Исследование излучателей и сигналов ионозонда и георадара для диагностики геофизических сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

щ

На правах рукописи

Гарбацевич Владимир Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ И СИГНАЛОВ ИОНОЗОНДА И ГЕОРАДАРА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ СРЕД

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Троицк - 2008

003456068

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Козлов Александр Николаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Данилкин Николай Петрович кандидат физико-математических наук Крашенинников Игорь Васильевич

Ведущая организация:

Научно - исследовательский институт физики, Южного Федерального университета (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится 23 декабря 2008 г. в 14 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д002.237.01 в ИЗМИР АН по адресу: 142190, Московская обл., г. Троицк (проезд автобусом № 398,531,512,515 от станции метро «Теплый стан» до остановки «ИЗМИРАН»),

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИР АН. Автореферат разослан « 21 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д002.237.01,

им. Н.В. Пушкова РАН

доктор физико-математических наук

Михайлов Ю.М.

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена вопросам исследования ионосферы импульсными радиосигналами и подземных радиофизических неоднородностей на базе созданных при активном участии автора измерительных геофизических комплексов. Объектом исследований выбраны широкополосные излучатели и сигналы, применяемые для вертикального зондирования ионосферы и измерения поглощения радиоволн в ионосфере и широкополосные излучатели георадаров. В диссертации анализируются характеристики антенн ионозон-дов в ближней зоне и вблизи земли. С этих позиций также рассмотрена работа антенн георадара с применением видеоимпульсов для зондирования подповерхностных аномалий проводимости и диэлектрической проницаемости. В диссертации эти темы объединены в связи с тем, что излучатели для ионо-зонда и георадара должны быть: во-первых - широкополосными с коэффициентом перекрытия по частоте не менее 10, а во-вторых - обе системы работают на границе раздела контрастных радиофизических сред. Представлены и проанализированы экспериментальные данные исследования ионосферы, полученные с использованием разработанных автором излучателей и аппаратуры в экспедициях на научно-исследовательских судах.

Актуальность работы

Целью зондирования ионосферы радиоволнами с помощью ионозондов всех типов является оперативное получение параметров состояния ионосферной плазмы. Достоверные, неискаженные радиотехническими средствами, данные о характеристиках ионизированных слоев важны как для исследований состояния самой ионосферы, так и для практики коротковолновой связи. Расширить информативность ионозонда для получения информации о £) и Е областях ионосферы позволяют измерения поглощения радиоволн, проводимые на ряде фиксированных частот нижнего участка диапазона зондирования. Зачастую успех таких исследований определяет правильный вы-

бор приемных и передающих антенных систем, а также выбор вида зондирующих сигналов. Поэтому создание широкополосного излучателя (0,520 МГц) с диаграммой направленности в зенит с наименьшим количеством боковых лепестков и равномерным значением коэффициента усиления по диапазону частот считается одной из самых сложных задач в построении измерительных комплексов радиозондирования ионосферы. Правильный выбор (разработка и изготовление антенн) излучателя важен ещё и потому, что современные излучатели в ионозондах представляют собой сложные и дорогостоящие устройства. Ошибки в выборе излучателя зачастую не поддаются исправлению (из-за ограничений на выбор площади для установки антенн, на наличие ранее установленных мачт и т. п.), они вносят существенные погрешности при анализе полученной в экспериментах геофизической информации из-за трудностей учета диаграмм направленности и сопротивления излучателей в широком диапазоне частот. Снижение мощности передающих устройств ионозондов, диктуемое как техническими, так и экологическими требованиями, выдвигает на первый план актуальность оптимизации параметров антенных систем и использующихся при радиозондировании ионосферы различного вида широкополосных сигналов.

В георадарных излучателях близость земли играет решающую роль в передаче энергии в подповерхностный пространства земли. Антенная система георадара должна иметь широкую полосу частот и в тоже время очень низкую добротность, т. к. время переходного процесса не должно превышать первые несколько наносекунд. Особый случай представляет вариант георадара для дистанционного зондирования подповерхностного пространства земли, когда георадар с антенной размещается непосредственно над поверхностью земли. Вопросы исследования георадарных антенн для дистанционного зондирования подповерхностной среды весьма актуальны, поскольку на настоящий момент для этой цели используются классические радиолокаторы с присущими им ограничениями.

В обоих случаях излучатели для работы ионозонда и георадара должны

быть не только широкополосными с большим коэффициентом перекрытия по частоте, но иметь хорошее согласование с передающим устройством.

Измерения поглощения радиоволн методом А1 дополняют информацию о состоянии слоев Б и Е ионосферы необходимую для решения ряда задач энергетики и распространения радиоволн и физики ионосферы.

Кроме того, остаются актуальными и вопросы изучения пространственно-временной структуры практически всех слоев ионосферы, включая область й. Поэтому получение экспериментальных данных не только о средних геофизических параметрах ионосферы, но также и об их пространственных неоднородностях и временных вариациях с помощью методов вертикального зондирования и ионосферного поглощения радиоволн важны и в наши дни.

Цель работы

Экспериментальное исследование сигналов излучения с внутриим-пульсной частотной модуляцией низкой частотой и регистрации фазы частоты модуляции, для увеличения точности измерения действующих высот отражения ионосферы в процессе измерения ионосферного поглощения радиоволн.

Проведение компьютерного моделирования находящихся в эксплуатации антенн ионозондов и выработке рекомендаций по повышению эффективности их работы.

Обоснование принципов построения новых излучателей ионозондов.

Разработка и экспериментальная апробация антенны для георадара, работающего с применением видеосигнала. Расчет антенной системы для георадара воздушного базирования.

Подготовка комплекса аппаратуры для экспедиций и получение экспериментальных данных параметров ионосферы в акватории Мирового океана, анализ данных измерений.

Научная новизна работы:

1. Впервые использовано зондирующее излучение с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой и измерения ее фаза для процесса измерения ионосферного поглощения радиоволн, что позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя Е (среднестатистическая ошибка 0.3 км).

2. Аналитическими расчетами и путем компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате:

а) выработаны рекомендации для улучшения параметров существующих антенн как стационарных, так и экспедиционных ионозондов (диаграммы направленности, коэффициента усиления по диапазону и т. д.);

б) создана более эффективная методика расчета ромбических антенн ионозонда и обоснованы принципы построения новых антенных систем для измерения поглощения радиоволн;

в) впервые предложена синтезированная активная антенна для ионосферного измерительного комплекса.

3. Исследованы и внедрены в эксплуатацию дипольные резистивно-нагруженные антенны георадара. Впервые рассчитана антенная система георадара для воздушного размещения.

4. Получен большой массив экспериментальных данных по измерениям поглощения радиоволн и данных вертикального импульсного радиозондирования на акватории Мирового океана. На основании полученных данных выявлены неоднородности в широтно-долготном распределении величины поглощения.

Научная и практическая значимость работы

Результаты диссертационной работы являются вкладом в дальнейшее развитие радиофизических методов и инструментов исследования среды и дают новые возможности в получении экспериментальных данных.

Результаты проведенных исследований доведены до практического воплощения в виде макетов, работающих систем и устройств.

Разработанные и защищенные патентом РФ георадары используются в геологии, археологии, на стройплощадках, в коммунальном хозяйстве и других областях народного хозяйства, где нужно получить информацию о подземных и подводных объектах.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Экспериментально установлено, что применение зондирующего излучения с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой и измерение ее фазы для процесса измерения ионосферного поглощения радиоволн позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя Е (до среднестатистических погрешностей 0.3 км.).

2. Аналитическими расчетами и методом компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате:

а) выработаны рекомендации и методика расчетов для улучшения параметров существующих антенн ионозондов и установок измерения поглощения радиоволн;

б) обоснованы принципы построения новых антенн для ионосферного измерительного комплекса.

3. Исследованы антенны георадара. Проведена экспериментальная проверка макетов антенн. Принята в эксплуатацию дипольная антенна с распределенной резистивной нагрузкой. Предложена антенная система для георадара воздушного базирования.

4.Экспериментально установлено, что существуют зоны неоднородности в широтно-долготном распределении поглощения радиоволн в ионосфере в планетарном масштабе.

Личный вклад автора

Результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии.

Автором предложен, исследован и применен на практике метод использования частотно-модулированных сигналов для повышения точности измерения действующих высот ионосферы по фазе частоты модуляции в процессе измерения поглощения радиоволн в ионосфере. Итогом этой работы явилось создание коллективом сотрудников ИЗМИР АН, при ведущем участии автора, аппаратно-измерительного комплекса «Парус» для измерения поглощения радиоволн. Дальнейшая модификация комплекса, позволила создать ионозонд «Парус».

Автором лично создана и экспериментально проверена судовая антенна для ионозондов. Автором проведены исследования передающих антенн ио-нозонда путем компьютерного моделирования, в результате чего внесен ряд предложений по усовершенствованию существующих антенн. Предложена методика расчета ромбических антенн ионозонда, определены пути дальнейшего развития передающих антенн ионозондов.

Автор принимал самое непосредственное участие в подготовке аппаратуры и проведении экспедиций на научно-исследовательских судах НИС "Академик Курчатов" и Академик Королев". Обработка данных измерений, выполненная с участием автора по результатам экспериментов в экспедициях, позволила выявить неоднородное распределение поглощения радиоволн в планетарном масштабе.

Автором лично испытано большое количество макетов передающих и приемных антенн георадаров, рассмотрены вопросы согласования их с приемниками. Внедрена в практику дипольная антенна с распределенной рези-сторной нагрузкой. Автором определены требования и произведены расчеты антенной системы георадара воздушного базирования.

Содержание и результаты исследований, выполненных по теме диссертации, отражены в 16 научных публикациях в отечественной и зарубежной печати; из них 2 патента РФ, в журналах, входящих в список ВАК, опубликовано 4 работы.

Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы В. А. Гарбацевича докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:

- XI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Казанский Государственный университет, 1975.

- 6-th International Conference on Ground Penetrating Radars. GPR'96, Sen-

dai, Japan, Sept. 30 - Oct. 3, 1996.

- International microwave conference MICON-96, Poland, Warsaw, May 2730,1996.

- 52 Научной сессии, посвященной. Дню радио, Москва, МГУ, 1997.

- XIV региональной конференции по распространению радиоволн,

Санкт-Петербург, 2008.

Результаты исследований по теме диссертации неоднократно обсуждались на научных семинарах в ИЗМИР АН.

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 135 страницах. Она содержит 55 рисунков, 5 таблиц и библиографию из 87 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ дан краткий обзор затронутых в диссертации проблем, сформулированы цель и основные задачи диссертации. Дано представление о содержании работы с разделением по главам.

ПЕРВАЯ ГЛАВА представляет собой обзор радиофизических методов диагностики ионосферы, научной аппаратуры, предназначенной для вертикального зондирования ионосферы, а также применение георадаров для ра-

диозондирования подземных слоев и объектов. Во введении первой главы кратко рассмотрена история ионосферных наблюдений.

Ионозондом называют коротковолновый радиолокатор, работающий в диапазоне частот (существенном для диагностики ионосферы) - обычно 120 МГц. По указанному диапазону ионозонд перестраивается с шагом по частоте от 1 до 200 кГц. Для вертикального зондирования излучение направляется в зенит. Шкала высот отражения обычно составляет 90-1000 километров. Время снятия высотно-частотной характеристики ионосферы -ионограммы, составляет от нескольких секунд до единиц минут, в зависимости от установленной величины шага по частоте.

В СССР Н.Д. Булатов впервые создал ионозонд типа ПИОН (19511955 г.г.), на базе которого была разработана типовая ионосферная станция АИС. Выпуск серии ионозондов АИС был приурочен к проведению Международного геофизического года (1957-1958 г.г.).

Как один из возможных режимов работы ионозонда рассмотрен метод измерения поглощения радиоволн в ионосфере. В этом режиме ионозонда происходит измерение амплитуд отраженных от ионосферы радиоимпульсов. Измерения производятся поочередно на одной из ряда выбранных частот с частотой повторения импульсов 0.3 — 1 Гц.

Приведен обзор мирового опыта построения антенн ионозондов, с геометрическими размерами мачт 20-90 метров. В мировой практике антенны, созданные для ионозондов, делятся на ромбические, дельта-антенны, ди-польные, спиральные, встречных спиралей, логопериодические диполи, ло-гопериодические со сложной зигзагообразной конструкцией.

Описана история построения георадаров, их возможности и перспективы. Использование стандартной радиолокационной аппаратуры для зондирования грунтов и пород оказалось возможным в случае малого затухания радиоволн в среде. Для обычных радиолокаторов время прихода отраженных сигналов от залегающей породы оказывается очень малым и они накладываются на зондирующий импульс, поэтому не могут быть выделены. Выход из

положения был найден путем применения импульса тока без несущей частоты, который называют видеоимпульсом. Такой импульс создает одно или несколько колебаний тока в антенне и характеризуется широкой полосой частот излучения. Короткий видеоимпульсный сигнал обладает наилучшими характеристиками для георадара, поскольку обеспечивает максимальную глубину зондирования и максимальное пространственное разрешение. Создание антенны для излучения такого импульса оказалось сложной задачей. Из-за высокой добротности антенного контура колебательный процесс невозможно погасить без потерь энергии. Приведены параметры дипольной антенны с распределенной резистивной нагрузкой, нашедшая применение на практике. Также рассчитан вариант ромбической антенны для дистанционного зондирования подповерхностных радиофизических неоднородностей земли.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрены параметры ионозондов с точки зрения получаемой информации и произведен анализ применяемых сигналов. Обсуждены результаты экспериментов по вертикальному зондированию ионосферы короткими импульсами длительностью 30 - 150 мкс. Рассмотрены различные типы применяемых модулированных импульсов излучения. Сделаны выводы об информативности применяемых сигналов.

Метод измерения поглощения радиоволн в ионосфере рассмотрен как один из режимов работы ионозонда, позволяющий расширить информативность ионозонда за счет получения информации oDhE областях ионосферы. Следовательно, крайне важна эффективность работы антенной системы в низкочастотном участке диапазона частот ионозонда, где производят измерение поглощения радиоволн.

Применение частотно-модулированных низкой частотой импульсных сигналов и измерение фазы частоты модуляции принятых сигналов ведет к повышению точности измерения действующих высот ионосферы в процессе измерении поглощения радиоволн в ионосфере. Для этой цели использовался метод частотной модуляции на частоте 15 кГц при индексе частотной модуляции 0.3. Для отсчета действующей высоты (h1) отраженного от ионосферы

сигнала использовалось измерение фазы модулирующего сигнала. Для контроля достоверности отсчета действующей высоты использовались отсчеты разрушения закона модуляции. На рис.1 приведены интервалы достоверности измерений Ь' в км, а на рис.2 вероятностное распределение отсчета (Р).

В конце главы приведены параметры измерительного комплекса «Парус», созданного для этой цели, и параметры дальнейшего развития ионозон-да «Парус».

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ представлены результаты исследования излуча-. телей ионозондов и георадаров. Компьютерное моделирование позволило определить параметры ромбических и дельта антенн ионозонда для излучения в зенит.

Для выполнения компьютерного моделирования антенн в настоящей работе использовалась общедоступная программа ММ ANA-GAL [2]. В ней использует ядро программы MININEC с имеющимися у его ограничениями, но, учитывая рекомендации авторов программы, часть моделирования проводилась с помощью специальной утилиты NEC-2 для MMANA. Программа снабжена хорошим интерфейсом и большим набором вычисляемых функций. Программа позволяет вычислить коэффициент усиления антенны Ga, коэф-

р

0.1 02 0.1 0.4 O.S 0.0 0.7 01 0.0

Рис.1

Рис.2

фициент стоячей волны КСВ, диаграмму направленности в разных плоскостях, включая трехмерную, полное сопротивление 1 на частотах диапазона работы и токи в проводниках антенн.

Для компьютерного моделирования выбрана антенна ионозонда ИЗМИР АН, представляющая собой два асимметричных по высоте ромба с длиной пар проводов 31.3+34.2 м для малого ромба и 59.5+61.3 м для большого. Пары проводов разнесены на 1.5 метра для большого ромба и на 0.8 метра для малого ромба. Высота металлических двух боковых опор 16 метров и центральной мачты - 36 метров. Передатчик подключается в диапазоне 1-5 МГц - к большому ромбу, а в диапазоне 5-20 МГц - к малому. Волновое сопротивление питающего фидера составляет 600 Ом. Нагрузочные резисторы для каждого из ромбов по 600 Ом расположены в верхней точке центральной мачты.

На рис.3 представлен пример полученных пространственных диаграмм направленности большого ромба при моделировании реальной антенной системы ионозонда.

Рис.3

Из компьютерного моделирования также следует, что малый ромб указанной антенной системы имеет приемлемые характеристики по диаграмме направленности в диапазоне частот от 4 до 10 МГц. В

совокупности общее перекрытие по частоте двух антенн обеспечивает измерение параметров ионосферы в периоды времени минимума солнечной активности. В периоды максимума солнечной активности отражения радиоволн от ионосферы наблюдается на частотах выше 10 МГц. Поэтому для расширения частотного диапазона до 20 МГц было проведено компьютерное моделирование третьей ромбической антенны, плоскость которой ортогональна плоскости антенн действующей системы. Модель полной антенной системы показана на рис.4.

Результаты моделирования коэффициента усиления в РЬ и КСВ для всех трех антенн с учетом взаимовлияния отображены на Рис.5..

Компьютерное моделирование третьего дополнительного ромба проведено на базе разработанной автором методики нахождения линейных параметров асимметричных ромбических антенн, предназначенных для излучения в зенит. Использованная методика расчетов также позволила увеличить диапазон перекрытия антенны по частоте.

у

Рис.4

ел ю

8

6

4

2

0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

4 3 2 1

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

I Мгц

Рис. 5 Коэффициенты £/„ в ЭЬ и КСВ для трех антенн, штрих-пунктир -большой ромб, пунктир - малый ромб, сплошная - дополнительный ромб.

Результаты компьютерного моделирования антенны ионозонда АИС, рекомендованной для вертикального зондирования как типовая, показали, что для перекрытия частотного диапазона ионозонда с помощью двух ромбических антенн требуется оптимизация настройки, поскольку имеются участки диапазона частот зондирования, где антенна не дает преимущественного излучения в вертикальном направлении.

Анализ параметров ромбических антенн, работающих в широком диапазоне частот вблизи земли, показал, что не рекомендуется применять наклон полотна антенны больше 45° относительно линии горизонта.

Проведены вычисления параметров дельта антенны. Антенны такого типа (из-за неравномерности характеристик по диапазону частот ионозонда) более эффективны при применении их в качестве приемных, а не передающих.

\

/ .... ч

/

/ / \

! У У

-—

I \

Рассмотрен вариант судовой дельта антенны, проверенный в морских экспедициях при измерении поглощения. Для характеристик такой антенны важен учет параметров подстилающей поверхности (стальной корпус судна и морская вода) и способ подключения фидера антенны. Дельта антенна с верхним питанием явилась оптимальным вариантом для размещения на судне.

\ 43 м 2 х 600 Ом \ ^ •п. т-р 20 м 43м у 2 x 600 Ом

Судовая дельта антенна с верхним питанием.

Рис.6

На рис. 6 представлена условная схема размещения судовой дельта антенны и ее габаритные размеры. Такой вид дельта-антенн может использоваться для установки на подвижные платформы.

В работе предложена и рассмотрена синтезированная магнитная активная антенна ионозонда на базе рамочной антенны. Компьютерное моделирование таких систем показало её перспективность для ионосферного зондирования. Отмечено, что для реализации синтезированной активной антенны есть все предпосылки: наличие на рынке генераторов с цифровым управлением частоты и фазы, соответствующие полупроводниковые приборы для создания усилителей мощности.

Далее в главе обсуждаются возможности георадаров. В обычных радиолокаторах пространственное разрешение составляет единицы - сотни метров, а максимальная глубина зондирования радаров обусловлена, в основном, затуханием в среде. Для того чтобы увеличить разрешение по времени (по пространству), необходимо уменьшать длительность огибающей радиоимпульса. С другой стороны, для того, чтобы увеличить глубину зон-

дирования, необходимо понижать несущую частоту. В пределе для возбуждения антенны необходимо использовать сверхкороткий мощный импульс тока, имеющий от одного до нескольких колебаний тока (напряжения, напряженности электрического или магнитного поля - в зависимости от того, в какой части аппаратуры или среды он рассматривается). Для генерирования зондирующих импульсов в георадарах, как правило, используется так называемый «метод ударного возбуждения» — разряд высоковольтного конденсатора в антенну.

Для обеспечения апериодического режима излучения необходимо ввести в антенну дополнительное подавление колебательного режима, как это выполнено в резистивно-нагруженных диполях. Апериодический зондирующий импульс для такого диполя показан на рис. 7.

Радарограммы, получаемые с помощью апериодического сигнала возбуждения, обладают существенно лучшим качеством по пространственному и временному разрешению, чем при использовании возбуждающего осциллирующего сигнала. 0.14

0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02

0 -0.02 -0.04

0 , 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Т. sec х ,„■•

Рис.7 (по оси у - условные единицы, по оси х - время)

А -

1. 1. ...1 —1 .. 1 . 1 1

В главе представлены результаты по разработке дипольной антенны георадара с распределенной резистивной нагрузкой. Один из рабочих вариантов антенн георадара показан на рис.8.

Рис.8

Резистивно-нагруженный диполь георадара. Вверху представлено левое плечо антенны. Размеры указаны в мм.

С момента получения уверенных результатов работы георадара с поверхности земли, воды и морского дна актуальным стал вопрос о дистанционном зондировании земли, т.е. об георадарных измерениях с определенной высоты над поверхностью земли. В работе представлены результаты расчета вариантов ромбических антенн дистанционного размещения для зондирования подземных радиофизических неоднородностей.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ представлены экспериментальные результаты измерений поглощения радиоволн в экспедициях научно-исследовательских судов в акваториях мирового океана. Определен широтно-долготный ход поглощения радиоволн в нижней ионосфере на большой площади.

Изучение данных о поглощении радиоволн при вертикальном падении их на ионосферу, полученных мировой сетью станций, привело к выводу, что пространственное распределение поглощения существенно сложнее, чем это следует из теоретических оценок. Величина поглощения Ь в любой точке земного шара может быть выражена эмпирической формулой:

¿ = 4,(<р)+£» (1)

где £щ(<р) - составляющая, обусловленная волновым излучением Солнца и зависящая от географической широты ср; Lg(0) - составляющая, связанная с геомагнитной широтой Ф. Поскольку более или менее заметные геомагнитные эффекты в области £ до сих пор не обнаружены, можно ожидать, что указанная зависимость присуща глобальному распределению электронной концентрации Ne в области D. Действительно, анализ 450 профилей Ne(h), полученных с помощью ракет, подтвердил этот вывод. Отметим, что выражение (1) выведено на основании данных измерений при очень высокой солнечной активности (R » 200) для частоты зондирования/= 2,0 МГц.

На рис.9 представлены экспериментальные данные и результаты расчетов величины L по формуле (1) для сезонов, соответствующих периоду наблюдений на судах (штриховая кривая). Экспериментальные же значения L получены в широком диапазоне частот и при различных уровнях активности Солнца. Приведение их к определенным частотам зондирования и активности Солнца мало что дало бы, поскольку соответствующие коэффициенты пересчета весьма неопределенны. Вследствие этого сопоставление экспериментальных широтных ходов поглощения с расчетными проводится только качественно.

Рис.9

Результаты измерений, представлены сплошными кривыми, полученными методом скользящих средних (рис. 96, г, д). Данные, полученные нами и ранее не публиковавшиеся, (рис. 9а, в, е), представлены полностью: экспериментальные значения - точками, осредненные кривые - сплошной линией. Данные 9-го и 11-го рейсов НИС «Академик Курчатов» объединены, так как были получены примерно в одинаковых условиях. Результаты 20-го рейса НИС «Академик Королев» не представлены ввиду небольшого массива данных. Вместе с тем широтный ход поглощения, определенный по результатам этого рейса, весьма близок к широтному ходу, полученному по данным измерений в 22-м рейсе НИС «Академик Курчатов». Максимальная погрешность каждого единичного измерения (рис. 9а, в, е), равная ±ЗдБ складывалась из методической погрешности, равной ±1 дБ, и из аппаратурной погрешности, составлявшей ±2 дБ. Погрешности измерений, выполненных другими авторами, нам неизвестны, но можно предполагать, что они не превышают ± 3^4 дБ. Анализ показал, что отклонения единичных измерений относительно сплошных кривых носят случайный характер, и их распределение близко к нормальному закону. На рис. 9а, е усреднение проводилось по 11 значениям, и разброс данных составил ст = 4,0 и 4,9 дБ, соответственно. На рис. 9в усреднение проводилось по 5 значениям, а дисперсия равна 5,4 дБ. Рейс «Ше<1егз1ет»'а (рис. 9д) разбит на 2 этапа: первый (кривая 1) проходит в акватории Атлантики, второй (кривая 2) - в акватории Тихого океана.

Из рис. 9 видно, что практически во всех рейсах широтный ход поглощения не следует за широтным ходом полуденного угла Солнца над горизонтом (штрихпунктирные кривые). В ряде случаев экспериментальные кривые хорошо повторяют расчетные (рис. 9а, б, г). Вместе с тем сопоставление кривых 1 и 2 (рис. 9д) между собой, а также данных 22-го рейса НИС "Академик Королёв» (рис. 9в) с данными остальных рейсов указывает на наличие долготных эффектов, а точнее региональной структуры в глобальном распределении поглощения. Наиболее четко это проявляется при синоптическом анализе данных.

На рис. 10 представлено планетарное распределение поглощения. Заштрихованные участки соответствуют регионам, в которых проводились наблюдения.

Рис. 10

Данные каждого рейса разбиты на 3 группы. Частой, косой и горизонтальной штриховкой выделены области соответственно с повышенными, промежуточными и пониженными величинами поглощения. Числа со стрелками соответствуют средним значениям Ь (в дБ) в зонах. Числа в скобках указывают на количество суток, в течение которых проводились измерения, и по которым проводилось усреднение. В областях с повышенным поглощением (в частности, в районе географического экватора в Тихом океане и у побережья Перу) величины Ь в 1,5^1,9 раз превосходят средний фоновый уровень в соседних зонах. В области аномально низких значений Ь (наблюдавшихся в продолжение 14 суток), локализованной в северо-западной области Индийского океана, величина поглощения вдвое меньше фонового уровня. Оказалось, что области повышенного поглощения, которые были обнаружены по данным спутниковых измерений (сплошные овалы на рис. 10), близки, либо совпадают с зонами резкого уменьшения электронной концентрации в ночные часы на высотах ~260 км. Зоны низких значений Ые к по-

лудню полностью исчезают. Нечто подобное имеет место и в нижней ионосфере, где в полуденные часы зональная структура в поглощении выражена значительно слабее, чем в утренние часы. По данным работ, вариации Ые в ночной области ^ превосходят порядок величины. Поглощение в аномальных зонах (при х = 60" и 78°) может отличаться от величины Ь в соседних зонах в 1,5-ь2 раза. Оценки показывают, что эти изменения соответствуют вариациям в 2-5-3 раза на уровне мезопаузы. Подтверждением корреляционной связи между нижней и средней ионосферой может служить известный факт аномально высоких значений поглощения в Алма-Ате, на 1045 дБ превышающих фоновые, определенные по измерениям в Ростове-на-Дону, Ашхабаде, Томске и Иркутске.

Для объяснения причин поведения неоднородностей приведены результаты анализа зональных вариаций параметров радиозондирования ионосферы с привлечением данных мировой сети ионозондов и измерения поглощения в период МГГ. Зональные эффекты в пространственном распределении электронной концентрации пе в £)-, Е- и ^слоях ионосферы искались как регулярные, положительные и отрицательные отклонения параметров Х1 этих слоев от фоновых значений Х„ характерных для данной широты. Последние удобно находить методом картирования исследуемых параметров.

В широтно-долготном распределении параметров £>- и ^-областей ионосферы присутствуют сильные синфазные долготные вариации с волновым числом п > 1, не связанные (или слабо связанные) с особенностями структуры геомагнитного поля. Чтобы подчеркнуть неформальное отличие пространственных вариаций такого рода от известных долготных изменений ионосферных характеристик, вызванных несовпадением географического и геомагнитного полюсов и п = 1, в дальнейшем они классифицируются как зональные вариации.

Сложность характера зависимости величины Ь от широты пункта наблюдения известна давно. Для его объяснения предложена гипотеза о дополнительном источнике ионизации области £> в виде солнечных корпускулярных потоков. Однако анализ данных наблюдений на судах в акватории Ми-

рового океана показывает, что пространственная структура величины поглощения значительно сложнее. В частности, она контролируется не только широтой, но и долготой места наблюдения. На рис.11 представлена карта полуденной £(<р, Х)-зависимости для лета (июнь-июль) 1958 г.

ю' зо 50 7о 90 по /зо'л. Рис.11

Точно такой же вид £(<рД)-распределения наблюдается и в равноденствие (апрель-май и сентябрь-октябрь). Видно, что в некоторых долготных секторах градиенты дЬ/дХ сопоставимы и даже превосходят градиенты дЬ/да?. Большое систематическое различие в величинах Ь имеет место и в средних широтах, в частности между европейским (Москва-Де-Билт) и сибирским (Иркутск-Томск) секторами. Это обстоятельство приводит к тому, что ЦсрД)-зависимость носит "пятнистый" характер с хорошо выраженными локальными зонами повышенного или пониженного поглощения относительно его фонового уровня. Одна из таких зон глубокой депрессии величины Ь в тропических широтах в диапазоне долгот X = 30-50°Е. Градиенты д1УдХ сопоставимы и даже превосходят градиенты дЬ/дц. Например, абсолютная разница в значениях Ь между Ибаданом и Банги, расположенных на практически совпадающих широтах, достигает 28 дБ при погрешности измерений б£ < 5 дБ.

Анализ зональных вариаций позволил только частично объяснить сложную структуру широтно-долготного распределения параметров нижней ионосферы.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы, состоящие в следующем:

1. Обосновано и экспериментально установлено, что использование для импульсного зондирования радиоимпульсов с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой и измерения ее фазы в принятом сигнале, в процессе измерения ионосферного поглощения радиоволн, что позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя. Е (до среднестатистических 0.3 км.).

2. Аналитическими расчетами и путем компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате:

а) обоснованы рекомендации и методика расчетов для улучшения параметров существующих антенн ионозондов.

б) обоснованы принципы построения новых антенн для ионосферного измерительного комплекса.

в) исследованы антенны георадара. Проведена экспериментальная проверка моделей антенн. Принята в эксплуатацию дипольная антенна с распределенной резистивной нагрузкой. Предложена антенная система для георадара воздушного базирования.

3. Экспериментально установлено наличие неоднородности в глобальном распределении поглощения радиоволн в ионосфере.

Благодарности:

Автор выражает искреннюю благодарность всем соавторам и коллегам по ИЗМИР АН и других организаций, с которыми представилась возможность плодотворно работать, каждый из которых внес свой вклад в результаты представленной работы.

Автор благодарит своего руководителя А.Н. Козлова, который помимо руководства, является вдохновителем написания данной работы.

Автор благодарит дирекцию ИЗМИР АН за поддержку и интерес к работе.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Черкашин Ю.Н., Лукин A.A., Васильев К.Н., Васильев Г.В., Гарбацевич

B.А. Никонов П.А. О расширении информативности ионосферной станции. // Тезисы докладов XI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн. - М.: Изд. Казанского университета, 1975. -Ч. 1. - С, 24-26.

2. Гарбацевич В. А. Гивишвили Г.В. Лещенко Л.Н. Некоторые результаты ионосферных наблюдений на НИС "Академик Королев" // "Физика ионосферы и магнитосферы": Сб. статей. - М.: ИЗМИР АН. - 1978. - С. 32-33.

3. Гарбацевич В.А. О методе повышения точности измерения действующих высот отражённых от ионосферы радиоволн. // Исследования по проблемам солнечно-земной физики. -М.: ИЗМИР АН, 1977. -С. 123-133.

4. Гарбацевич В.А., Афиногенов Ю.А. Дельта-антенна с верхним питанием с помощью коаксиального фидера для исследования параметров ионосферы в корабельных условиях. // Физика ионосферы и магнитосферы. ИЗМИР АН, 1978. -

C. 40-41.

5. Гарбацевич В.А. Точное измерение действующих высот ИЧМФ-методом. // Физика ионосферы и магнитосферы. - М.: ИЗМИРАН, 1978. - С. 34-39

6. Гивишвили Г.В., Флигель М.Д., Лещенко JI.H., Гарбацевич В.А., Афиногенов Ю.А Планетарное распределение поглощения радиоволн. // Геомагнетизм и Аэрономия, 1980. -Т. XX. - 2. - С. 275 - 279.

7. Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н., Гарбацевич В.А, Афиногенов Ю.А Stationary Large-scale Irregularities of the ionosphere. // J. Atmospheric and Terrestrial Physics. -Pergamon Press Ltd, 1982. - Vol. 44. - P. 923-924.

8. Гарбацевич B.A., Карпенко А.Л., Сильвестров C.B. Автоматизированная ионосферная система «Парус» // Проблемы автоматизации геофизических исследований: Сборник научных трудов.-М.: ИЗМИР АН,- 1989.-С. 27-31.

9. Гивишвили Г.В., Гарбацевич В.А., Лещенко Л.Н., Ситнов Ю.С. Зональные вариации параметров ионосферы ниже главного максимума Ne II Геомагнетизм и Аэрономия, 1989. - Т. XXIX. - 6. -С. 965-972.

10. Патент 2081456 РФ, МПК 6 G 08 В 13/22, G 08 С 19/00. Способ дистанционной передачи сообщения и устройство для его осуществления. // Гарбацевич В.А., Копейкин В.В. - 93028877/09; Заявлено 08.06.93; Опубликовано 03.01.1996.

11. Патент 2080622 РФ. МПК 6 G 01 S 13/95. Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности. // Гарбацевич В. А., Копейкин В.В., КюнС.Е., Щекотов А.Ю. - 9005474/09; Заявлено 15.02.1994; Опубл. 27.05.1997, бюл. 15.

12. Копейкин В.В., Едемский Д.Е., Гарбацевич В.А., Попов А.В., Резников А.Е. Георадары повышенной мощности. // 52 Науч. сес. посвящ. дню радио. -Москва, 1997. - С. 241-242.

13. V.V. Kopeikin, D.E. Edemsky, V.A. Garbatsevich A.V. Popov, A.E. Reznikov, A.Yu. Shchokotov. Enhanced power ground penetrating radars: Conference proceedings. // 6th International conference on Ground Penetrating Radars. GPR'96 (Sendai, Japan, Sept. 30 - Oct. 3,1996). - P. 515-517.

14. V.V. Kopeikin, D.E. Edemsky, V.A. Garbatsevich, A.V. Popov, A.E. Reznikov, A.Yu. Shchokotov. Georadar development at IZMIRAN: Conference proceed-

ings. // International microwave conference MICON-96 (Poland, Warsaw, May 27 -30,1996). Vol. 2.-P. 509-511.

15. Гарбацевич B.A., Козлов A.H., Ромбические антенны ионозонда - результаты компьютерного моделирования. // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов, 2008. - 10. - С. 243 - 249.

16. Гарбацевич В.А., Козлов А.Н, Передающие антенны ионозонда - результаты компьютерного моделирования. // Тезисы докладов XIV региональной конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 11-13 ноября 2008). - М.: СПбГУ 2008, С. 64 - 65.

Подписано в печать 18.11.2008 г. Формат 60x84/16. Печ. л. 1.75. Тираж 100 экз. Заказ 2282.

Издательство «Тровант» ЛР 071961 от 01.09.1999 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства «Тровант». 142191, г. Троицк Московской обл., м-н «В», д. 52. Тел. (495) 775-43-35, (4967) 50-21-81 E-mail: trovant@ttk.ru. http://www.trovant.ru/

Введение.

Глава I Обзор аппаратуры, сигналов, излучателей ионозондов и георадаров.

§1. Вертикальное зондирование ионосферы.

1.1 Измерение поглощения радиоволн.

§2. Ионозонды.

§3. Излучатели ионозондов.

§4. Программы расчета антенных характеристик.

§5. Радиозондирование подповерхностной среды. Георадары.

Глава 2. Радиосигналы ионозондов и измерение поглощения радиоволн.

§1. Методика измерения поглощения при радиоимпульсном зондировании.

§2 Отражения ионосферой укороченных радиоимпульсов зондирования.

§3 Наблюдаемые формы радиосигнала отражения.

§4 Исследование переднего фронта отраженного радиосигнала.

§5. Обоснование параметров внутриимпульсной модуляции сигналов для зондирования ионосферы.

§6. Аппаратура и результаты измерения действующих высот отражения с применением внутриимпульсной частотной модуляции.

§7. Аппаратные средства измерения поглощения радиоволи.

Глава 3. Излучатели для вертикального зондирования ионосферы и георадаров.

§1. Математические основы программ компьютерного моделирования антенн.

1.1 Исходные данные и ограничения при вычислении интегральных уравнений.

1.2. Решение интегральных уравнений для проволочных антенн.

1.3. Расчёт характеристик антенн.

1.4. Учет влияния земли при вычислении параметров антенны.

§2. Компьютерное моделирование ромбических антенн ионозонда.

2.1. Моделирование ромбических антенн ионозонда ИЗМИР АН.

2.2 Методика расчета геометрических параметров ромбической антенны ионозонда.

2.3 Моделирование типовой антенны ионозонда АИС.

§3. Компьютерное моделирование дельта антенн.

3.1 Моделирование дельта антенна ионозонда.

3.2. Судовая дельта антенна.

§4. Излучения антенн вблизи земли.

4.1. Дипольные антенны вблизи земли.

4.2. Ромбические антенны вблизи земли.

§5. Магнитные излучатели ионозондов.

5.1. Особенности рамочных антенн в режиме излучения.

5.2. Синтезированная передающая антенна ионозонда.

§6. Антенны георадара.

6.1. Радиозондирование поземной среды.

6.2. Сигналы георадара.

6.3. Дипольные антенны георадара.

6.4. Ромбическая антенна для георадара.

Глава 4. Планетарное распределение поглощения радиоволн в ионосфере.

§1. Планетарное распределение поглощения радиоволн.

§2. Зональные вариации параметров ионосферы ниже главного максимума электронной концентрации.

2.1. Зональные вариации параметров в области/).

2.2. Зональные вариации параметров в области F.

2.3. Широтно-сезонные особенности зональных эффектов.

2.4. Широтно-высотные особенности зональных эффектов.

2.5. Суточный ход зональных эффектов.

2.6. Связь зональных эффектов с солнечной активностью.

2.7. Сравнение экспериментальных данных с модельными.

2.8. Прямые (ракетные) измерения электронной концентрации и поглощения в ионосфере.

Предметом исследования в диссертации являются излучатели и сигналы, применяемые для вертикального зондирования ионосферы с помощью наземных геофизических комплексов. В диссертации анализируются характеристики антенн ионозондов в ближней зоне и вблизи земной поверхности. С этих позиций также рассмотрена работа антенн георадара с применением видеоимпульсов для зондирования подповерхностных аномалий проводимости и диэлектрической проницаемости. В диссертации эти темы объединены в связи с тем, что излучатели для ионозонда и георадара должны быть: во-первых, широкополосными с коэффициентом перекрытия по частоте не менее 10, а во-вторых, обе системы работают на границе раздела контрастных радиофизических сред.

Актуальность работы. Целью зондирования ионосферы радиоволнами с помощью ионозондов всех типов является оперативное получение параметров состояния ионосферной плазмы. Достоверные, неискаженные радиотехническими средствами, данные о характеристиках ионизированных слоев важны как для исследований состояния самой ионосферы, так и для практики коротковолновой связи. Расширить информативность ионозонда для получения информации о D области ионосферы позволяют измерения поглощения радиоволн, проводимые на ряде фиксированных частот нижнего участка диапазона зондирования. Зачастую успех таких исследований определяет правильный выбор приемных и передающих антенных систем, а также выбор вида зондирующих сигналов. Поэтому создание широкополосного излучателя (0,5-20 МГц.) с диаграммой направленности в зенит с наименьшим количеством боковых лепестков и равномерным значением коэффициента усиления по диапазону частот считается одной из самых сложных задач в построении измерительных комплексов радиозондирования ионосферы. Снижение мощности передающих устройств ионозондов, диктуемое как техническими, так и экологическими требованиями, выдвигает на первый план актуальность оптимизации параметров антенных систем и использующихся при радиозондировании ионосферы различного вида широкополосных сигналов.

В георадарных излучателях близость земли играет решающую роль в передаче энергии в подповерхностный слой земли. Антенная система георадара должна иметь широкую полосу частот и в тоже время очень низкую добротность, т.к. время переходного процесса не должно превышать первые несколько наносекунд. Особый случай представляет вариант георадара для дистанционного зондирования подповерхностного слоя земли, когда георадар с антенной размещается непосредственно над поверхностью земли. Вопросы исследования георадарных антенн для дистанционного зондирования подповерхностной среды весьма актуальны, поскольку на настоящий момент для этой цели используются классические радиолокаторы с присущими им ограничениями по выполнению таких функций.

В обоих случаях излучатели для работы ионозонда и георадара должны быть не только широкополосными с большим коэффициентом перекрытия по частоте, но иметь хорошее согласование с передающим устройством.

Измерения поглощения радиоволн методом А1 дополняют информацию о состоянии слоев D и Е ионосферы необходимую для решения ряда задач энергетики и распространения радиоволн и физики ионосферы.

Кроме того, остаются актуальными и вопросы изучения пространственно-временной структуры практически всех слоев ионосферы, включая область D. Поэтому получение экспериментальных данных не только о средних геофизических параметрах ионосферы, но также и об их пространственных неоднородностях и временных вариациях с помощью методов вертикального зондирования и ионосферного поглощения радиоволн важны и в наши дни.

Цель работы. 1. Экспериментальное исследование сигналов излучения с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой для увеличения точности измерения действующих высот отражения ионосферы в процессе измерения ионосферного поглощения радиоволн.

2. Проведение компьютерного моделирования находящихся в эксплуатации антенн ионозондов и выработке рекомендаций по повышению эффективности их работы.

3. Обоснование принципов построения новых излучателей ионозондов.

4. Разработка и экспериментальная апробация антенны для георадара, работающего с применением видеосигнала. Расчет антенной системы для георадара воздушного базирования.

5. Подготовка комплекса аппаратуры для экспедиций и получение экспериментальных данных параметров ионосферы в акватории Мирового океана, анализ данных измерений.

Научная новизна работы. 1. Впервые использовано зондирующее излучение с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой в процессе измерения ионосферного поглощения радиоволн, что позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя Е (до среднестатистических 0.3 км.)

2. Аналитическими расчетами и путем компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате: а) выработаны рекомендации для улучшения параметров существующих антенн как стационарных, так и экспедиционных ионозондов (диаграммы направленности в зенит, коэффициента усиления по диапазону радиозондирования и т.д.); б) создана эффективная методика расчета ромбических антенн ионозонда и обоснованы принципы построения новых антенных систем для измерения поглощения радиоволн; в) впервые предложена синтезированная активная антенна для ионосферного измерительного комплекса.

3. Исследованы и внедрены в эксплуатацию дипольные резистивно-пагруженные антенны георадара. Впервые рассчитана антенная система гсорадара для воздушного размещения.

4. Получен большой массив экспериментальных данных по измерениям поглощения радиоволн и данных вертикального импульсного радиозондирования на акватории Мирового океана. На основании полученных данных выявлены неоднородности в широтно-долготном распределении величины поглощения.

Научная и практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы являются вкладом в дальнейшее развитие радиофизических методов и инструментов исследования среды и дают новые возможности в получении экспериментальных данных.

Результаты проведенных исследований доведены до практического воплощения в виде макетов, работающих систем и устройств.

Разработанные и защищенные патентом РФ георадары используются в геологии, археологии, на стройплощадках, в коммунальном хозяйстве и других областях народного хозяйства, где нужно получить информацию о подземных и подводных объектах.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Экспериментально установлено, что применение зондирующего излучения с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой в процессе измерения ионосферного поглощения радиоволн позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя Е (до среднестатистических 0.3 км.)

2. Аналитическими расчетами и методом компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате: а) выработаны рекомендации и методика расчетов для улучшения параметров существующих антенн ионозондов и установок измерения поглощения радиоволн; б) обоснованы принципы построения новых антенн для ионосферного измерительного комплекса.

3. Исследованы антенны георадара. Проведена экспериментальная проверка макетов антенн. Принята в эксплуатацию дипольная антенна с распределенной резистивной нагрузкой. Предложена антенная система для георадара воздушного базирования.

Экспериментально установлено, что существуют зоны неоднородности в широтно-долготном распределении поглощения радиоволн в ионосфере в планетарном масштабе.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы автора докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях: XI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн, Казанский Государственный университет, 1975, 6-th International Conference on

Ground Penetrating Radars. GPR'96, Sendai, Japan, Sept. 30-oct. 3, 1996, International microwave conference MICON-96, Poland, Warsaw, May 27-30, 1996, 52 Научная сессия, посвященная Дню радио, Москва, МГУ, 1997, XIV региональная конференция по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, 2008. Результаты исследований по теме диссертации неоднократно обсуждались на научных семинарах в ИЗМИР АН.

Личный вклад автора. Результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии.

Автором предложен, исследован и применен на практике метод использования импульсных сигналов с внутриимпульсной частотной модуляцией для повышения точности измерения действующих высот отражений радиоволн от ионосферы фазовым методом. Итогом этой работы явилось создание коллективом сотрудников ИЗМИР АН, при ведущем участии автора, аппаратно-измерительного комплекса «Парус» для измерения поглощения радиоволн. Дальнейшая модификация комплекса позволила создать ионозонд «Парус».

Автором лично создана и экспериментально проверена судовая антенна для ионозондов. Автором проведены исследования передающих антенн ионозонда путем компьютерного моделирования, в результате чего внесен ряд предложений по усовершенствованию существующих антенн. Предложена методика расчета ромбических антенн ионозонда, определены пути дальнейшего развития передающих антенн ионозондов.

Автор принимал самое непосредственное участие в подготовке аппаратуры и проведении экспедиций на научно-исследовательских судах НИС "Академик Курчатов" и Академик Королев". Обработка данных измерений, выполненная с участием автора по результатам экспериментов в экспедициях, позволила выявить неоднородное распределение поглощения радиоволн в планетарном масштабе.

Автором лично испытано большое количество макетов передающих и приемных антенн георадаров, рассмотрены вопросы согласования их с приемниками. Внедрена в практику дипольная антенна с распределенной резисторной нагрузкой. Автором определены требования и произведены расчеты антенной системы георадара воздушного базирования.

Объём и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения изложенных на 135 страницах. Она содержит 55 рисунков, 5 таблиц и библиографию из 87 наименований.

Заключение:

На основе приведенного материала в диссертации можно утверждать, что основные цели и задачи решены:

- Впервые использовано зондирующее излучение с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой и измерения ее фазы для процесса измерения ионосферного поглощения радиоволн, что позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя Е (до среднестатистических 0.3 км.).

- Аналитическими расчетами и путем компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате: а) выработаны рекомендации для улучшения параметров существующих антенн как стационарных, так и экспедиционных ионозондов (диаграммы направленности, коэффициента усиления по диапазону и т.д.); б) создана более эффективная методика расчета ромбических антенн ионозонда и обоснованы принципы построения новых антенных систем для измерения поглощения радиоволн; в) впервые предложена синтезированная активная передающая антенна для ионосферного измерительного комплекса.

- Исследованы и внедрены в эксплуатацию дипольные резистивно-нагруженные антенны георадара. Впервые рассчитана антенная система георадара для воздушного размещения.

- Получен большой массив экспериментальных данных по измерениям поглощения радиоволн и данных вертикального импульсного радиозондирования на акватории Мирового океана. На основании полученных данных выявлены неоднородности в широтно-долготном распределении величины поглощения.

По нашему мнению результаты диссертационной работы являются существенным вкладом в дальнейшее развитие радиофизических методов и инструментов исследования среды и дают новые возможности в получении экспериментальных данных.

Результаты проведенных исследований доведены до практического воплощения в виде макетов, работающих систем и устройств.

Разработанные и защищенные патентом РФ георадары используются в геологии, археологии, на стройплощадках, в коммунальном хозяйстве и других областях народного хозяйства, где нужно получить информацию о подземных и подводных объектах или состоянии среды.

Благодарности:

Автор выражает искреннюю благодарность всем соавторам и коллегам по ИЗМИРАН и других организаций, с которыми представилась возможность плодотворно работать на протяжении многих лет, за их вклад в результаты представленной работы.

Автор благодарит своего руководителя А.Н. Козлова, который помимо руководства, является вдохновителем написания данной работы.

Автор благодарит дирекцию ИЗМИРАН за поддержку и проявленный интерес к работе.

129

1. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера - М.: Изд-во АН СССР, 1960.-480 с.

2. Гинзбург B.JI. Распространение электромагнитных волн в плазме Л.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1960. - 549 с.

3. Альперт Я.Л. Статистический характер структуры ионосферы // Успехи физических наук. 1953. - Т. XL/X. - вып. 1.- с. 49-91.

4. Данилкин Н.П. Системное зондирование основа построения службы контроля состояния ионосферы // Ионосферно-магнитная служба. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - с. 46 - 78.

5. Радиозондирование ионосферы спутниковыми и наземными ионозондами // Тр. ин-та прикладной геофизики им. ак. Е.К. Федорова 2008. - вып. 87. - с. 10-31.

6. Руководство URSI по интерпретации и обработке ионограмм: Пер. с англ. -М.: Наука, 1977. 342 с.

7. Manual on Ionospheric Absorption Measurements // Report UAG-57 / ed. K. Rawer. NOAA, Boulder, Colorado 80303. - 1976. - 203 c.

8. Васильев Г.В. Исследование погрешностей измерения параметров ионосферы методом вертикального зондирования и вопросы проектирования аппаратуры // Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., - 1970. - 177 с.

9. Some of the recommendations of URSI-STP Meeting on the Vertical Soundings Networ // URSI, INAG, Ionosphere Station Information Bulletin, September 1969. -Boulder, Colorado. 1969.

10. Рыжков E.B. Антенны ионосферных станций вертикального зондирования // Сб. Трудов ЛЭИС, Л., 1957. вып. 3. - с. 22-31.

11. Васильев Г.В., Васильев К.Н., Гончаров Л.П. Панорамная автоматическая ионосферная станция АИС // Геомагнетизм и аэрономия. 1960. - вып. 5, 10.

12. Wright J. W. Ionosonde antennas. I I Ionosonde network advisory group (INAG), Ionospheric Station Information. 1998. - 21 с. 3.9.

13. Redmond R., Bullet T. Transmit Antenna for Ionospheric Sounding Applications Boulder, Colorado: NOAA, NGDC. - 2007. - 6 p.

14. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Всё о программе MMANA. М.: ИП Радиософт, 2002. 80 с.

15. Митра Р. (ред.) Вычислительные методы в электродинамике: пер. англ. -М: Мир, 1977. 243с.

16. Вопросы подповерхностной радиолокации. (Сер. «Радиолокация») Коллективная монография / Под ред. А.Ю. Гринёва. М.: Радиотехника, 2005.416 с.

17. Патент 2080622 РФ. МПК 6 G 01 S 13/95. Устройство для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности / Гарбацевич В. А., Копейкин В.В., Кюн С.Е., Щекотов А.Ю. 9005474/09; Заявлено 15.02.1994; Опубл. 27.05.1997, бюл. 15.

18. Wu Т.Т. King R.W.P. The Cylindrical Antenna with Nonreflecting Resistive Loading. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1965. - Vol. AP-13. - 3. -p. 369-373.

19. Данилкин Н.П., Денисенко П.Ф., Фаер Ю.Н. Многочастотные поляризационные измерения поглощения радиоволн и возможности определения v(h) профилей ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 1975. - Т. XV. - №3. -с.451-456.

20. Гивишвили Г.В. Квазистационарные неоднородности ионосферной плазмы и механизмы их возбуждения // Диссертация на соискание ученой степени д.ф.-м.н. М. 1995. - 372 с.

21. Данилкин Н.П., Денисенко П.Ф. Номограммы для расчета N(h) профиля в D области ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1973. - Т. XIII.- №5.- с. 927929.

22. Васильев К.Н., Васильев Г.В., Крюков A.JI. Наблюдение тонкой структуры ионозондом с повышенной разрешающей способностью // Исследования по проблемам солнечно-земной физики. М.: ИЗМИР АН, 1977. - с. 43-48.

23. Гарбацевич В.А. О методе повышения точности измерения действующих высот отражённых от ионосферы радиоволн // Исследования по проблемам солнечно-земной физики. М.: ИЗМИР АН, 1977. - с. 123-133.

24. Намазов С.А., Васильев К.Н., Васильев Г.В. и др. Применение сложного сигнала для повышения разрешающей способности ионосферной станции // Геомагнетизм и аэрономия. 1974. - Т. XXIV. - с. 282-286.

25. Патент 2081456 РФ, МПК 6 G 08 В 13/22, G 08 С 19/00. Способ дистанционной передачи сообщения и устройство для его осуществления // Гарбацевич В.А., Копейкин В.В. 93028877/09; Заявлено 08.06.93; Опубликовано 03.01.1996.

26. Намазов С.А., Рыжкина Т.Е. Исследование сложного сигнала при ионосферном распространении декаметровых волн // Распространение радиоволн. -М.: Наука, 1975. С. 262-290.

27. Whitehead J.D., Mai A. A suggested method of accurately measuring the virtual height of reflection of radio waves from the ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1963. -Vol.25. - 10.- p. 599-601.

28. Зенькович A.B. Искажения частотно-модулированных колебаний M. Сов. радио, 1974. - 295 с.

29. Гарбацевич В.А. Точное измерение действующих высот ИЧМФ-методом // Физика ионосферы и магнитосферы. М.: ИЗМИР АН, 1978. - с. 34-39

30. Харкевич А.А. Теоретические основы радиосвязи М: Гос. изд. тех.-теор. лит, 1957. - 348 с.

31. Гарбацевич В.А., Карпенко A.JI., Сильвестров С.В. Автоматизированная ионосферная система «Парус» // Проблемы автоматизации геофизических исследований: Сборник научных трудов. М.: ИЗМИР АН. - 1989. - с. 27-31.

32. Гарбацевич В.А., Афиногенов Ю.А. Дельта-антенна с верхним питанием с помощью коаксиального фидера для исследования параметров ионосферы в корабельных условиях // Физика ионосферы и магнитосферы. М.: ИЗМИР АН, 1978.- 40-41.

33. Линдваль В.Р. Основы теории и проектирование проволочных антенн с использованием программы MMANA: Учебное пособие. Казань: Казанский государственный технический университет им. А.Н.Туполева, 2003. - 71 с.

34. Флетчер К. Численные методы на основе метода Галеркина М: Мир, 1988. -352 с.

35. Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг, С.П. Белоусов, Э.М. Журбенко и др. 2-е изд., перераб.и доп. - М.: Радио и связь, 1985. -536 с.

36. Надененко С.И. Антенны // М.: Связьиздат, 1959. 548 с.

37. Козлов А.Н., Гарбацевич В.А. Ромбические антенны ионозонда результаты компьютерного моделирования // Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. - 2008. - №10. - с.243-249.

38. Гарбацевич В .А., Козлов А.Н. Передающие антенны ионозонда результаты компьютерного моделирования // Региональная XIV конференция по распространению радиоволн: Тез. докл. - СПб, 2008. - с. 64-65.

39. Айзенберг Г.З. Антенны для магистральных коротковолновых радиосвязей -М.: Связьиздат, 1948. 464 с.

40. Гарбацевич В.А., Афиногенов Ю.А. Дельта-антенна с верхним питанием с помощью коаксиального фидера для исследования параметров ионосферы в корабельных условиях // Физика ионосферы и магнитосферы, М.: ИЗМИР АН, 1978 -с. 40-41.

41. Драпкин А.Л., Коренберг Е.Б. Антенны М.: Радио и связь, 1992. - 144 с.

42. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства М: Связь, 1972. - 472 с.

43. Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности, 2-е изд. М: Наука, Физматлит, 1999. - 496 с.

44. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн, 2-е изд. -М: Наука, Физматлит, 1978. 544 с.

45. Ротхаммель К. Антенны: пер. с нем. М: Энергия, 1967. - 271 с.

46. Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ Киев: Вища школа, 1982.

47. Григоров И. Н. Антенны. Настройка и согласование М.: ИП РадиоСофт, 2002. - 87с.

48. Бенесон JI.C. Антенные решетки. / Бенесон Л.С., Журавлев В.А., Попов С.В. М: Сов. радио, 1966. - 267 с.

49. Копейкин В.В., Едемский Д.Е., Гарбацевич В. А., Попов А.В., Резников А.Е. Георадары повышенной мощности // 52 науч. сесс., посвящ. Дню радио М., 1997. -с.241-242.

50. Kopeikin V.V., Edemsky D.E., Garbatsevich V.A. Popov A.V., Reznikov A.E., Shchokotov A.Yu. Georadar development at IZMIRAN. // International microwave conference MICON-96, Poland, Warsaw, May 27-30 1996. - Vol. 2. - p. 509-511.

51. Корчагин Ю.А. и др. Радиосвязь в проводящих средах / Ю.А. Корчагин, В.П. Саломатов, А.А. Чернов Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1990. - 148 с.

52. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - Т. 1-2.

53. Гарбацевич В. А., Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Некоторые результаты ионосферных наблюдений на НИС "Академик Королев" // Сб. статей "Физика ионосферы и магнитосферы" М.: ИЗМИР АН, 1978. - с. 32-33.

54. Гивишвили Г.В., Флигель М.Д., Лещенко Л.Н, Гарбацевич В.А., Афиногенов Ю.А. Планетарное распределение поглощения радиоволн // Геомагнетизм и аэрономия, 1980. Т. XX. -2.-е. 275-279.

55. Givishvili G.V., Leshchenko L.N., Garbatsevich V.A., Afinogenov Yu.A. Stationary Large-scale Irregularities of the ionosphere // J. Atmospheric and Terrestrial Physics. Pergamon Press Ltd, 1982. - Vol. 44. - p. 923-924.

56. Гивишвили Г.В., Гарбацевич B.A., Лещенко Л.Н., Ситнов Ю.С. Зональные вариации параметров ионосферы ниже главного максимума Ne // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. - Т. XXIX. -6.-е. 965-972.

57. Флигель М.Д. Географическое распределение поглощения радиоволн в ионосфере. // Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. М., - 1963. - 177с.

58. Белкина Л.М. О частотной зависимости поглощения радиоволн в ионосфере. // Геомагнетизм и аэрономия. 1967. - Т. VII. - С. 997-1000.

59. George P.L. The global morphology of the quantity jNv-dh in the D- and E-regions of the ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1971. - Vol. 33. - p. 1893-1906.

60. Гинзбург Э.И., Нестерова И.И. Пространственно-временные вариации N(h)-профилей нижней ионосферы // Вопросы исследования ионосферы и геомагнетизма.- Новосибирск: Институт геологии и геофизики СО АН СССР, 1974. с. 86-97.

61. Данилкин Н.П., Мальцева О.A. N(h) профили и учет горизонтальной неоднородности ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 1972. - Т. VII. - С. 625630.

62. Данилкин Н.П., Фаер Ю.Н. Определение постоянной аппаратуры при многочастотных измерениях поглощениярадиоволн методом А1 // Геомагнетизм и аэрономия. 1972. - Т. VII. - С. 1120-1121.

63. Гивишвили Г.Б., Флигель М.Д. О геомагнитном эффекте поглощения. // Геомагнетизм и аэрономия. 1972. - Т. XII. - с. 936-937.

64. Shirke J.S., Henry G.W. Geomagnetic anomaly in ionospheric absorption at low altitudes observed on board USNS Croatan // Ann. Geophys. 1968. - 23. - p. 517-523.

65. ShwentekH. Ionospheric Absorption Between 53°N and 53°S Observed onboard a Ship // J. Atmos. Terr. Phys. 1976. - Vol. 38. - p. 89-96.

66. Гивишвили Г.В., Шаулин Ю. H. К методу измерения поглощения радиоволн в ионосфере. // Геомагнетизм и аэрономия, 1975. Т. XV. - р. 556-559.

67. Данилкин Н.П., Денисенко П.Ф., Сущий С.М., Фаер Ю.Н. Экспериментальное исследование эффективной частоты соударений электронов в Е- области // Семинар КАПГ по физике стратомезосферы и нижней ионосферы, Ростов-на-Дону. 1977. - с. 109-110.

68. Гивишвили Г.В., Васильев Г. В., Середкин В. Т. К методу измерения поглощения радиоволн в ионосфере. // Геомагнетизм и аэрономия. 1972. - Т. XII. -р. 139-141.

69. Васильев К.Н. Геомагнитный эффект в вертикальных перемещениях ионизации в области F ионосферы. // Геомагнетизм и аэрономия. 1967. - Т. VII. -с. 469 - 474.

70. Балев И. В., Гольдин А. А. и др. Глобальное исследование распределения концентрации ионов в ионосфере // Докл. АН СССР. 1976. - Т. 230. - с. 1062-1065.

71. Квавадзе Д.К., Тухашвили К.И. Сезонный ход поглощения радиоволн в ионосфере в зависимости от зенитного угла солнца. // Семинар КАПГ по физике стратомезосферы и нижней ионосферы, Ростов-па-Дону. 1977. - с. 29-31.

72. Givishvili G.V., Afinogenov Ju. A., Garbatsevich V. A. Stationary large-scale irregularities of the ionosphere // J. Atmos. Terr. Phys. 1982. - Vol. 44. - p. 923-924.

73. Гивишвили Г. В., Афиногенов Ю. А. Об одной региональной особенности низкоширотной нижней атмосферы. // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. - Т. XXV. -с. 131-133.

74. Проверка модели нижней ионосферы IRI путем сравненияс данными распространения радиоволн // Семинар КАПГ по физике стратомезосферы и нижней ионосферы, Ростов-на-Дону. 1977. - с. 6-8.

75. Гивишвили Г. В. Квазистационарные неоднородности ионосферы. // Ионосферные исследования. М.: Наука, 1986. -41.-е. 60-68.

76. Walker G. О. Longitudinal structure of the F-region equatorial anomaly a review. // J. Atmos. Terr. Phys. - 1981. - Vol. 43. - p. 763-774.

77. Groves G. V. Seasonal and latitudinal models of atmospheric structure between 30 and 120 km altitude. // Space Res. 1970. - Vol. 10. - p. 137-150.

78. Флигель M. Д. Географическое распределение ионосферного поглощения // Геомагнетизм и аэрономия. 1962. - Т. II. - с. 1091-1094.

79. Гивишвили Г. В., Гарбацевич В. А. и др. Зональные вариации параметров внутренней ионосферы М.: ИЗМИРАН, 1988. - Препринт № 66 (820) ИЗМИРАН.

80. Данилов А. Д., Казимировский Э. С., Вергасова Г. В., Хачикян Г. Я. Метеорологические эффекты в ионосфере Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 269 с.

81. Гивишвили Г. В., Деминов М. Г., Ситнов Ю. С, Лещенко Л. Н. Исследования динамических процессов в верхней атмосфере М.: Гидрометеоиздат, 1983. - 58 с.

82. Деминов М. Г., Коченова Н. А., Ситнов Ю. С. Долготные изменения электрического поля в дневной экваториальной ионосфере. // Геомагнетизм и аэрономия. 1988. - Т. XXVIII. - с. 71-75.