ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА ДАЛЬНОМЕРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Общие сведения. Расстояние D, которое требуется получить с помощью измерений дальномерной аппаратурой, по смыслу задачи есть истинное (геометрическое) расстояние. Непосредственно такое расстояние мы получили бы, если бы дальномер — ная система работала в вакууме. При этом фигурирующая в формулах скорость электромагнитных волн о была бы постоянной и известной величиной, равной фундаментальной физической константе — скорости света в вакууме с (299792,458 км/с).
Наличие атмосферы на пути распространения волн приводит к следующему.
1. Атмосфера уменьшает скорость распространения электромагнитных волн по сравнению с вакуумом, соответственно увеличивая время распространения вдоль трассы (а следовательно, и фазовый сдвиг сигнала).
2.Атмосфера искривляет траекторию электромагнитной волны (явление рефракции), приводя к удлинению расстояния.
Таким образом, из-за наличия атмосферы возникают две проблемы по учету ее влияния: 1) определение реальной скорости электромагнитных волн v в каждом конкретном случае (так называемой рабочей скорости) и 2) учет удлинения траектории, обусловленного рефракцией. В то время как влиянием рефракции при дальнометрии часто можно пренебречь из-за малости, а в необходимых случаях — учесть с достаточной точностью, определение рабочей скорости значительно сложнее.
Кроме того, распространение электромагнитных волн в атмосфере сопровождается еще двумя явлениями: 1) затуханием (ослаблением интенсивности), обусловленным поглощением и рассеянием энергии волны в атмосфере; 2) случайными изменениями параметров волны, обусловленными турбулентностью атмосферного воздуха.
Затухание сигнала резко увеличивается с уменьшением длины волны излучения и поэтому особенно сильно проявляется в оптическом диапазоне; для радиоволн длиннее 10 см затухание становится ничтожно малым. Наличие атмосферного затухания приводит к снижению дальности действия даль- номерных устройств. Для учета затухания при расчете дальности действия могут быть использованы соответствующие теоретические формулы (см. § 7 и 16).
К случайным изменениям параметров электромагнитной волны относятся флуктуации амплитуды (интенсивности), фазы, частоты, поляризации, направления распространения волны и поперечного сечения пучка. Влияние флуктуаций выражается в увеличении спектральной плотности мощности шумов на входе приемника, вследствие чего ухудшается отношение сигнал/шум. Действие флуктуаций особенно сильно проявляется в оптическом диапазоне при измерениях на несущей частоте (интерферометрия); в этом случае турбулентность может привести к нарушению работы интерферометра вплоть до полной невозможности измерений. Лучший способ борьбы с влиянием турбулентности — выбор наиболее благоприятного для измерений времени суток, когда турбулентность минимальна; такие периоды хорошо известны геодезистам (периоды «спокойных изображений»)—они наступают два раза в сутки: примерно через час после восхода и за час до захода Солнца («утренняя и вечерняя видимости»). В системах с измерениями на модулированном излучении влияние фазовых флуктуаций — наиболее опасных для систем интерференционного типа — почти не сказывается на работе прибора, так как сильно флуктуирует фаза несущей, а не модулирующей частоты, на которой производятся измерения.
Таким образом, атмосфера существенным образом влияет на электронные методы измерения расстояний. Особенно сильное влияние оказывает тропосфера — нижний слой атмосферы толщиной около 11—12 км, где наиболее интенсивны циркуляция воздушных масс и изменение погоды. Состояние и свойства тропосферы — смеси газов, водяного пара и аэрозоля (взвешенных твердых и жидких частиц, плотность и состав которых меняются во времени и в пространстве) — определяются главным образом тремя факторами: давлением воздуха, его температурой и влажностью. Все они уменьшаются с ростом высоты. Вследствие понижения давления уменьшается плотность воздуха.
Поле атмосферного давления можно считать стабильным во времени и изменяющимся по барометрическому закону. Можно также считать, что изобарические поверхности, т. е. поверхности равного давления воздуха, расположены практически горизонтально. По этим причинам, а также ввиду сравнительно медленных и небольших изменений давления воздуха его значение при измерениях расстояний электронными методами известно с достаточной точностью.
Температурное поле тропосферы складывается из двух областей, имеющих различный характер. .
В приземной области, простирающейся примерно до высоты 500 м над поверхностью Земли, температурное поле определяется влиянием на приземные слои воздуха процессов теплоотдачи за счет излучения и теплопроводности, связанных с прогревом поверхности днем (благодаря падающей солнечной радиации) и ее охлаждением ночью (из-за уходящей радиации). Поскольку влияние падающей радиации зависит от погоды, времени суток и года, а также от рельефа местности и поверхностного покрова, температурное поле вблизи поверхности
неоднородно, несмотря на ветровое перемешивание, и непрестанно изменяется.
Расположенные выше слои воздуха в значительном диапазоне высот сохраняют линейную структуру. Из-за низкой теплопроводности воздуха при устойчивой погоде и большого удаления от поверхности Земли температурные изменения в этой области сравнительно невелики.
Влажность воздуха, обусловленная испарением воды над морем и сушей, характеризуется содержанием водяного пара в атмосфере и убывает с ростом температуры и усилением перемещения воздушных масс, а также с увеличением высоты. Поле значений давления водяного пара связано сложной зависимостью с температурным полем. Его однородность нарушается по тем же причинам, что и однородность температурного поля.