Радиообнаружение устойчивых метеорных следов в режиме интегрирования Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО»

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 100 1962

РАДИООБНАРУЖЕНИЕ УСТОЙЧИВЫХ МЕТЕОРНЫХ СЛЕДОВ В РЕЖИМЕ ИНТЕГРИРОВАНИЯ

Е. И. ФИАЛКО

(Представлено научным семинаром радиотехнического факультета)

Введение

Низкочувствительная аппаратура обнаруживает метеорные следы лишь устойчивого типа, то есть следы с линейной плотностью электронов а>1012 эл\см.

Обычно радиолокаторы, используемые для метеорных наблюдений, способны регистрировать неустойчивые следы (с а<^1(Р эл/см); однако при резком увеличении уровня помех, при уменьшении мощности передатчика, а также при постановке специальных экспериментов, связанных с вариацией порогового сигнала в широких пределах и т. п., может оказаться, что локатор обнаруживает только устойчивые следы.

Зависимость числа зарегистрированных метеоров от параметров локатора в таком режиме уже рассматривалась ранее [1, 2 и др.], однако при этом не учитывалось наличие фоторегистрации. Вместе с тем большей частью наблюдения метеоров сопровождаются фоторегистрацией. Поэтому возникает необходимость исследования зависимости между числом обнаруженных метеорных следов и параметрами аппаратуры, атмосферы и метеоров с учетом интегрирующих свойств фотопленки.

В связи с тем, что устойчивые следы дают длительные отражения, можно вести анализ в предположении большого числа интегрирований как сигнала, так и шума, что существенно упрощает рассмотрение вопроса, так как позволяет считать, что эффективное значение шума с учетом интегрирования пропорционально корню квадратному из числа усреднений шума (пш), и что сигнал возрастает пропорционально числу усреднений сигнала (пс) [2, 3];

еш инт = £ш ' П)

гс инт — ес' К с, | (2)

где и ес, гш инт и £с инт—мощности сигнала и помех на выходе системы при отсутствии (и наличии) интегрирования.

Метеор будет обнаружен, если

с инт

^ к гш инт-) (3)

где & —коэффициент порядка единицы.

Как следует из (1)—(3), условие обнаружения метеора может быть представлено в виде

«*>•»•*•-&■ Г4>

в случае, если пс<Спш, что имеет место, когда длительность отражения от метеорного следа Тсл оказывается меньшей, чем врехмя интегрирования шума 4/—это время, в течение которого непрерывно движущаяся пленка смещается на расстояние, равное диаметру йп изображения на пленке светового пятна, наблюдаемого на экране индикатора.

Если же tш<^Tcл, то пс~пш, и неравенство (3) примет вид

к

Ч>Чс-• (5)

Щи

Таким образом, если при отсутствии интегрирования мощность порогового сигнала равна

то при наличии интегрирования

п

(7)

(при пс>пш), и

-п ант с/г 2 lic

П

(8)

п инт

при пс == пш).

Случай, когда длительность отражения меньше длительности

усреднения

Количество усреднений сигнала пс и шума пш будет соответственно равно

nc=TcA-F¿ (9)

и

пш = tuf i = Fi> (Ю)

V пл

где F¿ — частота посылки сигналов; VnJL— скорость движения пленки; ТСл ~~ длительность отражения от устойчивого следа, равная [1]

; (11)

сл 16-2 D

X — длина волны, D— коэффициент диффузии; а —линейная плотность электронов. Формула (11) справедлива при нормальном отражении радиоволн от ионизированного следа [1].

Мощность эхо-сигнала, создаваемого устойчивым следом, удаленным от локатора на расстояние /?, как известно, равна [1]

Р

ес -т А а'/., (12)

где Я;—излучаемая мощность в импульсе; G—коэффициент направленного действия антенны; А = 1,62- Ю-10. Подставляя в (4) выраже-

5. Изв. ТПИ. т. 100.

113

ния (12), (9), (10), (11) и (6), получим величину линейной плотности а обнаруживаемого следа

Г *nD2R>d„

PtG*VF, У„л

где

в , 16*2\2 1 024

1,12

0,4

(13)

1,5- 1015 .

Рассматривая случай приема из слоя, расположенного на характеристической высоте [1], имеем

а = --, (14)

9 |хЯ

где [3 —вероятность ионизации; т—масса метеорного тела; X —зенитное расстояние радианта метеора; jjl—хмасса атома метеорного тела; Н—высота однородной атмосферы.

Минимальная масса метеорного тела, создающего регистрируемый след, как видно из (13) и (14), равна

тшп =— В—-- —^-— . (15)

4 (ScosX [Pfi^F^ )

Количество отражений, приходящихся на единичную площадку, лежащую в плоскости эхо [1], фиксируемых за единицу времени, будет равно

00

/V

i p(m)dm ; (16)

здесь р(т)—дифференциальный закон распределения метеорных тел по массам, представляемый обычно в виде

Р = ~ > (17)

ть

где Ь и 5—коэффициенты, не зависящие от т. Подставляя в (16) выражения (17) и (15), получим

5-1 I ¡хЯ V гп&ИЧп I !

где

В1 = — В1 = (2,6 ■ 10 16 см)'-1. >3

Эта зависимость, как указывалось выше, имеет силу при выполнении условия то есть при

. ... П

dn

1,4- 10"и —. (19)

Случай, когда длительность отражения больше длительности

усреднения

Если Тсл, то числа усреднений сигнала и шума одинаковы и, ак следует из (5), (8), (10), (12), (14) и (16),

м = в . ь | 3 со8 / I

(20)

5-11 цЯ V Ч^Упл ' ' '

тде

== ^Л2^ (11,3 - Ю-21^)4"1.

Формула (20) справедлива при выполнении условия

>21/ Л

^ >1,4- Ю1*—. (21)

с1п а

Следует отметить, что при малой скорости движения пленки кратковременные устойчивые отражения будут интегрироваться в режиме tm>Tcл, а длительные—в режиме tш<CщTcл.

Анализ результатов

Как видно из (18) и (20), зависимость числа регистраций метеоров от параметров локатора (а также от параметров метеора и атмосферы) может быть различной при длительном и кратковременном

(4/< Тсл) усреднениях.

В режиме длительного усреднения N слабо зависит от частоты повторения

(22)

но резко зависит от длины волны

(23)

В случае же кратковременного усреднения (¿ш<Тсл) численность гораздо резче (чем в случае tш^>Tcл) зависит от частоты повторения

Л/ — /^-1) (24)

и от длины волны

ДЛ—, а6^5-1). (25)

Заметим, что зависимость Л/Г(Х, е/г, Р1ч О, /?) в режиме tlu<C.Tcл имеет такой же характер как при отсутствии интегрирования, но при высокой оперативности системы [2].

Интересно отметить, что при 5^2, как следует из (23), численность зарегистрированных метеоров приблизительно пропорциональна кубу длины волны (/V—X3); такой же результат практически имеет место и при обнаружении неустойчивых следов (без учета интегрирования) [4].

Обычно считают, что в режиме обнаружения устойчивых следов численность резко зависит от мощности излучения, и поэтому требование к стабильности мощности передатчика становится значительно жестче, чем при регистрации неустойчивых следов [5,6]. Этот вывод сделан на основании анализа зависимости полученной без

учета эффекта усреднения, имеющего место при фотоиндикации. Как видно из (18),

д(26)

что ближе к

О'5**"1), (27)

справедливому при наблюдении неустойчивых следов (при отсутствии осреднения), чем к

(28) 115

имеющему место при обнаружении устойчивых следов (также без усреднения).

Но, как уже отмечалось, при выполнении условия (21) соотношения (22), (23) и (26) теряют силу, и зависимость N от X, Р1 и т. п. становится весьма резкой. Возникает естественный вопрос о том, какой режим ((19) или (21)) имеет место в реальных условиях, какой из этих режимов выгоднее и чем определяется переход из одного режима в другой.

Легко видеть, что одним из факторов, определяющих режим интегрирования, является скорость движения фотопленки.

Зависимость числа зарегистрированных метеоров от скорости протягивания фотопленки Упл

Пока скорость пленки остается малой и, следовательно, Упл< Упл ), как видно из (18)

(29)

Как только скорость движения пленки становится большей, чем

У'пл, дальнейшее увеличение Упл приводит к уменьшению числа регистрации (20):

А'- (30>

Таким образом, наибольшее количество обнаруженных 'метеоров соответствует скорости и зависимость №(Упл), [как^следует

Тел

из (29) и (30), может быть представлена в виде МЮ ( Упл

V \ 1/*

'у шах \ V п.

АКУ) I Упл \~2(3 1}

^т ах V Упл где Упл (см. (19) или (21) равна

при Упл< Упл ; (31)

при Упл>Упл, (32

у:л= 1,4- ю». (33;

а X"

Если принять (1п — 0,1 мм, 0 = 8 м2/сек (что соответствует скорости метеора 1/^45 км\сек [1,7]), а^Ю13 эл/см, то

т/* _ 100

у пл -—' ~~

(здесь X — в м, I/*—в мм/сек). При X—-10 ж У%л^\мм/сек=6 см/мин.

гг Ы[У)

На рис. 1 представлена зависимость —!—- , построенная по фор-

^тах

мулам (31) и (32) для 5 = 2.

Как видно из рис. 1, увеличение Упл в области Упл^Упл приводит к резкому уменьшению числа регистраций. Так, например, при УПл — 2 Упл количество обнаруженных метеоров уменьшается в 4 ра-116

за. В связи с этим, а также с целью экономного расхода пленки целесообразно использовать скорость пленки Упл~0,5 Упл; при этом

потеря в численности составит 20—30% При выборе Упл<Упл зависимость аппаратуры, определяемая формулой (18), будет более слабой, чем при отсутствии усреднения.

Заметим, что в режиме усреднения зависимость числа регистра-ций от скорости пленки при обнаружении устойчивых следов оказывается более резкой, чем при обнаружении неустойчивых следов |8|.

Выводы

Режим усреднения может существенно изменить зависимость числа обнаруженных метеоров от параметров радиолокатора.

Если время усреднения больше длительности отражений, то (при число зарегистрированных устойчивых метеорных следов пропорционально (приближенно) кубу длины волны и корню квадратному из частоты повторения импульсов.

Зависимость числа регистраций от скорости движения фотопленки имеет немонотонный характер.

Целесообразно выбирать скорость протяжки пленки вдвое меньшую, чем Упл, соответствующую максимальной численности регистраций.

от N.

шах-

численности от параметров

пл

Рис. 1. Зависимость числа регистраций N от скорости движения пленки УЛ. . при 5=2. При У<У*

пл

М(Упл)

АЛ

при к> V*

=(

Упл \°'4

. к*

V пл

N (У

N

max

~~ I Упл

) /У* \

пл/ v пл )

ЛИТЕРАТУРА

1. Т. R. Kaiser. Radio-echo studies of meteor ionization, J. Adv. Phys., 2, No. 8, 495, 1953.

2. E. И. Ф и а л к о. Уверенное и случайное радиообнаружение устойчивых метеорных следов, Известия ТПИ, т. 100, 84, 1961.

3. Г. С. 3 у б а р е в. К вопросу о реальной чувствительности импульсного приемника в условиях яркостной отметки и фоторегистрации сигналов, Кандидатская диссертация, 1955.

4. Е. И. Ф и а л к о. О зависимости часового числа обнаруженных метеоров от длины волны радиолокатора, Радиотехника, т. 15, N 12, 10, 1960.

5. Ф. И. Перегудов. Некоторые вопросы радиолокации метеоров; Кандидатская диссертация, Томский политехнический институт, 1959.

6. Е. И. Ф и а л к о. О точности измерения параметров радиолокатора, предназначенного для метеорных наблюдений, Радиотехника, т. 15, N6, 67, 1960.

7. J. S. Greenhow, Е. L. Neufeld. The diffusion of ionized meteor trails in the upper atmosphere, Journ. Atm. Terr. Phys., 6, No. 2—3, 133, 1955.

8. E. И. Ф и а л к о. Радиообнаружение неустойчивых метеорных следов в режиме фоторегистрации, Известия ТПИ, г. 100, 100, 1962.