О погрешности радиоволновых измерений параметров слоя ионосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Гб од

На правах рукописи УДК 551.510,530. 12

Терехов Лев Сергеевич

О ПОГРЕШНОСТИ РАДИОВОЛНОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ ИОНОСФЕРЫ

01.04.03 -радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1996

Работа выполнена в Томском государственном университете, Сибирском физико-техническом институте (г. Томск), Институте информационных технологий и прикладной математики СО РАН (г. Омск)

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник Ю. Е. Таращук;

доктор технических наук, профессор В. А.Шапцев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор В.П.Якубов; кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В.Г.Спицын

Ведущая организация: Институт геофизики СО РАН

(г. Новосибирск)

Защита диссертации состоится

а ' > 1996г. в

часов на заседании диссертационного Совета К. 063.53.03 по защите диссертаций на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук в Томском государственном университете по адресу: 634010, Томск, пр. Ленина, 36, аул.

С диссертацией можно ознакомиться Научной библиотеке ТГУ.

Автореферат разослан 1996г.

Учёный секретарь диссертационного Совета, кандидат физико-математических наук

Г. М. Дейкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблем радаоволновой диагностики неоднородного слоя плазмы подтверждается продолжающейся, несмотря на уменьшение финансирования науки в настоящее время не только в России, публикацией работ, посвящаемых этой проблеме. Актуальной в фундаментальных исследованиях остается разработка методов уменьшения погрешности радиоволновых измерений.

Актуальность проблем диагностики неоднородного слоя плазмы на нынешнем этапе развития ионосферных исследований и КВ связи подтверждается также наметившимся, выходом из кризиса, поразившим было эти области науки и практики в 70-х годах. Выход из кризиса обусловлен наступлением эпохи мощных и компактных компьютеров, обеспечивших обработку больших объемов информации по ионосферной обстановке в реальном масштабе времени. Возрождение ионосферных исследований связано также с тем фактом, что плазменная оболочка Земли чувствительна к процессам не только на Солнце, но и в атмосфере, на поверхности и в недрах планеты. КВ радиосвязь продолжает играть также важную роль, особенно в качестве важнейшего резервного вида связи. Трудности прогноза и в какой-то части непредсказуемость изменения параметров ионосферы приводят технологию современной КВ радиосвязи к необходимости практически непрерывного отслеживания условий распространения на ионосферной радиолинии. Это, в свою очередь, требует более высокой точности и большей оперативности измерения параметров ионосферы.

Наиболее важными измеряемая! параметрам! ионосферы традиционно остаются критическая частота {0¥2 и действующая высота 11' вблизи максимума электронной плотности слоя Г2. Однако окрестность Г0Г2, являясь самой значимой, оказывается и одним из самых узких мест измерения параметров ионосферной плазмы. Оба важных в данной работе вопроса: выявление структуры и источников погрешности измерения действующей высоты Ь' (1) и уменьшение погрешностей определения и критической частоты £0Г2 (2), относятся прежде всего к сложной в диагностике и самой информативной области Непах.

Основные цели работы:

- выявление структуры и источников погрешности радиоволнового принципа измерения неоднородного слоя плазмы;

- поиск методов уменьшения погрешностей измерения параметров слоя ?2...

Защищаемые научные положения

1. Погрешность принципа радиоволновых измерений параметров неоднородного слоя плазмы включает наряду с известной случайной погрешностью измерения ещё и систематическую погрешность, Наличие систематической погрешности является следствием усреднения значений измеряемого частотно-зависимого параметра слоя, проводимого по ширине полосы частот канала зондирования.

2. Предложенный модифицированный метод импульсного радиозондирования ионосферы позволяет уменьшить погрешность измерения действующей высоты. Метод осуществляется путем адаптации ширины полосы частот канала зондирования 5Р (П к величине (П/с-<ЗГ, пропорциональной локальной крутизне определяемой ионограммы, а также - к отношению мощностей сигнал/шум цЮ зондирующего сигнала на каждой рабочей частоте Г. При этом рабочая частота меняется с шагом, который приравнивается адаптируемой ширине полосы частот канала зондирования 5ГШ.

3. Предложенный метод радиозондирования позволяет уменьшить погрешность измерения критической частоты нестационарного слоя плазмы 1С на основе нетрадиционного использования эффекта Доплера. Метод осуществляется посредством измерения доплеровского смещения частоты ДП^) на совокупности частот зондирования (Г^ в окрестности критической частоты слоя тс. В качестве критической частота Сс зондируемого слоя принимается частота зондирования, соответствующая экстремальному значению доплеровского смещения частоты.

Научная новизна работы состоит в том. что впервые:

1. Предложен подход к определению структуры и источников полной погрешности принципа радиоволновых измерений параметров неоднородного слоя плазмы. Подход развит и обоснован при постановке и решении задачи нахождения оценки погрешности измерения действующей высоты слоя № ионосферы. Оценка пол-

ной погрешности измерения действующей высоты получена с учетом высотной и частотной зависимости запаздывания спектральных составляющих отраженного радиоимпульса. (Совокупность ■ высотной и частотной зависимости запаздывания спектральных составляющих отраженного радиоимпульса называется далее частотно-временной дисперсией.)

2. Показано, что перенос результатов теории погрешностей из области применимости классической радиолокации на область диспергирующей среды приводит к занижению оценки погрешности измерения пространственной локализации электронной концентрации.

3. Предложен модифицированный метод импульсного панорамного радиозондирования слоя ионосферы, ведущий к уменьшению погрешности измерения действующей высоты до потенциальной. Уменьшение погрешности достигается в результате адаптации полосы частот канала зондирования на каждой рабочей частоте к величине скСП/сК, где т(П = &'(Л/с - групповое время распространения сигнала зондирования до области отражения. При этом рабочая частота меняется с шагом, который приравнивается переменной ширине полосы частот канала зондирования 51" (Л. Неравномерная сетка рабочих частот со сгущением в областях наибольшей крутизны йт(Г)/йГ обеспечивает достижение потенциальной точности определения монограммы не только в узлах сетки рабочих частот, ко также и в междоузлиях.

4. Доплеровское смещение частоты в частной задаче электродинамики получено из законов сохранения импульса и энергии и является следствием обмена энергией волны и движущегося зеркала.

5. При радиозондировании предложено определять критическую частоту слоя плазмы как частоту, соответствующую экстремальному значению доплеровского смещения частоты и/или максимального значения времени задержки зондирующего сигнала.

Практическая ценность работы состоит в следующем. Развитый в диссертации подход выявляет существование неустранимой погрешности принципа радиоволновых измерений параметров неоднородного слоя плазмы. Результаты данного подхода позволили предложить методы диагностики неоднородного слоя плазмы. Предложенные методы сопровождены техническими решениями по

уменьшению погрешностей измерения действующей высоты и критической частоты слоя F2.

Результаты исследования структуры и источников погрешностей радиоволновых измерений могут служить основой для разработки и модификации способов диагностики неоднородных сред радиоволновыми методами.

Существование неустранимой погрешности радиоволновых измерений необходимо принимать во внимание при разработке методов "очистки" ионограммы с целью сохранения объективной информации о погрешности проводимых измерений.

Обоснование и достоверность выдвинутых научных положений подтверждается качественным и количественным соответствием расчетных результатов с экспериментальными.

Апробация работы. В 1970-1996гг. результаты работы докладывались на XVII1-й н.-т. конф. по радиоэлектронике. Томск, 1970; Всес. конф. по физике ионосферы, Львов, 1970; ХХ-й н.-т.конф. по радиоэлектронике, Томск. 1972; Юбилейной н.-т.конф. радиофизического ф-та ТГУ, Томск, 1973; XXV-й per.н.-т. конф., посвященной Дню Радио. Новосибирск, 1982; 4-й Омской областной математической конф.. Омск, 1984; Per. н.-т. конф. НТОРЭС им. А.С. Попова, Новосибирск, 1985; Всес. научном семинаре "Исследование влияния неоднородностей ионосферы на распространение радиоволн", Душанбе, 1986; Обл. н.-т. конф. "Радиофизическое исследование свойств сред", Омск, 1987; Всесоюзном семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере", Калининград, 1989; ECO Conference "New Challenges to Environmental Protection", The Frledrich Ebert suiting. Алма-Ата. 1993; Первой международной н.-пр. конф. "Информационные технологии и радиосети - 96", Омск, 1996г.; Междунар. симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики", посвященном 60-летию регулярных ионосферных исследований в России, 18-21 июня 1996г., -Томск, СФТИ, 1996; а также на семинарах: каф. радиофизики Томского гос. университета, лабораторий РРВ, ионосферной и космической геофизики СФТИ (г.Томск), отдела ОНИИПа (г.Омск), Гео-физ. обсерв. "Боровое" (Нац. Ядерный Центр Респ. Казахстан), каф. общей физики Омского гос. университета, отделах ВДТПМ СО РАН (г.Омск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения. четырех глав, заключения, списка литературы из 132 наименований. содержит 184 страницы машинописного текста, 10 рисунков. 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении излагается актуальность проблемы, формулируются цели работы, основные задачи исследований, научная новизна, практическая ценность, защищаемые научные положения, связь с плановыми НИР, методы исследования, апробация работы, личное участие автора.

В первой главе приводятся общие определения погрешности измерений и разрешающей способности, проводится анализ методов радиоволновых измерений параметров слоя плазмы, а также - анализ соответствующих погрешностей с целью обоснования и постановки задач настоящей диссертационной работы. Вследствие значительной частотно-временной дисперсии вблизи критической частоты слоя F2, разрешающая способность по высоте и погрешность измерения высоты в области f0F2 численно практически совпадают. Из-за ограниченности объёма диссертации обсуждается в большей степени погрешность измерения.

Отмечается, что область определения классической формулы радиолокации, предназначенной для нахождения погрешности измерения параметров цели, ограничивается локацией обьектов, не проявляющих значимой частотно-временной дисперсии. Однако формула радиолокации, представляющая лишь один компонент -случайную погрешность измерения Ah'r, используется также и вне области своего определения - для нахождения погрешности измерения действующей высоты ионосферы, то есть - для среды с частотно-временной дисперсией.

Неоправданное расширение области определения . упомянутой формулы радиолокации послужило основанием для-допущения о том, что известное искажение зондирующего сигнала потенциально содержит систематическую погрешность измерения Д1Г3 параметров зондируемого неоднородного слоя плазмы.

Во второй главе приводятся постановка, решение и обсуждение задачи о структуре и источниках полной погрешности принципа радиоволновых измерений параметров неоднородного слоя плазмы на примере определения структуры и источников погрешности измерения действующей высоты Ь' ионосферного слоя Р2.

В отличие от классической формулы радиолокации предложена формула для вычисления полной погрешности измерения действующей высоты ДЪ*(Г. 5Г) неоднородного слоя плазмы ионосферы, включающая кроме упомянутого случайного компонента погрешности Д1г'г (первое слагаемое правой части (1)) также систематический компонент (второе слагаемое (1)), в виде:

Ah'(f.ôf)

dir (f)

a |//t(f) 6f

df

ôf.

(1)

Здесь h' - действующая высота, км; ôf - ширина полосы частот канала зондирования, Гц; jn(f) - отношение мощности принятого радиоимпульса к суммарной мощности шума и помех: а = 4я -для трапецеидального радиоимпульса; с - скорость света, км/с; f - частота, Гц.

При определяемой локально, на каждой рабочей частоте, ширине полосы частот канала зондирования ôf'(f):

6Р (Г) =

4Я (/¿ЦП

dt(f)

df

-i/г

(2)

достигается минимальная, также определённая локально, полная погрешность А11'т1л (6Р (П):

Ah'Bln(5f(f))

п ^fl(f)

dt(f) df

(3)

Зондирование на рабочей частоте I в полосе частот канала зондирования шириной 5Г как большей, так и меньшей . ширины 6Р (П на ■ этой же рабочей частоте, приводит к погрешности ДЛЧГ.бП большей, чем Дй'т1п (6Р (Ш- В то же время конеч-

с

ная величина полной погрешности (5Г(О). найденной с

учетом частотно-временной дисперсии зондируемого слоя, свидетельствует о существовании принципиально неустранимой погрешности радиоволновых измерений параметров неоднородного слоя плазмы.

Численная иллюстрация решения проводится для слоя Г2 с полутолщиной 100 км, 1^2 = 10 МГц, энергетической характеристикой сигнала ¡1 = 7 на модели параболического изотропного слоя плазмы без поглощения при нормальном зондировании. Ширина полосы частот 6Г(0, адаптируемая к характеристике слоя йт(0/(ЗГ на каждой рабочей частоте, изменяется от -70 кГц вблизи основания слоя и до =1кГц - вблизи ТСЕ2. Погрешность ЛЬ'т1п (5Г (П) составляет около 13 км вблизи ?0?2 по сравнению с погрешностью ДЬ'^.бЛ. достигающей 100 км при зондировании в неадаптированной к параметрам слоя и сигнала полосе частот 5Г = 20кГц. Большие значения действующей высоты 11' в области 1оР2 (600+900км) маскируют само существование полной погрешности измерения Д1Г(Г,5Г).

При одновременных измерениях 11'Ш с Земли и со спутника известно явление перекрытия (расхождения) действующих высот ионосферы. Расхожение измеряемых высот значительно возрастает при приближении к Г0Е2 и достигает 50км истинной высоты. Существование полной погрешности радиоволновых измерений неоднородного слоя плазмы, быстро возрастающей вблизи критической частоты, находится в хорошем качественном соответствии с явлением перекрытия действующих высот.

Из решения волнового уравнения следует, что для действующей высоты (П слоя ¥2 существует пик значений Ь'Ш шириной 1*2 кГц по уровню 0.5 с максимумом практически на частоте {0?2. Ширина полосы частот 6Г{П в области !0?2 - такого же порядка. На этом основании делается вывод о целесообразности поиска пути реализации натурных измерений максимального значения действующей высоты 1\'тах = h'{f0F2), остающегося пока ненаблюдаемым.

С целью повышения точности определения ионограммы предложен способ определения профиля электронной концентрации неоднородного слоя плазмы на основе адаптивного радиозондирования. Для осуществимости способа решена самосогласованная

задача адаптации: радиозондирование слоя плазмы с неизвестным распределением электронной концентрации проводится с использованием сигнала, параметры которого перестраиваются в процессе зондирования на каждой рабочей частоте в соответствия с искомым неизвестным распределением концентрации.

В третьей главе приведены обоснование и метод уменьшения погрешности измерения критической частоты нестационарного слоя плазмы на примере определения частоты 1^2. Анализируется структура погрешности измерения частоты Т0¥2 на основе развитого во второй главе подхода к определению полной погрешности принципа радиоволновых измерений параметров неоднородного слоя плазмы.

Известно, что критическая частота Гс слоя плазмы не может быть фиксирована с погрешностью, меньшей ширины полосы частот канала зондирования 5f. В качестве способа измерения Гс, при котором возможно значительно сузить полосу частот 51\ выбран способ, основанный на измерении ДСЧ ЛШ) в окрестности Гс. Но вычисление ДСЧ в приближении геометрической оптики приводит в окрестности критической частоты к расходимости, а измерение - к обрыву значений ДСЧ при приближении радиочастоты к критической. Известный подход к определению ДСЧ, основанный на сопутствующих явлению ДСЧ кинематических соотношениях, оставляет затенённой природу ДСЧ, не позволяя ответить на вопрос о принципиальной возможности измерения ДСЧ на критической частоте. Из решения рассмотренной в данной работе задачи электродинамики следует, что ДСЧ является следствием обмена энергией волны и движущегося зеркала. В силу законов сохранения энергии и импульса величина ДСЧ в реальном физическом процессе могжет быть только конечной, в том числе и на критической частоте слоя нестационарной плазмы. что свидетельствует о существовании потенциальной возможности измерения ДСЧ на частоте Гс.

ДСЧ исследуется на основе решения волнового уравнения для плоской электромагнитной волны при произвольном угле падения 8 на слой плазмы с симметричным эпштейновским профилем в квазистационарном приближении. На основе фазы коэффициентов отражения и прозрачности слоя получено необходимое условие возможности квазистационарного приближения для задачи расп-

ространения электромагнитной волны по диапазону частот зондирования, включая критическую, в нестационарном неоднородном слое плазмы.

Для измерения критической частоты f0F2 по предлагаемому методу значение имеет лишь компонент ДСЧ_ обусловленный нестационарностью критической частоты слоя fc(t):

s г 1 dfc

Af(f) = - H(S. F. 8} - ln(S(F+cos8)) - 21n2- . (4)

2ЯГС L J dt

Здесь H(S,F,8) = 2Re4'{l+i2S(F-cos8))-Re4'(l+iS(F-cos9)) -функция, определяющая симметричный пик с экстремумом на частоте fc/cos8: S = (0.28-с)"11-f - относительная толщина симметричного слоя Зпштейна; 1 - абсолютная толщина слоя на уровне 0.5 показателя преломления; F = fc/f. Компонент ДИО имеет, согласно (4). экстремум на частоте зондирования fc/cos8.

При нормальном облучении нестационарного слоя плазмы волнами различных частот пик значений ДСЧ выделяет окрестность частоты fc, а экстремум ДСЧ оказывается естественной меткой самой частоты,fc. Это обстоятельство - необходимое условие осуществимости метода уменьшения погрешности измерения,f0 F2. Достаточным условием осуществимости метода является наличие достаточной для регистрации пика ДСЧ отражаемой слоем, энергии в полосе частот, охватывающей пик ДСЧ. Радиоприёмное устройство с обычным динамическим диапазоном 40 дб при пара1 метрах слоя F2, приведенных выше, позволяет регистрировать сигнал на частотах, включающих пик ДСЧ и превышающих критическую частоту f0F2 на и2 кГц. На этой основе предложен способ измерения критической частоты нестационарного слоя плазмы. Погрешность измерения критической частоты f0F2 в переходное время суток составляет согласно расчету не более 1,7 кГц.

Проведен эксперимент по упрощенной, в соответствии с имевшимися ограниченными инструментальными возможностями, пассивной схеме в режиме ожидания прохода критической частоты через установленное постоянное значение несущей частоты зондирующих радиоимпульсов. Эксперимент качественно подт-

вервдает основной результат решения о существовании экстремума ДСЧ на критической частоте.

Полная погрешность измерения ДСЧ сигнала, распространяющегося в неоднородном нестационарном слое плазмы, определяется аналогично структуре полной погрешности Ah'(f,5f) по формуле (1). Для уменьшения погрешности измерения ДСЧ до потенциальной радиозондирование проводится с адаптацией ширины полосы частот канала зондирования к параметрам слоя и сигнала, а также - с адаптацией длительности времени анализа сигнала.

л Отмечается, что значительное и резкое возрастание значений h'(f) и Af(f) с экстремумами на частоте f0F2 имеет в основе общую природу. Увеличение значений h'(f) и ЛГ(Г) в окрестности fc обусловлено, во-первых, многократным уменьшением групповой скорости сигнала вблизи Nenax и, во-вторых, большой протяжённостью пути сигнала вблизи Nemax. проходимого с уменьшенной в этой области групповой скоростью. При этом увеличивается время взаимодействия сигнала и среды и, вследствие этого, происходит эффективное накопление результата взаимодействия сигнала и среды в окрестности Nemax.

В четвертой главе ставится и решается задача по определению структуры амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) КВ радиолинии с целью определения возможности разрешения элементов тонкой структуры АЧХ на основе предложенных в настоящей работе методов уменьшения погрешностей измерения параметров ионосферы.

Распространённые метода определения амплитудно-частотной характеристики КВ многолучевой (МЛ) радиолинии, проводимые без учёта фаз спектральных компонентов принимаемого сигнала, приводят к сглаживанию картины АЧХ и потере её тонкой структуры. Отличие постановки рассмотренной в настоящей работе задачи от известных подходов к определению АЧХ ионосферной КВ радиолинии состоит в отыскании АЧХ радиолинии на основе разности фазовых путей модов сигнала, а также - на основе модели спектральной плотности пачки радиоимпульсов. Задача решена для основного случая, когда принимаемый сигнал состоит из верхнего и нижнего модов обыкновенных лучей с одним отражением от слоя F2. Глубина "модуляции" АЧХ находится пу-

тем сравнения мощностей верхнего и нижнего модов сигнала.

Решение задачи показывает, что существует квазипериодическая тонкая структура АЧХ, обусловленная расщеплением тела спектральной плотности исходного одиночного сигнала. Узкие провалы АЧХ разделены интервалами частот шириной 5ГаГс(П. являющимися "полосами прозрачности" КБ радиолинии: 5*агс(П = с/ДР(П, где АР (О - разность фазовых путей сигнала на верхнем и нижнем лучах.

При ширине спектра сигнала б£3 ) б/аГс(Г) подавляются определенные участки спектра исходного сигнала, что означает наличие источника потока ошибок канала КВ связи. При вертикальном радиозондировании ионосферы также существует много-лучевость, особенно - на частотах вблизи Г0Р2. Подавление некоторых участков спектра отраженного сигнала вследствие многолучёвости может являться источником систематических погрешностей измерения параметров ионосферного слоя.

Проведены расчеты для трасс различной дальности. Например. для трассы 3000 км, обычных значениях параметров слоев й и Ей указанных выше параметрах слоя ?2. результаты суть следующие: ширина "полосы прозрачности" возрастает от нескольких сот Гц в нижней части диапазона радиолинии и до почти сотни кГц - вблизи МПЧ. Глубина узкополосных провалов амплитуды возрастает соответственно от 0,3 до 0,9.

Полученные результаты качественно согласуются с результатом обработки экспериментальных исследований многолучевого распространения в УКВ диапазоне. Сложение лучей с учетом их разности фаз дает картину структуры АЧХ в натурном эксперименте УКВ диапазона, аналогичную рассчитанной в настоящей работе для диапазона КВ.

Предложен способ определения оптимальной рабочей частоты (ОРЧ) на краю зоны молчания, то есть - в "полосе прозрачности" наибольшей ширины и однолучевого сигнала. Преимуществом предложенного способа в сравнении со способом-прототипом является возможность выхода на ОРЧ, свободную от многолучевос-ти и с лучшим отношением сигнал/шум, нежели на другой частоте.

Осуществимость КВ радиосвязи в наиболее благоприятной области вблизи МПЧ определяется возможностью достижения необ-

ходимой точности измерений параметров ионосферы. Однако известно. что на основе существующих методов измерений параметров ионосферы расчёт МПЧ даёт погрешность в 5, 10 и более процентов, что составляет единицы МГц и, таким образом, на 1*2 порядка превышает ширину "полос прозрачности" АЧХ КВ радиолинии. Тонкая структура АЧХ при таких величинах погрешности измерений МПЧ обнаружена быть не может.

Оценки, проведенные на рассмотренных выше моделях ионосферы и сигнала, показывают, что уменьшение погрешностей ДйЧГ.бЛ и АГ0?2 измерения параметров ионосферы согласно предложенным в настоящей работе способам обеспечивает выявление вблизи МПЧ тонкой структуры АЧХ КВ радиолинии.

По результатам решения задачи о структуре АЧХ и сравнения решения с данными опыта делается предположение, что существующая в настоящее время организация радиосвязи КВ диапазона с раздачей пользователям фиксированных частот и полос частот фиксированной ширины в недостаточной мере соответствует природе АЧХ ионосферной радиолинии.

В заключение четвертой главы отмечается, что для реализации проектов радиолиний малой дальности (региональная КВ связь на несколько сотен км) развиваемый в настоящей работе подход представляется особенно необходимым по следующим причинам. Радиолиния КВ диапазона малой дальности имеет кратно уменьшенный, всего до единиц МГц, частотный ресурс, что с необходимостью требует непрерывного оперативного контроля параметров структуры АЧХ КВ радиолинии, осуществляемого с высоким разрешением. Поэтому практически значимая региональная КВ связь может быть осуществлена лишь на базе методов ионосферного зондирования с более высокими точностью и оперативностью, нежели ныне существующие.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Известная оценка погрешности радиоволноых измерений действующей высоты ионосферы вычисляется по формуле, отвечающей определению лишь случайной погрешности ДЬ'Г, полученной для традиционных объектов радиолокации, не обладающих частотно-временными свойствами неоднородного слоя плазмы. Фор-

мула для погрешности Д11'г не содержит ограничения потенциальной точности измерения, давая заниженную (не более 1 км) погрешность измерения действующей высоты.

2. Полученное в настоящей работе выражение для полной погрешности радиоволновых измерений действующей высоты ионосферного слоя плазмы ДЬЧГ.бП содержит как случайный Д11'г, так и систематический Л1Г3 компоненты. Компонент ДЬ'8, так же. как и компонент АЬ'Г, оказывается неустранимым. Полная погрешность измерения действующей высоты Дй'({\6П имеет своими источниками мощность шумов, неоднородность и частотную дисперсию слоя плазмы, а также - ширину полосы частот канала зондирования 5Г. Ширина полосы частот 5Г, в отличие от локальной характеристики профиля зондируемого слоя <Зт(П/й{\ может быть аппаратурно регулируемой в процессе зондирования.

3. Минимальная погрешность измерения времени группового запаздывания отраженного неоднородным слоем плазмы радиоимпульса Дтт1П (5Г (П) достигается при зондировании в полосе частот 5Г(П, согласованной с локальной крутизной профиля зондируемого слоя йгШ/йГ, а также - с отношением сигнал/шум ¿1(0 зондирующего сигнала на каждой частоте зондирования Г.

4. Рабочая частота панорамного зондирования меняется с шагом, который приравнивается к изменяемой на каждом шаге ширине полосы частот канала зондирования 5Г (П. Получающаяся таким образом неравномерная сетка рабочих частот со сгущением в областях наибольшей крутизны профиля ионограммы обеспечивает достижение потенциальной точности определения ионограммы не только в узлах (на рабочих частотах), но и в междоузлиях.

5. Погрешность измерения действующей высоты отражения от ионосферного слоя ?2 с типичными значениями параметров зондирования уменьшается согласно предложенному способу зондирования в области Г0Р2 со -100 до -13 км.

6. Наличие неустранимой погрешности является неотъемлемым свойством принципа радиоволновых измерений параметров неоднородного слоя плазмы. Поэтому необходимо отдавать предпочтение методам "очистки" ионограммы. сохраняющим объективную

информацию о погрешности и разрешающей способности радиоволновых измерений.

7. Подход, развитый и обоснованный на примере определения погрешности измерения действующей высоты, применим и для определения погрешности измерения иных параметров слоя плазмы. Общность структуры полной погрешности радиоволновых измерений различных параметров неоднородного слоя плазмы ведёт и к общности соответствующих методов уменьшения погрешности. Так, измерение критической частоты Г0Г2 нестационарного слоя Р2, проводимое на основе использования эффекта Доплера, осуществляется. как и при измерении действующей высоты Ь', при адаптации ширины полосы частот канала зондирования 5Г(Г) к параметрам сигнала и слоя. Но нестационарный слой характеризуется ещё и параметром с^Ш/сИ, поэтому проводится также и адаптация длительности времени анализа сигнала.

8. Электромагнитные волны, как отраженные нестационарным неоднородным слоем плазмы, так и прошедшие сквозь слой, имеют резко выраженный пик значений ДСЧ: экстремальное значение ДСЧ достигается в общем случае наклонного падения практически при частоте Гс/соз6: Мех1г = Д1-(Гс/соз8). При нормальном падении пик значений ДСЧ выделяет окрестность критической частоты Гс, а экстремум ДСЧ Д1'ех1г = ДГ(1ГС) является естественной меткой самой частоты Значения ДСЧ возрастают и пик в окрестности экстремума становится 'уже при увеличении толщины, критической частоты и скорости изменения критической частоты слоя. Существование экстремума ДСЧ на критической частоте положено в основу способа измерения критической частоты нестационарного слоя плазмы. Погрешность измерения критической частоты при вертикальном зондировании в переходное время суток составляет, согласно расчёту, около 1,7 кГц по сравнению с погрешностью 2.5 кГц, определяемой способом-прототипом. Опытная проверка, осуществленная при вертикальном радиозондирования слоя ¥2, не противоречит выводу о наличии экстремума ДСЧ Мек1г = ДГ{Г0Г2) на критической частоте Г0Г2.

9. Пиковые значения ДСЧ и действующей высоты с соответствующими экстремумами ДГеХ1Г = ЛИГ0Г2) и Ь'^ах = Ь'({0?2) на критической частоте Г0 Г2 определены одной и той же функ-

цией Н(Б.Р.в). Поэтому естественной "меткой" критической частоты оказывается в равной мере как экстремум А[ех1г, так и максимум 1}'тах.

10. Существует квазипериодическая тонкая структура АЧХ КВ радиолинии. Квазипериодичность АЧХ 5/ЛЧХ(0 в масштабе полосы частот сигнала б/8 обусловлена наличием многолучевости на радиолинии. При ширине спектра сигнала > б/АЧХ(Н подавляются определенные участки спектра исходного сигнала. Последнее означает появление источника потока ошибок при КВ связи и источника систематических погрешностей - при измерении параметров ионосферного слоя.

И.: Частоту на краю смыкания необыкновенной компоненты, где интерференционные искажения сигнала исключены вследствие однолучевости, а амплитуда отражённого на этой частоте сигнала возрастает вследствие фокусировки, целесообразно использовать в качестве оптимальной рабочей частоты КВ радиолинии.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Терехов Л.С. Радиационное адиабатическое ускорение идеально отражающего поршня //Изв.вузов. Физика. -1968, N2. С. 157.

2. Терехов Л.С. Адиабатическое радиационное ускорение поршня в цилиндрическом однородном волноводе произвольного односвязного сечения // Изв.вузов. Физика. -1971. N2. С.151.

3. Терехов Л.С. КПД прямого преобразования энергии стоячих электромагнитных волн в работу // Материалы XVIII научно-технической конференции по радиоэлектронике.посвященной ЮО-летив со дня рождения Ленина. Издательство Томского университета. Томск.- 1971. С.25.

4. Терехов Л.С. О возможности сдвига частоты электромагнитных волн, гидируемых в магнитосферном волноводе // Доклады юбилейной научно-технической конференции радиофизического факультета. Часть II. Секция радиофизики и распространения волн. Издательство Томского университета. Томск. -1973. С. 178.

5. Терехов Л.С. К диагностике критической частоты нестационарного ионосферного слоя //XXV областная научно-техническая конференция, посвященная дню радио.Подсекция ионосферы и распространения радиоволн. Научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, г.Новосибирск. 1982г. С. 13.

6. Терехов Л. С. Доплеровское смещение при зондировании слоя плазмы на критической частоте // Электродинамика и распространение волн. Томск, вып. 2, 1982. С. 66.

7. Таращук Ю.Е., Борисов Б.Б., Егоров Н.Е., Киселев

B. Ф.. Нагорский П. М.. Петрушин В. И., Сарычев В.Т.. Терехов Л.С. "Экспериментальное исследование структуры КВ-сигнала в окрестности мертвой зоны. // Геомагнетизм и аэрономия. 1982, N3. С. 505.

8. Терехов Л.С. Доплеровское смещение при зондировании слоя плазмы на критической частоте. Строгое решение //Электродинамика и распространение волн. Межвузовский тематический сборник. Вып. 4. Издательство Томского университета. Томск. 1984. С. 66.

9. Терехов Л.С..Сметаницкий А.М. Доплеровское смещение при радиозондировании нестационарного слоя плазмы на частоте отсечки // Электродинамика и распространение волн. Межвузовский тематический сборник. Вып. 5. Изд-во Томского университета. Томск. 1985. С. 133.

10. Терехов Л.С. Доплеровское смещение на критической частоте // Региональная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. НТОРЭС им. А.С.Попова. г.Новосибирск, 1985г.,

C. 16.

11. Терехов Л.С. Условие квазистационарного приближения в задаче распространения волн в неоднородном слое.// Региональная научно-техническая конференция. Тезисы докладов. НТОРЭС ИМ. А.С.Попова, г. Новосибирск, 1985 г., С. 15.

12. Терехов Л.С. Условие квазистационарного приближения в задаче распространения волн в неоднородной среде // Электродинамика и распространение волн. Вып.6. Изд-во Томского университета. Томск. 1987. С.252.

13. Терехов Л.С. Условия квазистационарного приближения в задаче распространения волн в неоднородном слое плазмы //

Дифракция и распространение волн в неоднородных средах. Межведомственный сборник, йзд-во МФТИ. Москва. 1987. С. 13G.

14. Терехов Л.С. Эффект Доплера и условие квазистационарного приближения на критической частоте неоднородного слоя. //Областная научно-техническая конференция "Радиофизические исследования свойств сред". Тезисы докладов, йзд-во Омского педагогического института. Омск. 1987. С. 26.

15. Терехов Л.С. Об определении критической частоты по эффекту Доплера.Всесоюзный семинар "Распространение радиоволн в ионосфере", г. Калининград. Тезисы докладов. Изд-зо "Радио и связь". М. 1989. С.29.

16. Таращук Ю.Е.,Терехов Л.С. О возможности оперативной диагностики df0F2/dt по доплеровскому смещению частоты. Всесоюзный семинар "Распространение радиоволн в ионосфере", г.Калининград. Тезисы докладов. Изд-во "Радио и связь". М. 1989, С. 23.

17. Борисов Б. Б., Сокольников С. Л., Таращук Ю. Е.. Терехов Л.С. Доплеровское смещение частоты при зондировании ионосферы на критической частоте слоя F2 //Ионосферные волновые возмущения. Изд-во "Наука" Казахской ССР. Алма-Ата. 1989. С. 163.

18. A.C. N1493938 СССР, МКИ G01W 22/00. "Способ измерения критической частоты слоя ионосферной плазмы" Терехов Л.С.,Борисов Б.Б.,Сокольников С.А..Таращук Ю.Е. Приоритет от 7 июля 1987 г. //Открытия и изобретения, 1989, Бюлл. No26. С. 184.

19. A.C. N1768D053 СССР, МКИ Н04В 7/00. "Способ выбора оптимальной рабочей частоты" Зачатейский Д.Е.,Зеленков

B. Е..Козин И. Д. .Нургожин Б.И. .Терехов Л. С. , Приоритет 7 июня 1990 г.

20. Терехов Л. С. Определение критической частоты по эффекту Доплера. //Исследования по геомагнетизму, аэрономии физике Солнца. Вып. 92, Москва: Наука. АН СССР, 1990. С. 65. -(Сб. н. тр. СибИЗМИР).

21. Борисов Б. Б., Елизаров Ю. Н., Новиков В. М., Сокольников

C.Л., Терехов Л.С. Вариации действующих высот в области критической частоты слоя F2 в вечернее время.//Динамика ионосферы. 3 часть. Изд-во "Гылым" АН Казахской ССР, Алма-Ата.

1991. С. 66.

22. Терехов JI. С. Ошибки измерения при импульсном радиозондировании слоя плазмы //Исследования по статистической радиотехнике,дифференциальным уравнениям и алгебре: Сборник научных трудов ИИТПМ. Омск, 1992. с.45.

23. Shaptsev V. A., Terekhov L.S., On Deployment of a Modern Standard Ionospheric Station at Russia's Geographical Center, Proceedings of the 24th General Assembly of the International Union of Radio Science, Kyoto, Japan. August 25 - September 2. (1993), p.333.

24. Terekhov L.S., Shaptsev V.A., Critical Frequencies Determination Using Doppler Shift. Proceedings of the 24th General Assembly of the International Union of Radio Science, Kyoto, Japan, August 25 - September 2. (1993), p.60S.

25. Заявка N 92-004925/09 (049673) РФ МПК G01N 22/00 на изобретение "Способ определения профиля электронной концентрации слоя плазмы" от 05.11.92г. Терехов Л. С., Зеленков

B.Е., Шапцев В. А. Заявитель ИИТПМ СО РАН. Решение о выдаче патента на изобретение от 26.01.95г.

26. Shaptsev V.A., Terekhov L.S. Deployment of a Modern Standard Ionospheric Station. Ionosonde Networks and Stations. January 1995, P.65. Report UAG-104. Published by World Data Center A for Solar - Terrestrial Physics. National Geophysical Data Center 325 Broadway, Boulder, CO 80303 USA.

27. Терехов Л. С. О погрешности измерений действующей высоты. Международная конференция "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождение радиотехники" \\ Тезисы докладов, часть II, секция "Распространение и дифракция радиоволн", Москва, май 1995г.,

C. ill.

28. Терехов Л.С., Четвёркина О.И. О тонкой структуре АЧХ ионосферного канала связи. Тез. докл. Междунар. н.-т. сем. "Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях", Москва, 1995г., Российское НТОРЭС им. А.С.Попова, С.41.

29. Терехов Л.С., Четверкина О.И. О тонкой структуре АЧХ ионосферного канала связи. Тез. докл. Междунар. научно-прак-тич. конф. "Информационные технологии и радиосети - 9S". СО

РАН. ОМСК. 1996г., С. 59.

30. Терехов Л.С. Потенциальные возможности КВ радиоканала. Раздел 2.3. заключительного отчета по НИР "Разработка методов и алгоритмов моделирования систем передачи информа-ции"/ИИТПМ СО РАН. N 01.9.10 025219. С.34-57. Руководитель и ответственный исполнитель В. А. Шапцев. Исполнители: Искам А.Я., Панов С.А., Пуртов А.М., Терехов Л.С. Омск. 1996. 84с.

31. Терехов Л.С., Четверкина О.И. О структуре АЧХ радиолинии КВ диапазона. Тез. докл. Междунар. симп. "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики", посвященного 60-летию регулярных ионосферных исследований в России, 18-21 июня 1996г., -Томск, СФТИ, 1996. С. 119.

Подписано к печати " 5:" 03 1996 г. Формат бумаги 80x84 1/16 Уч. изд. л. 1,00. Тираж 100. Заказ N 420. Отпечатано полиграфической лабораторией ОмГУ.