fχχk'λ~1λ~22λλ'Fχχk'λ~2dk'=

=λ~12λλ'Bχχk',λ~1λ~22λλ'Bχχk',λ~2.

Координаты X1=X2=L, как аргументы спектров, в процессе вывода опускаем.

Используя связь между корреляционной функцией флуктуаций амплитуды эйконала радиосигнала за счет турбулентности и корреляционной функцией флуктуаций показателя преломления атмосферы за счет турбулентности Bnn=μBχχ [1], где μ – постоянный масштабный коэффициент пропорциональности, находим:

Bnnk',λ,λ'=λ~12λλ'Bnnk',λ~1λ~22λλ'Bnnk',λ~2.   (18)

В [2; 4; 5] была найдена зависимость для одноволновой корреляционной функции от волнового числа турбулентности ζ и радиуса ρ с началом координат на оси Х:

Bnnρ=β34ζ43640ζ103ρ,   (19)

где β – постоянный коэффициент.

Нас интересует функциональная зависимость спектра радиосигнала на оси Х от атмосферной турбулентности, поэтому положим ρ=0. Вследствие этого, полагая Bnnρ=Bnnk',λ~1Bnnk',λ~2, формулу (18) преобразуем к виду:

Bnnλ,λ'=34βλ~12λ~22λλ'ζ43.   (20)

Вводя обозначение

ε=λ~2λ~1=λλ'λ+λ'

– относительное спектральное смещение длины волны радиосигнала за счет турбулентности, а, также, полагая в процессе преобразований приближенно λλ', так что λ~12=λ+λ'22λ2λλ',

находим:

Bnnλ,λ'=34β1ε2ζ43.   (21)

Предположим в формуле (4) величины I0λ и I0λ' на границе тропосферы и стратосферы приблизительно постоянные. Тогда формулу (4), используя Bnn=μBχχ, можно переписать в виде:

J'2I0λI0λ'=4λ1λ2λ1λ2Bχχλ,λ'dλdλ'=   (22)

=4μλ1λ2λ1λ2Bnnλ,λ'dλdλ',

Используя формулу (21), а также учитывая λ~1=(λ+λ')/2, запишем (22) в виде:

J'2I02λ~1=3μβζ43λ1λ2λ1λ21ε2dλdλ'=   (23)

=3μβζ43λ2λ123μβζ43λ1λ2λ1λ2ε2dλdλ'.

Найдем второе слагаемое в (23). Для чего используем переменные λ~1=(λ+λ')/2 и λ~2=(λλ')/2. Используя якобиан, преобразуем произведение дифференциалов под знаком двойного интеграла (23):

dλdλ'=Jdλ~1dλ~2=λλ~1λλ~2λ'λ~1λ'λ~2dλ~1dλ~2=   (24)

=2222dλ~1dλ~2=8dλ~1dλ~2.

Следовательно, учитывая ε=λ~2/λ~1, найдем:

λ1λ2λ1λ2ε2dλdλ'=8λ1λ2λ1λ2λ~22λ~12dλ~1dλ~2=83λ~23λ~1λ1λ2=   (25)

=83ε3λ~12λ1λ283ε3λ2λ12.

Таким образом, формула (23) преобразуется к виду:

Kζ,ε=J'2λ2λ12I02λ~1=3μβζ431+83ε3,   (26)

где Kζ,ε – относительный безразмерный параметр, учитывающий влияние атмосферной турбулентности на средний квадрат флуктуаций интегральной (по спектру) интенсивности радиосигнала. Влияние турбулентности на спектр радиосигнала характеризуется относительным спектральным смещением длины волны радиосигнала ε=(λλ')/(λ+λ').

На рис. 2 показан график зависимости по формуле (25), построенный, как и в [2] при условии β=μ. Размерность отношения β/μ=м4/3.

 

Рис. 2. Зависимость относительного безразмерного среднего квадрата флуктуаций интегральной интенсивности радиосигнала от волнового числа турбулентных пульсаций атмосферы ζ при различных смещениях спектральных длин волн радиосигнала ε

Fig. 2. Dependence of the relative dimensionless mean square of fluctuations of the integral intensity of a radio signal on the wave number of turbulent pulsations of the atmosphere ζ for different shifts of the spectral wavelengths of the radio signal ε

 

Как следует из рис. 2, параметр среднего квадрата флуктуаций интегральной интенсивности радиосигнала Kζ,ε растет с увеличением волнового числа турбулентных пульсаций ζ. При этом, чем больше относительное смещение длины волны радиосигнала  тем круче рост Kζ,ε. При малых ε<0,2 величина флуктуаций интегральной интенсивности радиосигнала Kζ,ε практически не зависит от смещения спектральных длин волн радиосигнала  за счет турбулентности.

С практической точки зрения это указывает на то, что турбулентность мало искажает спектральную информационную сущность распространяющегося радиосигнала в различных диапазонах длин волн.

Заключение

В работе проведено исследование влияния турбулентности атмосферы на интегральную и спектральную интенсивность радиосигнала.

Найдена связь между двухволновой корреляционной функцией амплитудных пульсаций эйконалов в спектре радиосигнала за счет турбулентности атмосферы и пространственной двухточечной корреляционной функцией.

На основе решения дифференциального уравнения для флуктуаций эйконала амплитуды электромагнитной волны, найдена связь между двухволновым Фурье-спектром и одноволновыми спектрами. При этом использован единый источник воздействия турбулентности на радиосигнал в точке координаты Х распространения радиоволны путем введения новой переменной, равной среднему значению координат воздействия турбулентности. Для нахождения двойного интеграла, одна из координат воздействия преобразована в угловую переменную.

Используя ранее найденную зависимость одноволновой корреляционной функции от волнового числа турбулентности ζ, получена формула связи относительного безразмерного параметра, учитывающего влияние атмосферной турбулентности на средний квадрат флуктуаций интегральной (по спектру) интенсивности радиосигнала. Показано, что влияние турбулентности на спектр радиосигнала характеризуется кубом относительного смещения спектральной длины волны в радиосигнале ε3.

Установлено, что турбулентность мало искажает спектральную информационную сущность распространяющегося радиосигнала в различных диапазонах длин волн.

×

About the authors

Dmitriy S. Klyuev

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Author for correspondence.
Email: klyuevd@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9125-7076

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, head of the Department of Radioelectronic Systems

Russian Federation, 23, L. Tolstoy Street, Samara, 443010

Andrey N. Volobuev

Samara State Medical University

Email: volobuev47@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8624-6981

Doctor of Technical Sciences, professor of the Department of Medical Physics, Mathematics and Informatics

Russian Federation, 89, Chapayevskaya Street, Samara, 443099

Kaira A. Adyshirin-Zade

Samara State Medical University

Email: adysirinzade67@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3641-3678

Candidate of Pedagogical Sciences, associate professor of the Department of Medical Physics, Mathematics and Informatics

Russian Federation, 89, Chapayevskaya Street, Samara, 443099

Tatyana A. Antipova

Samara State Medical University

Email: antipovata81@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5499-2170

Candidate of Physics and Mathematics Sciences, associate professor of the Department of Medical Physics

Russian Federation, 89, Chapayevskaya Street, Samara, 443099

Natalia N. Aleksandrova

Samara State Medical University

Email: grecova71@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5958-3851

senior lecturer of the Department of Medical Physics Mathematics and Informatics

Russian Federation, 89, Chapayevskaya Street, Samara, 443099

References

  1. D. S. Klyuev et al., “Occurrence of fluctuations in the amplitude and phase of the radio signal in a turbulent atmosphere,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 26, no. 1, pp. 28–37, 2023, doi: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2023.26.1.28-37. (In Russ.)
  2. D. S. Klyuev et al., “Flickering of a radio-signal due to an atmospheric turbulence,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 26, no. 3, pp. 11–19, 2023, doi: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2023.26.3.11-19. (In Russ.)
  3. G. M. Fikhtengol'ts, Course of Differential and Integral Calculus, vol. 3. Moscow: Nauka, 1966. (In Russ.)
  4. I. O. Khintse, Turbulence. Its Mechanism and Theory. Moscow: Izd-vo fizmat. literatury, 1963. (In Russ.)
  5. A. S. Monin and A. M. Yaglom, Statistical Hydromechanics, vol. 2. Moscow: Nauka, 1967. (In Russ.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. On the analysis of the spatial two-point correlation function of the eikonal fluctuations of a radio signal in a turbulent atmosphere

Download (102KB)
3. Fig. 2. Dependence of the relative dimensionless mean square of fluctuations of the integral intensity of a radio signal on the wave number of turbulent pulsations of the atmosphere for different shifts of the spectral wavelengths of the radio signal

Download (81KB)

Copyright (c) 2024 Klyuev D.S., Volobuev A.N., Adyshirin-Zade K.A., Antipova T.A., Aleksandrova N.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ФС 77 - 68199 от 27.12.2016.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies