Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Влияние подстилающей поверхности. Из-за значительной ши­рины диаграммы направленности антенны 0 на обе станции, кроме прямых лучей, попадают также лучи, отраженные от подстилающей поверхности (рис. 85, а). Прямые и отраженные лучи проходят различные пути. В месте приема возникает их интерференция, приводящая к искажению прямого сигнала, вследствие чего результаты измерения становятся зависимыми от характера рельефа и подстилающей поверхности.

Влияние отражений радиоволн от подстилающей поверхно­сти изучается в теории распространения электромагнитных волн.

Следуя ей, можно считать, что при использовании направленных антенн областью, существенной при отражении, является об­ласть подстилающей поверхности, лежащая в пределах первой зоны Френеля. Зоны Френеля — это участки, ограниченные кри­выми, являющимися геометрическим, местом точек, для которых

разность хода прямой и отраженной волн равна т-где т —

Y = (XD)W.

а — общая схема распространения; б — зона Френеля (сечение плоскостью подстилаю­щей поверхности эллипсоидов вращения с фокусами в точках излучения и приема)

В этом случае длина зоны почти равна длине трассы.

Результат интерференции прямых и отраженных лучей зави­сит от их разности хода AD. Пользуясь рис. 85, б, из чисто гео­метрических соображений можно получить соотношение А£>«

« • Это соответствует случаю, когда имеется один прямой

и один отраженный луч. В общем случае в точке приема имеет место многолучевая интерференция, обусловленная приходом многих отраженных от различных точек в пределах первой зоны Френеля волн, интерферирующих с прямой волной и друг с дру­гом, т. е. в месте приема создается сложное интерференционное поле радиоволн. При этом напряженность поля в точке приема зависит от амплитуд и фаз волн, а также от их поляризации.

Вопрос об учете влияния отражений на результаты измере­ний весьма сложен, так как приходится учитывать поляризаци­онные характеристики, проводимость подстилающей поверхности и влияние ее неровностей, которое по-разному сказывается для различных длин волн. По этому вопросу имеется ряд теорети­ческих и экспериментальных исследований, на основании кото­рых можно сделать некоторые общие заключения и практиче­ские рекомендации.

Приведем упрощенную теоретическую формулу для случая п отраженных лучей при малом коэффициенте отражения г= =0,14-0,4 (этот коэффициент характеризует степень ослабления сигнала при отражении):

(4.40)

где б D — ошибка в расстоянии из-за отражений;/ — номер отра­женного луча; ADi — разность хода прямого и /-го отраженного луча; А. МОД и ХНес — длины волн модулирующего и несущего ко­лебаний соответственно.

Коэффициент г имеет минимальное значение 0,1 для неров­ной местности, поросшей кустарником, и достигает максималь­ного значения 0,4 для спокойной или замерзшей поверхности воды.

Формула (4.40) показывает, в частности, что ошибка, обус­ловленная отражением, зависит от несущей частоты, причем за­висимость периодическая (в простейшем случае, когда имеется один отраженный луч, ошибка изменяется по гармоническому закону). Поэтому естественно ожидать, что если выполнить из­мерения на нескольких несущих частотах, охватывающих пол­ный период изменения косинуса (в 4.40) (а еще лучше — не­сколько периодов), при одной и той же модулирующей частоте и взять среднее из результатов измерений, то влияние отраже­ний будет значительно ослаблено. О величине этого влияния в реальных условиях можно в некоторой мере судить по раз­бросу результатов измерений, выполненных на различных не­сущих.

Этот метод практически и используется в радиодальноме­рах— именно для этого предусматривается возможность пере­стройки несущей частоты в пределах до 20%. Измерения вы­полняют не менее чем на 12 несущих частотах.

На практике встречаются также условия, когда имеет ме­сто сильное (г>0,5) единичное отражение. Особенно часто это наблюдается при измерениях на море. В этом случае формула для ошибки из-за отражений записывается в виде

Формула получена при условии, что отражающая поверхность — диэлектрик.

Эффективным средством борьбы с влиянием отражений яв­ляется создание радиодальномеров с возможно меньшей длиной волны несущей, так как при этом уменьшается расходимость пучка радиоволн. Наименьшей из применяемых длин волн яв­ляется 8 мм (Теллурометр MRA-4, Дистаметр 8), при которой расходимость пучка составляет 1—2°. Дальнейшее уменьшение Хнес наталкивается на значительные технические трудности.

Из формулы (4.40) также следует, что ошибка из-за отра­жений уменьшается с уменьшением ЯМод, т. е. с увеличением ча­стоты модуляции. Так, применение модулирующей частоты 150 МГц в Дистомате DI-60 позволило свести ошибку из-за от­ражений к величине порядка 1 см без перестройки несущей.

Таким образом, для ослабления влияния отражений от под­стилающей поверхности следует: 1) уменьшать длину волны не­
сущей и повышать частоту модуляции, 2) выполнять измере­ния на большем количестве несущих, 3) стремиться выбирать такие трассы, на которых подстилающая поверхность имеет воз­можно меньший коэффициент отражения.

Дальность действия радиодальномеров. В отличие от свето­дальномеров, радиодальномер — система с активным ответом, в которой излучение от каждой станции проходит атмосферную трассу только в одном направлении, что наряду с меньшим за­туханием радиоволн дает существенный выигрыш в дальности действия по сравнению со светодальномерами.

Уравнение дальности действия радиодальномеров, имеющих одинаковые антенные системы на ведущей и ведомой станциях, имеет вид

где К — длина волны излучения; а — коэффициент поглощения радиоволн в атмосфере; РПер — мощность излучения передаю­щей антенны; Ртщ — минимально допустимая принимаемая мощность (пороговая чувствительность приемника по мощно­сти), а величина G характеризует направленные свойства ан­тенны и называется коэффициентом направленного действия (КНД). Он определяется выражением

G=-(4.42)

где А — так называемая эффективная площадь антенны. Эф­фективная площадь есть произведение геометрической площади S на коэффициент использования поверхности (КИП) антенны ft, учитывающий неравномерность и несинфазность возбуждения антенной апертуры (т. е. поверхности зеркала в параболических антеннах или площади раскрыва рупора в рупорных антеннах). КИП обычно лежит в пределах от 0,4 до 0,8. Таким образом

Л =Sft. (4.43)

Для антенн с круглой апертурой (диаметром d), в частно­сти параболических, можно в первом приближении использовать

равенство S = n^-^-j2; следовательно Л = я 2ft. Подставив

это в (4.42), получаем связь КНД с шириной диаграммы на­правленности Q=X/d:

G= (^-)2ft. (4.44)

Принимая типичное значение ft=0,6 и подставив (4.44)

в (4.41), получим

Anax =~We~ aD™* д/. (4.45)

Коэффициент а зависит от длины волны и состояния атмо­сферы (см. § 7).

Решение полученного уравнения, как и в случае светодаль­НОМерОВ (§ 16), ПреДСТаВЛЯЮТ ОбЫЧНО В ВИДе ЗаВИСИМОСТИ Ьщах от «(или от а = е~“), выражающей дальность действия при различных атмосферных условиях.

Следует заметить, что — уравнение дальности действия полу­чено без учета влияния отражений от подстилающей поверхно­сти и является приближенным.

Аппаратурные возможности современных радиодальномеров обеспечивают дальность действия до 150 км (Дистомат DI-50, MD-60). Такая величина в обычных условиях превышает рас­стояние прямой видимости [см. формулу (1.23), § 1] даже при установке станций на самых высоких геодезических знаках и может быть реализована лишь в горных районах.

Точность радиодальномерных измерений. Она определяется, как и для светодальномерных измерений, общим для фазовой дальнометрии соотношением (1.69).

Фазовая и частотная ошибки в радиодальномерах имеют примерно те же величины, что и в светодальномерах: tnv = = 0,1 —j— 1°, rtif/f — порядка 1(Н (фиксированные частоты, стаби­лизированные термостатированными кварцевыми резонато­рами). Однако две другие ошибки — тк и tnv/v в радиодаль­номерах, вообще говоря, больше, чем в светодальномерах, и, кроме того, имеет место не учитываемая формулой (1.69) ошибка из-за влияния отражений радиоволн от подстилающей поверхности. Рассмотрим это несколько подробнее.

Постоянная поправка радиодальномера К складывается из двух составляющих: геометрической и электрической. Геометри­ческая составляющая обусловлена несовпадением точек относи­мости станций радиодальномера (т. е. точек, центрируемых над концами измеряемой линии) с их электрическими центрами. Электрический центр определяется конструкцией антенной си­стемы и ее электрическими характеристиками, которые могут изменяться в процессе измерений, например из-за изменения несущей частоты. Иными словами, положение электрического центра не является строго определенным, вследствие чего гео­метрическая составляющая также нестабильна.

Электрическая же составляющая обусловлена задержками сигналов в цепях станций. Как было показано в § 19 (см, стр. 227), введением на одной из станций частот f+ и f~, сим­метричных относительно частоты f другой станции, задержки в трактах, расположенных после смесителя, исключаются. Од­нако задержки в трактах, расположенных до смесителя, т. е. в высокочастотных цепях, этой методикой не исключаются. Если бы высокочастотные задержки были стабильны, их можно было бы учесть, но дело в том, что их величина связана как раз с положением электрического центра, которое изменяется неконтролируемым образом. Таким образом, геометрическая и электрическая составляющие постоянной поправки оказыва­ются связанными: изменение геометрической составляющей обу­словлено нестабильностью высокочастотной компоненты элек­трической составляющей. Все это приводит к некоторой неста­бильности постоянной поправки в делом. С этим приходится мириться, и единственное, что можно сделать — достаточно часто (не реже двух-трех раз в сезон) определять постоянную поправку на эталонном базисе (желательно на базисах разной длины). Определение производится многократным измерением базиса, при выборе которого должно быть сведено к минимуму влияние подстилающей поверхности и программа измерений должна охватывать весь диапазон изменений несущей частоты.

При выполнении указанных мер ошибку тк можно харак­теризовать величиной, которая для радиодальномеров различ­ных типов лежит в пределах от 1 мм до 1 см.

Перейдем к ошибке определения рабочей скорости радио­волн. Для —— имеем

V

Как мы знаем, скорость света в вакууме известна с очень

высокой точностью: -^- = 4-10-#, и поэтому практически — =

с. о

__^л_ для радИОВОЛН атмосфера — недиспергирующая среда,

П

и показатель преломления зависит только от метеоэлементов — температуры, давления и влажности воздуха. При этом зави­симость п от влажности на два порядка сильнее, чем в оптиче­ском диапазоне. Поскольку нас интересует всегда средний вдоль трассы показатель преломления, то основной вклад В ошибку rtlnln вносит неточность знания среднего вдоль всей трассы значения влажности.

Суммарная ошибка mv/v при радиодальномерных измере­ниях может достигать величины порядка (5—7) • 10-в (напом­ним, что для светодальномеров она составляет (2—3) -10-®).

Что касается ошибки за <?4ет влияния подстилающей поверх­ности, то она может быть ориентировочно оценена следующими цифрами (в линейной мере): 3—5 см для десятисантиметровых радиодальномеров и 1—3 см для трехсантиметровых. Для радиодальномеров с длиной волны 8 мм она почти исключается (2—3 мм).

Ниже приведена осредненная результирующая точность из­мерений радиодальномерами, достигнутая при благоприятных условиях, для всех указанных длин волн несущей.

Длина волны несущей. . 10 см 3 см 8 мм

Ошибка измерений расстоя­ния 5 см+3 мм/км 1—3 см+3 мм/км 3 мм+3 мм/км

Отсюда видно, что точность радиодальномеров с длиной волны 8 мм может быть сопоставима с точностью современных светодальномеров. У таких радиодальномеров главным факто­ром, лимитирующим точность измерений, становится ошибка знания среднего вдоль трассы значения влажности воздуха.

Комментарии запрещены.