Tôi cần bao nhiêu năng lượng để truyền tín hiệu vô tuyến qua lớp vỏ băng dày 100 km?

Hãy tưởng tượng tôi đặt một đầu dò nổi bên trong đại dương của Encelado hoặc Europa: radio của tôi phải có bao nhiêu năng lượng để có thể giao tiếp từ bề mặt bên ngoài với đầu dò? Hay nói cách khác, mức độ suy giảm của 100 km băng rắn gây ra tín hiệu vô tuyến ở tần số UHF là bao nhiêu?

Tôi không thể trả lời trực tiếp nhưng Nasa đang thăm dò các tảng băng của Greenland bằng radar máy bay để tìm độ sâu của lớp vỏ. Đây là những gì họ nói về băng và sóng radio: -

Mặt khác, băng phản ứng khác nhau tùy thuộc vào tần số của radar. Nó phản xạ sóng vô tuyến tần số cao, nhưng mặc dù là rắn, radar tần số thấp hơn có thể xuyên qua băng ở một mức độ nào đó. Đây là lý do tại sao MCoRDS sử dụng tần số tần số tương đối thấp trong khoảng từ 120 đến 240 MHz. Điều này cho phép thiết bị phát hiện bề mặt băng, các lớp bên trong của băng và nền tảng bên dưới. John Paden, nhà khoa học của CReSIS cho biết: "Để âm thanh dưới đáy băng, bạn phải sử dụng tần số thấp hơn". "Tần số và tín hiệu quá cao sẽ bị mất trong băng."

Điều này xuất phát từ đây và thật thú vị khi lưu ý rằng đây là radar và cần có sự phản xạ từ nền tảng để quay trở lại băng qua máy bay nhận. Tôi sẽ tưởng tượng rằng năng lượng phản xạ là một phần của năng lượng sự cố chạm tới tảng đá để có thể bạn có thể nhận được khoảng cách gấp 10 lần khoảng cách này thông qua một tảng băng rắn với truyền dẫn một chiều.

Đây là loại hình ảnh họ đang nhận được: -

Theo tôi, có thể tăng thêm 3km với radar. Tôi không biết góc chùm của radar là gì nên không thể tính được công suất sự cố ở bề mặt băng là gì - truyền từ máy bay có thể là radar xung 1MW với góc chùm rất chặt tạo ra công suất tới bề mặt trên cùng của băng hàng trăm watt. Ngoài ra, sự phản xạ từ nền tảng sẽ không phải là một chùm tia chặt chẽ - điều này có nghĩa là năng lượng phản xạ trở lại sẽ được lan truyền mỏng khi tăng khoảng cách (xem phương trình Friis ). Ngoài ra, năng lượng nhận được trên máy bay sẽ nhỏ hơn nhiều so với năng lượng phát ra từ bề mặt băng - một lần nữa xem các phương trình Friis.

Phụ lục

Tôi đã suy nghĩ về việc mất liên kết cho ứng dụng radar: -

• Liên kết mất từ ​​mặt phẳng xuống đất. Một đĩa có đường kính 2m sẽ có mức tăng = 3,35 hoặc khoảng 10,5 dB. Nếu máy bay cao hơn băng 1km, tổn thất liên kết với một món ăn giống hệt (trên băng) sẽ là -21 (mức tăng ăng ten) +32,5 + 20log (MHz) + 20log (km) = 11,5 + 46 + 20 = 78dB liên kết thua. Nếu công suất đầu ra của radar là 1 MW (90 dBm), tín hiệu nhận được ở bề mặt mặt đất / icecap sẽ là 12 dBm (16 mW).$\frac{\pi^2 D^2}{\lambda^2}\cdot 0.6$
• Đó là cùng một vấn đề cho tín hiệu phản xạ. Ở bề mặt, nó có thể suy giảm tương tự lên đến máy bay (78dB) cao hơn 1km.

Những tổn thất này sẽ không gặp phải bởi một đường truyền băng thông đơn giản - ăng ten truyền và nhận được đặt trong băng hoặc trên bề mặt của nó. Đây là tất cả các tín hiệu tốt để có thể truyền theo một hướng duy nhất thông qua khoảng cách lớn của băng.

Giả sử rằng nó hoạt động tương tự như băng nước trên Trái đất, đã có một số phép đo được thực hiện về sự suy giảm RF của thềm băng Ross ở Nam Cực . Độ dài suy giảm được tìm thấy là 300-500m cho các tần số từ 75 MHz đến 1.25GHz.

(Độ dài suy giảm là khoảng cách để tín hiệu giảm xuống 1 / e ~ = 0,368 ~ = -4,3dB, hơi giống với hằng số thời gian)

Đó sẽ là một mức suy giảm khá đáng sợ đối với độ dày 100km (tương đương -950dB). Điều đó sẽ không xảy ra.

Tất nhiên, công suất sẽ phụ thuộc vào băng thông của các tín hiệu cần truyền đi.

Để đặt nó trong phối cảnh, bản ghi cho giao tiếp nảy mặt trăng là một cái gì đó như công suất truyền 3W (suy giảm ~ -300dB). Nếu chúng tôi có 1GW, đó sẽ là 115dB khác, nhưng vẫn thiếu những gì cần thiết.

Hiện tại tôi đang hoạt động như một kỹ sư radar cho Khảo sát Nam Cực của Anh nên tôi nghĩ tôi có thể giúp đỡ.

Tần số rất quan trọng Băng là (trừ một số khoảng trống cụ thể) không chặn ở tần số MF nhưng ở băng HF và nước HF và nước rất giống nhau, gần đủ không thể xuyên thủng.

Nếu bạn giữ cho tần số của bạn đủ thấp (dưới 2,4Mhz) so với tôi nghĩ rằng (giả sử băng nơi bạn đang nói đến là nước) sẽ có một vài vấn đề với băng ... bạn vẫn truyền tín hiệu vào không gian và tín hiệu MF khá kém cho điều đó chủ yếu là do sự can thiệp của tầng điện ly trên trái đất. Tôi biết rằng từ trường Trái đất rất mạnh nên có thể trên một số cơ thể bạn có thể thoát khỏi nó.

Dù bằng cách nào, tôi nghĩ rằng vấn đề chính của bạn có thể là tìm một tần số duy nhất mà bạn có thể đi qua băng và bất kỳ sự xáo trộn nào trong khí quyển. đó chắc chắn sẽ là vấn đề trên trái đất