Теоретическое и экспериментальное исследование флуктуаций волновых полей при интерферометрической диагностике турбулентных потоков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Нечаева Мария Борисовна

Теоретическое и экспериментальное исследование флуктуаций волновых полей при интерферометрической диагностике турбулентных

потоков

01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им Н.И Лобачевского" на кафедре распространения радиоволн и радиоастрономии радиофизического факультета.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Гавриленко Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Саичев Александр Иванович доктор физико-математических наук, профессор Якубов Владимир Петрович

Ведущая организация:

Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН (ФИАН)

Защита состоится " /У" ^ссЛ-^/У— 2006 г. в _ на заседании диссер-

тационного совета Д 212.166.07 в Нижегородском государственном университете им. Н.И.Лобачевского (603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп.4, ауд. 201).

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан " 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент

Черепенников В.В.

лГо9

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена развитию интерферометрических методов диашосгики [урбуленшых потоков и разработке способов повышения их информативности при определении параметров турбулентной среды. Проведен теоретический и численный анализ спектральных и корреляционных характеристик отклика интерферометра на излучение, распространяющееся в неоднородной нестационарной турбулентной среде. Представлены результаты экспериментов по исследованию неоднородностей электронной концентрации плазмы солнечного ветра методом радиопросвечивания с использованием радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (РСДБ) и результаты лабораторных интерферометрических экспериментов по зондированию турбулентного водного потока шумовым ультразвуковым сигналом с целью исследования флуктуаций концентрации кавитацион-ных пузырьков.

Актуальность темы диссертации

Изучение турбулентных сред и исследование их влияния на распространяющееся излучение является традиционным направлением радиофизики. Важное практическое значение имеет развитие методов дистанционной диагностики, служащих для получения информации о параметрах среды распространения и их динамике. Основной метод дистанционной диагностики среды - метод зондирования - состоит в приеме сигналов, прошедших через исследуемую среду, и анализе эффектов модуляции фазы, амплитуды и частоты радиоволны, вызванных неодно-родностями среды распространения. Перспективным направлением в данной области исследований является использование интерферометров. Интерферометри-ческий метод диагностики сред может применяться для изучения турбулентных потоков в естественных условиях (океанских течений, газовых и плазменных потоков в ближнем и дальнем космосе) и в искусственно созданных струях, пограничных слоях, плазменных образованиях.

Особый интерес представляет исследование космических сред - ионосферы Земли, короны Солнца, межпланетной и межзвездной среды. Околосолнечная плазма и плазма солнечного ветра оказывают наибольшее влияние на проходящее через них излучение, что сказывается на результатах радиоастрономических и аст-рометрических наблюдений. Исследование этих сред имеет большое значение и для решения проблем физики солнечно-земных связей.

В настоящее время диагностика межпланетной и околосолнечной плазмы осуществляется радиоастрономическими способами, основанными на методе радиопросвечивания: методом мерцаний, методом радиозондирования среды сигналами космических аппаратов с приемом наземным радиотелескопом, а также методом доплеровской большебазовой интерферометрии (ИББ). В последнее десятилетие в этой области исследований находят применение методы широкополосной радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). В данной работе рассматриваются возможности применения ИББ- и РСДБ-инструментов в задаче дистанционной диагностики солнечного ветра с целью определения параметров турбулентной среды - скорости солнечного ветра и показателя пространственного спектра флуКТуаЦИЙ ЭЛеКТрОННОЙ концентрации ппячч^нчцмяиипгп Петр?

рос национальная! 1 библиотека i

1 СПвт^бу

Использование интерферометрических методов оказывается незаменимым в тех случаях, когда на применение традиционных методов дистанционной диагностики накладываются ограничения. Метод интерферометрического приема позволяет исследовать неоднородности флуктуации электронной концентрации с характерными размерами, сравнимыми с длиной базы интерферометра и значительно превышающими масштабы, доступные методу мерцаний. Так как в РСДБ длины базовых линий принимают значения от нескольких десятков километров до нескольких тысяч километров (или десятков тысяч километров при использовании наземно-космических инструментов), то диапазон наблюдений расширяется как в сторону "слабых" мелкомасштабных неоднородностей, так и в сторону крупных интенсивных неоднородностей среды. Информативность наблюдений возрастает при одновременных измерениях на многоантенных интерферометрических комплексах, содержащих базы различной длины и ориентации. При использовании РСДБ данные могут быть получены при приеме как монохроматических сигналов от космических аппаратов, так и широкополосного излучения естественных радиоисточников. Учитывая, что запуски космических аппаратов дороги и не регулярны, весьма ценной представляется возможность проводить диагностику плазмы солнечного ветра, не привязываясь к моменту пролета космического аппарата в интересующей области.

Выходным сигналом интерферометра является результат перемножения волновых полей в двух пунктах интерферометра, которое выполняется, вообще говоря, разными способами для ИББ- и РСДБ-методов. Если корреляционные характеристики флуктуаций разности фаз в двух точках в теории рассеяния волн в турбулентной среде рассмотрены достаточно подробно, то анализу корреляции комплексных полей с учетом пространственного разноса приемников внимания практически не уделялось. В большинстве работ при рассмотрении воздействия среды на сигнал интерферометра исследовались либо флуктуации интенсивности выходного сигнала инструмента, либо флуктуации разности фаз сигналов, принятых в пунктах интерферометра. Несмотря на то, что первые интерферометрические эксперименты по просвечиванию среды шумовым широкополосным излучением космических радиоисточников и сигналами космических аппаратов были проведены достаточно давно, выражения для спектра мощности выходного сигнала интерферометра, содержащего как фазовые так и амплитудные флуктуации принятого излучения, не было получено. Данное обстоятельство свидетельствует о важности построения адекватной модели эксперимента для создания полноценного универсального радиоинтерферометрического метода диагностики среды. Цель диссертационной работы:

Цель данной работы - развитие интерферометрических методов диагностики турбулентных потоков и разработка способов повышения их информативности при определении параметров турбулентной среды.

С этой целью решались следующие задачи:

1) анализировалось распространение излучения в неоднородной среде и влияние этой среды на выходной сигнал интерферометра;

2) разрабатывался способ восстановления информации о среде распространения по спектральному составу сигнала интерферометра;

3) выполнялось экспериментальное исследование возможностей рассматриваемого метода, а именно:

- осуществлены лабораторные интерферометрические эксперименты по зондированию турбулентной водной среды в гидродинамическом бассейне;

- реализованы РСДБ-эксперименты по радиопросвечиванию плазмы солнечного ветра излучением космических радиоисточников.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Получены выражения для корреляционной функции выходного сигнала интерферометра в зависимости от толщины слоя неоднородностей и от пространственно-временного спектра турбулентных пульсаций при расчетах с применением неквазистатического анализа методом нестационарной геометрической оптики с учетом фазовых и амплитудных флуктуаций поля волны. Указанные соотношения получены для двух способов корреляции сигналов: РСДБ-метода, позволяющего исследовать среду при просвечивании ее широкополосным шумовым излучением, и для ИББ-метода, основанного на зондировании среды монохроматическими сигналами.

2. Получены выражения для спектра мощности сигнала РСДБ и ИББ-интерферометров при расчетах в приближении модели "замороженного" потока в предельных случаях сильных и слабых фазовых флуктуаций.

3. Впервые выполнены акустические интерферометрические эксперименты по исследованию неоднородностей флуктуаций концентраций кавитационных пузырьков в водном потоке, которые подтвердили работоспособность предложенного метода при измерении скорости дрейфа неоднородностей и показателя пространственного спектра флуктуаций параметра среды.

4. В результате РСДБ-экспериментов по исследованию плазмы солнечного ветра впервые независимо друг от друга измерены значения скорости солнечного ветра У± = 342 ± 17 км/с и показателя пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации р = 3.57 ± 0.06 в области масштабов неоднородностей от 2000 до 9000 км. Указанные значения параметров турбулентности совпадают с данными, полученными другими методами, и подтверждают применимость гипотезы "вмороженности" и спектра Колмогорова для описания пространственно-временных изменений в солнечном ветре в области установившегося течения плазмы (Я > 40 Я®, Я® - радиус Солнца) при исследовании неоднородностей с масштабами, сравнимыми с длинами базовых линий интерферометра. Научная новизна результатов:

В работе впервые выполнен детальный анализ спектра мощности флуктуаций поля сигнала интерферометрического комплекса при приеме излучения, прошедшего через турбулентную среду. Все расчеты проведены на основе строгой теории рассеяния волн в турбулентной среде, учитывающей макроскопическое движение и нестационарность среды, в отличие от большинства работ, в которых при описании распространения излучения учет временных изменений параметров проводится в квазистатическом приближении.

Акустический интерферометрический эксперимент по зондированию турбулентного водного потока ультразвуковым шумовым сигналом осуществлен впервые.

РСДБ-метод применен для экспериментального изучения пространственно-временной структуры неоднородностей плазмы солнечного ветра в области пространственных масштабов от 1 тысячи до 10 тысяч километров. Впервые измерения скорости солнечного ветра и показателя пространственного спектра выполнены независимо друг от друга в области масштабов неоднородностей, сравнимых с длиной базы интерферометра. Достоверность научных результатов:

Построение модели радиоинтерферометрического эксперимента для исследования турбулентных сред и разработка способа восстановления информации о среде распространения стали возможными благодаря комплексному подходу к решению поставленной задачи, который включал как теоретические, так и экспериментальные методы исследования. Достоверность результатов теоретических расчетов подтверждается использованием апробированных методов нестационарной геометрической оптики и метода плавных возмущений, а также сопоставлением результатов аналитического решения с результатами, полученными ранее в частных случаях, с результатами численного анализа и рёзультатами экспериментальных работ. Так, выражения для корреляционной функции сигнала интерферометра при одном из способов обработки в предельном случае (при равенстве нулю длины базы интерферометра) переходят в известные соотношения для спектральных характеристик одиночных антенн. Результаты, полученные методом геометрической оптики и методом плавных возмущений, согласуются между собой в случае, когда дифракционные эффекты незначительны.

Достоверность оценок параметров турбулентной водной струи дистанционным интерферометрическим методом подтверждается совпадением полученных значений с прямыми измерениями. Результаты РСДБ-экспериментов по просвечиванию околосолнечной плазмы шумовым излучением удаленных радиоисточников согласуются с выводами теоретического анализа. Данные, измеренные в ходе РСДБ-экспериментов, не противоречат сведениям, полученным другими методами. Практическая значимость:

Применение интерферометра для диагностики различных турбулентных сред (межпланетной и межзвездной плазмы, земной атмосферы, атмосфер планет, хвостов комет, гидродинамических потоков и т.д.) является перспективным направлением современных экспериментальных исследований. Важное практическое значение имеет использование этого метода для получения информации о свойствах солнечного ветра, определяющего многие геофизические процессы и состояние околоземного космического пространства. Результаты работы могут быть применены при акустическом зондировании атмосферной и гидродинамической турбулентности.

Выводы выполненного теоретического анализа формирования отклика интерферометра на излучение удаленных источников, прошедшее через турбулентную среду, позволяют исследовать среду, опираясь на полученные соотношения для спектральных и корреляционных характеристик сигнала интерферометра. Показана возможность оценки интенсивности флуктуации принятого излучения, скорости исследуемого потока и получения информации о пространственной структуре неоднородностей среды.

В процессе обработки экспериментальных данных сделан анализ ограничений, накладываемых плазмой солнечного ветра на работу РСДБ-систем в дециметровом диапазоне длин волн, которые должны учитываться при составлении программы наблюдений с использованием наземных и наземно-космических радиоинтерфе-рометрических комплексов. Выработаны рекомендации для оптимального планирования интерферометрических экспериментов и обработки полученной информации, касающиеся подбора источников, пригодных для исследования солнечного ветра, длительности интервалов наблюдений, условий наблюдений в каждом приемном пункте и параметров корреляции полученных данных. Данные рекомендации использовались при планировании и проведении РСДБ-экспериментов по исследованию околосолнечной плазмы в 2005 году.

Создана и отлажена программная база для спектральной обработки сигналов интерферометра и восстановления параметров среды из анализа статистических и энергетических характеристик сигналов.

Теоретические расчеты и результаты экспериментальных работ позволяют существенно повысить эффективность интерферометрических экспериментов по исследованию турбулентной среды методом просвечивания и являются основой для дальнейшего развития методов дистанционной диагностики природных сред. Апробация работы:

По теме диссертации опубликовано 22 работы (из них 5 статей в рецензируемых журналах [1-5], 17 статей в сборниках трудов [6-22]), а также опубликованы результаты работ в виде тезисов докладов.

Основные положения и результаты исследований обсуждались на семинарах кафедры распространения радиоволн и радиоастрономии ННГУ, семинарах НИРФИ, семинаре Национальной китайской обсерватории г.Урумчи (Китай) и докладывались на российских и международных конференциях по радиоастрономии, радиоинтерферометрии, акустике и др.:

- Научная конференция по радиофизике, ННГУ, Нижний Новгород (1999, 20012005);

- Ежегодная сессия Российского акустического сообщества (Москва, 2003, 2005; Нижний Новгород, 2004);

- Школа-семинар молодых радиоастрономов «Радиоастрономия в космосе» (Пу-щино, 1998);

- Конференция молодых европейских радиоастрономов (XXXI Young European Radio Astronomers Conference) (Англия, 1999);

- Всероссийская Астрономическая конференция (ВАК) (Санкт-Петербург, 2001);

- XX Всероссийская научная конференции "Распространение радиоволн" (Нижний Новгород, 2002);

- Всероссийская научная конференция "Физика радиоволн" (Томск, 2002);

- Научная конференция стран СНГ и Прибалтики "Активные процессы на Солнце и звездах" (Санкт-Петербург, 2002);

- 10-ая Европейская конференция по солнечной физике "Солнечная переменность: от ядра до внешних границ"( 10th. European Solar Physics Meeting, "Solar Variability: From Core to Outer Frontiers") (Чехия, 2002);

- Конференция стран СНГ и Прибалтики "Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности" (Нижний Новгород, 2003);

- Школа-семинар "Космическая погода: проблемы и достижения" (INTAS 20000752 Summer-School "Space Weather: Problems and Achievements") (Нижний Новгород, 2003);

- Школа-семинар по физике "Фундаментальные процессы в турбулентной плазме" (European Summer School "Basic Processes of Turbulent Plasmas") (Греция, 2003);

- Симпозиум международного астрономического союза (223th symposium of the international astronomical union, IAU 223) (Санкт-Петербург, 2004);

- 7-ой Симпозиум европейской РСДБ-сетй по исследованиям и технологиям в области РСДБ (7th European VLBI Network Symposium on VLBI Scientific Research & Technology) (Испания, 2004).

Личный вклад автора:

Теоретический расчет спектрально-корреляционных характеристик сигнала интерферометра выполнен автором.

Лабораторные эксперименты по зондированию турбулентного потока в гидродинамическом бассейне проводились при участии автора. Обработка экспериментальных данных выполнена автором.

РСДБ-эксперименты по исследованию солнечного ветра 1994-2005 гг., описанные в третьей главе диссертации, проводились при участии автора: автор принимал участие в составлении программ и расписаний многоцелевых РСДБ-сеансов и непосредственно в наблюдениях на российских РСДБ-пунктах. Вторичная (спектральная) обработка и интерпретация результатов выполнена автором.

Математическое и программное обеспечение для численного анализа сигнала интерферометра и для спектральной обработки данных акустических и РСДБ- экспериментов по исследованию турбулентной среды создано автором. Благодарности:

Автор искренне благодарит научного руководителя В.Г.Гавриленко за руководство и всестороннюю помощь в работе. Автор признателен В.А.Алимову за ценные консультации, соавторство в ряде статей и благожелательное отношение к данной работе. Автор благодарит соавторов статей И.Е.Молотова, А.Б.Пушкарева, Ю.Н.Горшенкова, А.И.Мартьянова, Л.М.Кустова, П.Н.Вьюгина. Автор выражает сердечную благодарность сотрудникам НИРФИ Н.А.Дугину, А.Ф.Дементьеву,

A.А.Антипенко, О.А.Шейнер, С.Д.Снегиреву, В.М.Фридману, В.Э.Резниковой,

B.Ф.Мельникову, Ю.В.Тихомирову за обсуждение вопросов, касающихся темы диссертации, и поддержку, которую автор постоянно чувствовал на протяжении работы. Автор благодарит сотрудников российских и зарубежных радиотелескопов, от слаженной работы которых зависит осуществление радиоинтерферометри-ческих экпериментов. Результаты РСДБ-сеансов 1994-2004 гг. Низкочастотной РСДБ-сети LFVN (Low Frequency VLBI Network) автор использовал в своей диссертации. Основные работы по радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой в НИРФИ на протяжении многих лет осуществлялись благодаря Б.Н.Липатову. Автор с теплотой и благодарностью вспоминает Б.Н.Липатова, который положил начало данной работе.

Краткое содержание диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы Работа содержит 52 рисунка, 2 таблицы и список из 68 библиографических описаний. Общий объем диссертации составляет 150 страниц.

Во Введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы, основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание работы.

В Главе 1 и Главе 2 выполнен детальный анализ спектра мощности отклика интерферометра на излучение, прошедшее через турбулентную среду. Теоретическое рассмотрение интерферометрического метода проводилось на примере просвечивания плазмы солнечного ветра электромагнитными волнами, но многие полученные результаты справедливы и для волн другой природы, что подтверждается экспериментальными исследованиями, описанными в Главе 3.

В диссертации рассматриваются два интерферометрических метода, отличающиеся способом обработки сигналов: метод радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), позволяющий исследовать среду при просвечивании ее широкополосным излучением, и метод доплеровской большебазовой интерферометрии (ИББ), применяемый при зондировании среды монохроматическими сигналами. В тексте под названиями РСДБ и ИББ предполагаются только способы корреляции сигналов, которые могут использоваться на интерферометрах с различными базовыми линиями (не только со сверхдлинными).

Опираясь на основные соотношения, полученные в Главах 1 и 2, выполнен численный расчет спектральных и корреляционных характеристик выходного сигнала радиоинтерферометра. Результаты расчетов подтвердили первоначальные выводы теоретического анализа и позволили выявить некоторые другие тонкие детали рассматриваемых моделей. Графики, представляющие результаты расчетов, сопровождают теоретический анализ в первых двух главах.

В Главе 1 подробно рассмотрены процессы прохождения сигналов в трактах РСДБ-интерферометра и их корреляционной и спектральной обработки. Процедура корреляции сигналов, характерная для радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, состоит в перемножении между собой относящихся к одному и тому же волновому фронту излучения полей сигналов, принятых разнесенными антеннами. Применение данного способа перемножения сигналов позволяет получать информацию о параметрах среды при зондировании ее как монохроматическими сигналами космических аппаратов, так и широкополосным излучением естественных радиоисточников. В этом случае не требуется высокой степени когерентности сигналов, так как на выходное интерференционное колебание влияют только относительные фазовые флуктуации, возникающие на двух трассах распространения, а фазовые нестабильности исходного сигнала не имеют значения.

Исследовалась временная автокорреляционная функция результата перемножения, которая является пространственно-временной функцией когерентности четвертого порядка для комплексных полей в пунктах приема и связана преобразованием Фурье со спектром мощности сигнала интерферометра.

Рассматривался случай распространения коротковолнового излучения в 1урбу-лентной среде с крупными хаотическими неоднородностями. Корреляционная функция поля выходного сигнала и спектр мощности вычислялись, исходя из строгой теории рассеяния волн в турбулентной среде, учитывающей макроскопическое движение, неоднородность и нестационарность среды распространения. Обычно при описании распространения излучения в турбулентных средах принимаются во внимание только случайные изменения параметров среды в пространстве, при этом временные вариации параметров описываются в квазистатическом приближении, а в конечных соотношениях восстанавливается через пространственную структуру по "гипотезе вмороженности". В диссертационной работе применен последовательно неквазистатический подход, который оказывается важным при описании распространения волн в средах с большими средними и флуктуаци-онными скоростями течения, так как воздействие движения материальной среды и ее нестационарности может быть значительным и вызывать качественные изменения статистических характеристик излучения.

Вывод выражений для корреляционной функции флуктуаций поля выходного сигнала РСДБ и спектра мощности проводился двумя способами: методом геометрической оптики и методом плавных возмущений. В пределах применимости этих методов флуктуации амплитуды должны быть малы по сравнению с флуктуация-ми фазы, что позволяет упростить расчеты. Тем не менее, для полноты анализа расчет был выполнен с учетом корреляции между флуктуациями амплитуды и фазы; данный подход позволил выявить тонкую структуру спектра мощности выходного сигнала интерферометра. Отметим, что предположение о слабых амплитудных флуктуациях выполняется при просвечивании дециметровым излучением околосолнечного пространства на гелиоцентрических расстояниях Я > 15/?® (Я® -радиус Солнца). При прохождении трассы просвечивания в области, более близкой к Солнцу, где амплитудные флуктуации достаточно сильные, необходимо использовать приближения модели хаотического фазового экрана.

Результатом проведенного теоретического анализа сигнала инструмента являются впервые выведенные соотношения для корреляционной функции сигнала интерферометра. Далее вводились некоторые упрощения: учет временных изменений в плазме солнечного ветра выполнялся с использованием гипотезы вмороженности, предполагающей движение неоднородностей среды с постоянной скоростью. Пространственные изменения в среде описывались степенным спектром, справедливым в широкой области масштабов неоднородностей, ограниченной внутренним и внешним масштабами турбулентности.

Проанализированы способы восстановления параметров среды распространения - скорости дрейфа неоднородностей и показателя пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации - из спектра мощности поля выходного сигнала инструмента. С этой целью рассматривались предельные случаи распространения излучения при сильных и слабых возмущениях разности фаз. Вводимые допущения в рассматриваемую модель позволили получить аналитические соотношения и описать спектр мощности поля простыми выражениями, явно содержащими параметры среды. Разобраны случаи различной ориентации проекции базовой линии относительно скорости переноса неоднородностей.

Получено, что в случае сильных фазовых возмущений спекф мощности является функцией Гаусса независимо от вида пространственного спектра. Смещение максимума спектра по оси частот определяется корреляцией амплитудных и фазовых флуктуаций, полуширина спектра представляет собой дисперсию флуктуации частоты интерференции и пропорциональна интенсивности флуктуаций фазы.

Показано, что при слабых флуктуациях фазы спектр мощности поля имеет вид степенной спадающей осциллирующей функции и соответствует спектру мощности флуктуаций разности фаз сигналов в двух пунктах интерферометра. Рассмотренный метод позволяет делать оценки показателя пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации и скорости солнечного ветра при известной геометрии эксперимента. Спектральный индекс огибающих спектра на двух участках в низкочастотной и высокочастотной области связан простыми соотношениями с показателем пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации, что позволяет определять этот параметр по экспериментально измеренным спектрам. Скорость дрейфа неоднородностей среды оценивается по частоте пересечения огибающих спектра. При известной ориентации исследуемого потока относительно проекции базы интерферометра на плоскость волнового фронта измерение скорости возможно по частотам экстремумов на "крыльях" спектра, которые зависят только от отношения скорости дрейфа неоднородностей к проекции базовой линии. В отличие от метода слабых амплитудных мерцаний, в котором определяется скорость дрейфа и спектральный индекс для неоднородностей с размерами в десятки - сотни километров, в случае РСДБ-приема речь идет об измерении этих параметров на масштабах, равных проекциям баз интерферометров -в сотни - тысячи километров.

В Главе 2 выполнен анализ спектра мощности флуктуаций поля сигнала интерферометра с большой базой (ИББ) при приеме монохроматических сигналов, излучаемых космическим аппаратом, прошедших через плазму солнечного вегра. В экспериментах с использованием метода ИББ применяется процедура корреляции принятых сигналов, позволяющая исследовать параметры среды только при строгой монохроматичности первоначального излучения: в отличие от процесса корреляции при РСДБ-приеме, описанного в Главе 1, пространственно-временная корреляционная функция находится как результат перемножения сигналов, принятых в пунктах интерферометра, с некоторым временным сдвигом, и дальнейшим усреднением. В Главе 2 подробно рассматривается процесс формирования сигнала инструмента и выводятся выражения для корреляционных и спектральных характеристик сигнала инструмента при тех же основных положениях, которые использовались в Главе 1.

Описание рассеяния волн осуществлялось с применением неквазистатического анализа методом нестационарной геометрической оптики и методом плавных возмущений. Расчет проводился с учетом фазовых и амплитудных флуктуаций сигнала инструмента. Результатом анализа являются полученные соотношения для пространственно-временной корреляционной функции, которая является функцией корреляции второго порядка для полей в приемных пунктах интерферометра.

Использование гипотезы вмороженности для учета временных изменений параметра среды и описание структуры плазмы степенным пространственным спек-

тром позволили упростить расчеты и вывести выражения для корреляционной функции поля сигнала в зависимости от параметров турбулентной среды. Получен вид спектра в предельных случаях сильных и слабых флуктуаций разности фаз. Проведено сравнение корреляционных и спектральных характеристик сигнала интерферометра, полученных методом РСДБ и методом ИББ.

Показано, что при сильных фазовых флуктуациях огибающая спектра является функцией Гаусса, как и при РСДБ-приеме, но при этом спектр имеет высокочастотное заполнение, зависящее от соотношения скорости и длины базы интерферометра. При слабых флуктуациях разности фаз спектр мощности описывается спадающей осциллирующей функцией. В отличии от спектра РСДБ, описанного в первой главе, спектр ИББ не содержит перегиба. В том случае, если поперечная проекция базы направлена вдоль скорости переноса неоднородностей, по спектральному индексу спектра мощности измеряется показатель пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации. По положению локальных максимумов на "крыльях" спектра можно делать оценки скорости солнечного ветра.

Рассмотрен случай распространения излучения в «многомасштабной» среде в предположении, что крупномасштабные неоднородности дают определяющий вклад в сильные фазовые флуктуации проходящего излучения, а мелкомасштабные неоднородности формируют слабый фазовый фон возмущений в проходящем излучении. Показано, что при приеме двухэлементным интерферометром излучения после дифракции его в многомасштабной среде должен наблюдаться частотный спектр с гауссовой формой основной спектральной линии и "крыльями", имеющими форму спадающего степенного спектра, вообще говоря, с различными показателями в зависимости от ориентации базы интерферометра относительно направления дрейфа "вмороженных" неоднородностей среды.

Глава 3 посвящена интерферометрическим экспериментам по зондированию неоднородных сред. Результаты теоретического анализа сигнала интерферометра при приеме излучения, прошедшего через турбулентную среду, показывают целесообразность использования метода РСДБ в задаче дистанционной диагностики природных сред. Экспериментальные работы, необходимые для отладки метода и подтверждения его работоспособности, проводились в двух направлениях.

В разделе 3.1 описаны эксперименты по исследованию параметров плазмы солнечного ветра при широкополосном РСДБ-приеме излучения внегалактических радиоисточников в дециметровом диапазоне длин волн. В начале главы приводится краткий обзор РСДБ-экспериментов по исследованию космических сред. Далее обсуждаются результаты международных РСДБ-сессий, проведенных с участием НИРФИ в 1994-1996 и 1999-2000 годах на длинах волн 6 см, 18 см, 92 см. В экспериментах были задействованы (в разных комбинациях) следующие радиотелескопу: Медвежьи Озера (РТ-64, ОКБ МЭИ, Россия), Пущино (РТ-22, ПРАО АКЦ ФИАН), Уссурийск (РТ-70, РНИИ КП), Светлое (РТ-32, ИПА РАН, Россия), Евпатория (РТ-70, НЦУИКС, Украина), ХартРАО (РТ-25, Южная Африка), Ното (РТ-25, Италия), Шанхай (РТ-25, Китай), ОМ11Т (РТ-45, Индия), радиотелескопы УЬВА-сети (ИКАО, США) и др. Исследовалась пространственная область с установившимся течением солнечного ветра на гелиоцентрических расстояниях от 3 до 170 градусов, где выполняются предположения гипотезы "вмороженности".

Данные экспериментов были обработаны и сопоставлены с выводами теоретического анализа. При интерпретации результатов использовалось предположение о распространении излучения в "многомасштабной" турбулентной среде. По ширине спектра мощности выполнялся анализ интенсивности сильных крупномасштабных неоднородностей. Анализ формы «крыльев» спектров позволил сделать выводы о распределении слабых мелкомасштабных неоднородностей.

Проанализированы зависимости ширины спектра от гелиоцентрического расстояния трассы зондирования и от угла между проекцией базы на фронт волны и скоростью солнечного ветра. Несмотря на то, что в случае сильных флуктуации фазы описанный метод не дает количественной точной информации о параметрах среды, предоставляется возможность качественной интерпретации крупномасштабной пространственной структуры по относительному уширению спектральных откликов интерферометра. По результатам обработки были выдвинуты предположения о наличии вытянутых (на несколько сотен тысяч километров) вдоль направления солнечного ветра областей повышенной интенсивности флуктуаций электронной концентрации с поперечными размерами 1500-2000 км. Сделан анализ ограничений, накладываемых плазмой солнечного ветра на работу РСДБ-систем в дециметровом диапазоне длин волн: влияние неоднородностей околосолнечной плазмы на работу РСДБ-систем существенно в области угловых расстояний от Солнца от 3 до 30 градусов в диапазоне 1665 МГц и от 13 до 80 градусов в диапазоне 327 МГц; при меньших угловых расстояниях источников от Солнца фазовая когерентность сигналов полностью нарушается. Эти результаты важны при планировании РСДБ-экспериментов в указанных диапазонах частот.

Выполнялась оценка показателя пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации по измерениям спектрального индекса экспериментальных спектров мощности сигнала интерферометра. Скорость солнечного ветра определялась по частоте излома спектра. По результатам эксперимента 2000 г. при анализе наблюдений 6 источников на 3-х базовых линиях получено среднее значение скорости солнечного ветра, которое составляет У± - 342 ± 17 км/с , и среднее значение спектрального индекса: р = 3.57 ± 0.06 . Данная величина близка к значению индекса спектра Колмогорова, который равен рк = П'З, и согласуется с экспериментальными результатами исследований солнечного ветра, выполненных различными методами. Примененный метод впервые позволил оценить скорость солнечного ветра и показатель пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации независимо друг от друга в области масштабов от 2000 до 9000 км, в отличие от других интерферометрических экспериментов, в которых эти параметры взаимозависимы - при оценках одного из этих параметров второй предполагается известным. Полученные значения спектрального индекса и скорости позволяют подтвердить применимость гипотезы "вмороженности" и спектра Колмогорова для описания пространственно-временных изменений в солнечном ветре на больших расстояниях от Солнца Я > 40Я® .

В процессе анализа результатов экспериментов были выработаны рекомендации для оптимального планирования и обработки полученной информации, касающиеся подбора источников, пригодных для исследования солнечного ветра,

длительности интервалов наблюдений, условий наблюдений в каждом приемном пункте и параметров корреляции полученных данных, а таЮке создана и отлажена программная база для спектральной обработки сигналов интерферометра, искаженных воздействием возмущенной среды.

В разделе 3.2 представлены результаты лабораторных экспериментов по зондированию возмущенной водной-среды ультразвуковым сигналом с использованием интерферометрического приема. С целью отработки процедуры радиоинтерфе-рометрического метода исследования турбулентной среды и дальнейшего применения его в природных средах, представлялось целесообразным осуществить модельный эксперимент в лаборатории с возможностью изменять условия проведения измерений для выявления особенностей метода. Рассматриваемый интерфе-рометрический метод может быть успешно применен для исследования неодно-родностей концентрации кавитационных пузырьков в турбулентном водном потоке. Рассмотрение этого вопроса было интересно тем, что в акустике метод широкополосного интерферометрического приема для диагностики возмущенной водной среды ранее не применялся.

В гидродинамическом бассейне кафедры акустики ННГУ была создана специальная установка и проведены интерферометрические эксперименты по зондированию ультразвуковыми сигналами возмущенного водного потока. В первой серии экспериментов исследовались параметры турбулентности затопленной водяной струи, созданной с помощью кавитирующего сопла насоса в заполненном водой бассейне. Во второй серии работ проводилось зондирование водного потока, заключенного в звукопроницаемую оболочку. Ультразвуковой сигнал распространялся через турбулентный поток от излучателя до двух приемников интерферометра. Исследуемым параметром среды являлась концентрация кавитационных пузырьков. При обработке сигналов использовалась процедура корреляции сигналов, применяемая в РСДБ; результатом обработки сигналов являлся спектр мощности. Измерения проводились при слабых флуктуациях разности фаз сигналов, принятых двумя приемниками.

Проведено сравнение спектров мощности сигнала интерферометра, полученных при зондировании струи монохроматическим и шумовым излучением. Показано, что спектры совпадают с достаточной точностью, а это означает, что их вид, как и ожидалось, определяется в первую очередь турбулентными пульсациями в потоке. Тестовые эксперименты по зондированию среды монохроматическим сигналом с приемом его в одной точке показали, что созданная установка и предложенный метод анализа позволяют выявить ожидаемые различия спектров мощности, измеряемых при интерферометрическом и однопунктовом приеме.

По анализу экспериментальных спектров сигнала интерферометра, полученных в двух сериях работ, были сделаны оценки показателя пространственного спектра флуктуаций концентрации кавитационных пузырьков. Измерение скорости потока в трубе выполнено по частоте осцилляций, четко выраженных на крыльях спектров, периодичность которых по оси частот определяется отношением скорости потока к базе интерферометра и согласуется с заданной моделью. Предложен и апробирован метод оценки скорости струи, распространяющейся в открытом пространстве бассейна, при учете неоднородности распределения скорости по ширине

струи. Результаты, полученные дистанционным способом, согласуются с прямыми измерениями скорости потока.

Выполненные эксперименты полностью подтверждают работоспособность рассматриваемого метода определения индекса пространственного спектра флуктуации концентрации кавитационных пузырьков и скорости потока. Полученные при этом результаты имеют самостоятельное значение для выяснения особенностей процессов кавитации и развития турбулентности в затопленных водяных струях.

В Заключении приведены сведения об апробации работы и сформулированы основные результаты диссертации: * 1. В результате теоретического анализа корреляционных и спектральных ха-

рактеристик сигнала интерферометра, проведенного при последовательно неква-зистатическом учете временных изменений параметров среды, получены следующие результаты:

- рассчитан вид автокорреляционной функции выходного сигнала инструмента для двух случаев: при описании распространяющихся волн методом геометрической оптики и методом плавных возмущений;

- проведено сравнение процедуры формирования сигнала РСДБ-интерферометра при приеме широкополосного излучения и сигнала ИББ-интерферометра при приеме монохроматического излучения;

- выведены соотношения для спектра мощности сигнала интерферометра в приближении сильных и слабых флуктуаций разности фаз принятого излучения для двух процедур преобразования сигналов;

- показано, что вид спектра мощности существенно зависит от величины флуктуаций разности фаз:

- при сильных флуктуациях разности фаз спектр имеет вид гауссовой кривой, частота максимума которой определяется корреляцией между флуктуациями амплитуды и фазы волны, а ширина зависит от средней скорости потока и от интенсивности флуктуаций разности фаз;

- при слабых флуктуациях разности фаз спектр мощности достаточно просто, но различным образом для двух разобранных способов обработки сигнала (ИББ и РСДБ), определяется пространственным спектром турбулентности неодно-родностей среды;

С - предложены способы восстановления параметров среды (скорости дрейфа

неоднородностей и показателя пространственного спектра) из спектра мощности поля выходного сигнала инструмента.

2. Проведен численный расчет автокорреляционной функции и спектра мощности выходного сигнала РСДБ- и ИББ- интерферометров при приеме излучения, прошедшего через турбулентную среду. Результаты расчетов подтверждают основные выводы теоретического анализа, касающиеся определения параметров плазмы солнечного ветра - показателя пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации и скорости солнечного ветра в области зондирования.

3. Осуществлены лабораторные интерферометрические эксперименты по зондированию турбулентной струи ультразвуковым излучением в открытом водном пространстве гидродинамического бассейна и потока, протекающего в трубе. По-

лучено, что результаты экспериментов удовлетворительно согласуются с выводами теоретического анализа. Обработка экспериментальных данных показала следующее:

- при зондировании потока шумовыми и монохроматическими сигналами в случае интерферометрического приема получаются результаты, совпадающие в пределах точности эксперимента;

- продемонстрировано хорошее качественное и количественное соответствие спектров, полученных в результате экспериментов, и спектров, рассчитанных по теоретической модели с учетом неоднородностей средней скорости в сечении струи;

- показана возможность экспериментального определения показателя пространственного спектра турбулентных флуктуаций концентрации кавитационных пузырьков;

- предложены и апробированы методы бесконтактного определения скорости потока на оси затопленной струи и скорости потока, заключенного в трубу.

4. Проведены РСДБ-эксперименты по исследованию плазмы солнечного ветра методом радиопросвечивания ее излучением естественных радиоисточников в широких диапазонах угловых расстояний относительно Солнца. Наблюдения осуществлялись в дециметровом диапазоне длин волн на базе международных РСДБ-комплексов. По результатам обработки сделаны следующие выводы:

1) Выполнена интерпретация крупномасштабной пространственной структуры распределения неоднородностей среды по относительному уширению спектральных откликов интерферометра на излучение, прошедшее через околосолнечную плазму, от источников, расположенных на различных угловых расстояниях и позиционных углах относительно Солнца, в т.ч.:

- сделано предположение о наличии «струйной» структуры плазмы солнечного ветра в виде областей повышенной интенсивности флуктуаций электронной концентрации, вытянутых вдоль радиального направления от Солнца с продольными размерами порядка 200 тысяч километров и с поперечными размерами 1.52.0 тысячи километров;

- сделан анализ ограничений, накладываемых околосолнечной плазмой на работу РСДБ-систем в дециметровом диапазоне длин волн.

2) Измерены показатель пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации р = 3.57 ±0.06 и скорость солнечного ветра Ух = 342 ± 17 км/с в области гелиоцентрических дистанций 10° < в < 51 °. Указанные параметры турбулентности впервые измерены независимо друг от друга и совпадают с данными, полученными другими методами, что позволяет утверждать справедливость рассматриваемого метода, а также подтвердить применимость гипотезы "вморожен-ности" и спектра Колмогорова для описания пространственно-временных изменений в солнечном ветре в области установившегося течения плазмы (Я > 407?^) при исследовании неоднородностей с масштабами, сравнимыми с длинами базовых линий интерферометра.

Полученные результаты свидетельствуют о работоспособности предложенного метода и пригодности его для диагностики различных природных сред.

Основные публикации по теме диссертации:

|1] Гирин И.А., Дементьев А.Ф., Липатов Б.Н., Лихачев С.Ф, Молотов И.Е., Нечаева М.Б., Снегирев С.Д., Тихомиров Ю.В., Чуприков А.А. Радиоинтерферометрические исследования тонкой структуры сверхкомпактных внегалактических источников и космических сред в дециметровом диапазоне длин волн //Изв.ВУЗ. Радиофизика, 1999г., XLII, №12, с 11271135

[2] В.И.Алтунин, А.Ф.Дементьев, Б.Н.Липатов, М.Б.Нечаева, В.А.Окмянский, С.Д.Снегирев, Ю.В.Тихомиров. Исследования неоднородностей плазмы солнечного ветра методом РСДБ на длинах волн 18 и 92 см в 1994-1996 гг. //Известия вузов. Радиофизика, 2000 г., T.XL1II, №3, с. 197-206.

[3] Гавриленко В.Г., Липатов Б.Н., Нечаева М.Б Анализ отклика радиоинтерферометра со сверхдлинной базой на излучение радиоисточника, прошедшее через околосолнечную плазму. //Известия вузов. Радиофизика, 2002 г., XLV, №6, с.459-472.

|4] В А.Алимов, В.Г.Гавриленко, Б.Н.Липатов, М.Б.Нечаева. О форме частотного спектра флуктуирующего излучения при интерферометрическом приеме в экспериментах по радиозондированию Солнечной короны. // Известия вузов. Радиофизика, 2004, T.XLVII, N3, с. 167-180.

[5] I Molotov, A. Kovalenko, V. Samodurov, В. Lipatov, A. Dementiev, A Antipenko, S Snegirev, M. Nechaeva, V. Reznikova, V. Altunin, A Benz, F. Mantovani, C. Stanghellini, G.Tuccari, A. Konovalenko, I.Falkovich, A. Gridin, S. Ananthakrishnan, V. Balasubramanian, M.Sankararaman, X. Hong,X. Huang, L.Shiguang, S. Dougherty, D. Del Rizzo, A. Fink, X. Liu, W. Na, J. Zhang, A. Kus, K. Borkowski, J. Quick, G.Nicolson, I. Shmeld, Y. Koyama, M. Sekido, Yu. Gorshenkov, B. Poperechenko, V. Saurin, G. Ozolins, D.Bezrukov, X. Zhang. International Low-Frequency Very-Long-Baseline Interferometry Network Project Milestones. //Astronomica! and Astrophysical Transactions, Vol.22, Nos.4-5, August-October 2003, pp.743-752

[6] Алексеев В.A., Алтунин В.И., Дементьев А.Ф., Князев Н.А., Липатов Б.Н., Мельников В.Ф., Молотов И.Е., Нечаева М.Б., Окмянский В.А., Резникова В.Э., Снегирев С.Д., Тихомиров Ю.В. РСДБ-метод исследования неоднородностей структуры короны и солнечного ветра. // Труды конф. «Достижения и проблемы солнечной радиоастрономии», Санкт-Петербург, 1998, с.7-10.

[7] Нечаева М.Б. Исследования неоднородностей плазмы солнечного ветра методом РСДБ на длинах волн 18 и 90 см в 1994-1998 гг. // Труды третьей научной конференции по радиофизике, 7 мая 1999 г. Нижний Новгород, 1999 г., с.103-104.

[8] Гавриленко В.Г., Липатов Б.Н., Нечаева М.Б. Влияние амплитудных и фазовых возмущений, вызванных околосолнечной плазмой, на спектр отклика РСДБ-систем при приеме излучения космических радиоисточников. // Труды (пятой) научной конференции по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения А.А.Андронова. 7 мая 2001г. /Ред. А.В.Якимов. - Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2001. с.114.

[9] В.А Алимов, В.Г.Гавриленко, Б.Н.Липатов, М.Б.Нечаева Спектр мощности сигнала радиоинтерферометра со сверхдлинной базой в экспериментах по радиозондированию околосолнечной плазмы. // Труды (шестой) научной конференции по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рождения М.Т.Греховой. 7 мая 2002 г. /Ред. А.В.Якимов. - Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2002, с.87-88.

[10] В.Г.Гавриленко, Б.Н.Липатов, М.Б.Нечаева. Спектр выходного сигнала радиоинтерферометра в экспериментах по просвечиванию солнечной короны излучением космических радиоисточников. // Труды XX всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн", Нижний Новгород, 2-4 июля 2002 г., с.69-70.

[11] В А.Алимов, В.Г.Гавриленко, Б.Н.Липатов, М.Б.Нечаева. О форме частотного спектра флуктуирующего излучения при интерферометрическом приеме. // Труды XX Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн", Нижний Новгород, 2-4 июля 2002 г., с. 130.

[12] М.Б.Нечаева, В Г Гавриленко, Б Н.Липатов, В.А.Алимов. Радиозондирование солнечной короны излучением космических радиоисточников с применением радиоинтерферометра со сверхдлинной базой // Физика радиоволн: Труды Всерос научн. конф. Томск: Изд-во Том ун-та, 2002 С IV20-23

[13] Нечаева М.Б., Гавриленко В.Г., Липатов Б.Н., Алимов В.А. Анализ отклика длинноба-зового радиоинтерферометра на излучение, прошедшее через корональную плазму // Активные процессы на Солнце и звездах Труды научной конференции стран СНГ и Прибалтики. - Санкт-Петербург, 1-6 июля 2002 г , с 163

[14] М Nechayeva, V Gavrilenko, В Lipatov Influence of solar wind plasma on VLBI output signal at reception of cosmic source radiation Proc. 10th. European Solar Physics Meeting, 'Solar Variability: From Core to Outer Frontiers', Prague, Czech Republic, 9-14 September 2002 (ESA SP-506, December 2002), p.55-58.

[15] Вьюгин П H., Гавриленко В.Г., Кустов Л.М., Мартьянов А И, Нечаева М.Б Экспериментальное исследование турбулентной водной среды методом интерферометрии // Труды (седьмой) научной конференции по радиофизике, посвященной 90-летию со дня рождения В.С.Троицкого 7 мая 2003 г. /Ред. А.В.Якимов. - Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2003. с.245-246

[16] В.Г.Гавриленко, Б Н. Липатов, М.Б. Нечаева. Радиоинтерферометрический метод исследования солнечного ветра при просвечивании турбулентной плазмы излучением космического радиоисточника. /Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности. Конференция стран СНГ и Прибалтики (Нижний Новгород, 2-7 июня 2003 г.): Сборник докладов в двух томах. Т. 1 - Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2003, с.243-246.

[17] Вьюгин П Н , Гавриленко В.Г , Кустов Л.М , Мартьянов А.И., Нечаева М.Б. Корреляционные и спектральные характеристики шумового ультразвукового сигнала, прошедшего через турбулентную струю, по результатам интерференционных экспериментов в гидроакустическом бассейне //Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества. Т.1. - М.: ГЕОС, 2003. с.283-287.

[18] Вьюгин П.Н., Гавриленко В.Г., Кустов Л.М., Мартьянов А.И., Нечаева М.Б. Интерфе-рометрический эксперимент по зондированию кавитирующей турбулентной водной струи широкополосным шумовым и монохроматическим излучением. // XV сессия Российского Акустического сообщества. Сборник трудов. T.II: Акустические измерения и стандартизация. Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика океана.-М.: ПК ГЕОС, 2004, с.13-17.

[19] Nechaeva М. В., Gavrilenko V. ,G., Yu., Gorshenkov N., Lipatov B.N., Liu Xiang, Molotov I.E, Pushkarev А.,В., Shanks R. & Tuccari G VLBI-experiments on research of solar wind plasma. // Proceedings of 7th European VLBI Network Symposium on VLBI Scientific Research & Technology Toledo Spain. October 12-15, 2004, Edited by Rafael Bachiller, Francisco Colomer, Jean-Fransois Desmurs, Pablo de Vicente Observatorio Astronomico Nacional. p.333-336

[20] M.B. Nechaeva, V.G. Gavrilenko, Yu.N. Gorshenkov, B.N. Lipatov, Liu Xiang, I.E. Molotov, A.B. Pushkarev, R. Shanks. Results of Experiments on Radio Raying of Solar Wind Plasma. Multi-wavelength investigations of solar activity. // IAU Symposium 223. Proceedings of the 223th symposiun of the international astronomical union held in Saint Petersburg, Russia, June 14-19, 2004 Cambridge University Press, ISSN 1743-9213, 2004,- p.655-656.

[21] Вьюгин П.Н , Гавриленко В.Г., Кустов Л.М., Мартьянов А.И., Нечаева М.Б. Экспериментальное исследование флуктуаций концентрации кавитационных пузырьков в водяном потоке по трубе. // Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Геологическая акустика. Сборник трудов XVI сессии Российского Акустического сообщества. 14-18 ноября, 2005 г. Т 1.-М.:ГЕОС, 2005, с.84-88

[22] Вьюгин П Н , Гавриленко В.Г., Кустов Л.М , Мартьянов А.И., Нечаева М.Б. Интерфе-рометрическое исследование флуктуаций концентрации кавитационных пузырьков в водяном потоке по трубе. // Актуальные проблемы статистической радиофизики (Малаховский сборник), Нижний Новгород: Талам, 2005, Том 4, с.47-52.

Оглавление диссертации

Введение....................................................................................5

Глава 1. Отклик радиоинтерферометра со сверхдлинной базой (РСДБ) на широкополосное излучение, возмущенное турбулентной средой 25

1.1. РСДБ-метод исследования турбулентных сред...................... 25

1.2. Формирование выходного сигнала интерферометра в экспериментах

по просвечиванию солнечного ветра.................................................. 29

1.3. Расчет спектральных и корреляционных характеристик принимаемого излучения в условиях плавно-неоднородной среды............................... 37

1.3.1. Сигнал интерферометра при описании распространения излучения методом геометрической оптики....................................................... 38

1.3.2. Сигнал интерферометра при описании распространения излучения методом плавных возмущений.......................................................... 43

1.4. Спектр мощности сигнала интерферометра в частных случаях

при сильных и слабых возмущениях...................................................... 48

1.4.1. Сильные флуктуации разности фаз............................................ 50

1.4.2. Слабые флуктуации разности фаз........................................... 54

1.5. Выводы главы 1.............................................................................. 63

Глава 2. Отклик доплеровского большебазового интерферометра (ИББ)

на монохроматическое излучение............................................................... 65

2.1. Расчет спектральных и корреляционных характеристик принимаемого излучения в условиях плавно-неоднородной среды...................................... 66

2.1.1. Сигнал интерферометра при описании распространения излучения методом геометрической оптики......................................................... 67

2.1.2. Сигнал интерферометра при описании распространения излучения методом плавных возмущений........................................................ 69

2.2. Спектр мощности сигнала интерферометра в частных случаях

при сильных и слабых возмущениях......................................................... 71

2.2.1. Сильные флуктуации разности фаз.............................................. 71

2.2.2. Слабые флуктуации разности фаз............................................... 74

2.2.3. Распространение излучения в многомасштабной среде................... 78

2.3. Выводы главы 2.............................................................................. 81

Глава 3. Интерферометрические эксперименты по исследованию

турбулентных сред методом просвечивания............................................. 83

3.1. РСДБ-эксперименты по просвечиванию плазмы солнечного ветра излучением внегалактических радиоисточников...................................... 84

3.1.1. Обзор РСДБ-экспериментов по исследованию космических сред методом широкополосной радиоинтерферометрии.................................. 84

3.1.2. РСДБ-эксперименты по исследованию плазмы солнечного ветра

в 1994-1996 гг. на длинах волн 18 и 92 см.................................... 87

3.1.3. РСДБ-эксперименты по исследованию плазмы солнечного ветра

в 1999 и 2000 гг. на длине волны 18 см.............................................. 99

3.2. Экспериментальное исследование флуктуации концентрации кавитаци-онных пузырьков в турбулентной водной среде методом интерферометрии ... 114

3.2.1. Интерферометрический эксперимент по зондированию турбулентной водной струи в открытом пространстве бассейна ультразвуковым сигналом. 115

3.2.2. Интерферометрическое исследование турбулентного потока

в трубе при зондировании ультразвуковым сигналом ............... 126

3.3. Выводы главы 3....................................................................... 131

Заключение ......................................................................................... 134

Литература............................................................................................ 141

мс>9 »"■2 80 9

Нечаева Мария Борисовна

Теоретическое и экспериментальное исследование

флуктуаций волновых полей при интерферометрической диагностике турбулентных потоков

Автореферат

Подписано в печать 12.01.06 г. Формат 60x90/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1.0 Усл. п. л. 1. Тираж 100. Заказ 5555

Отпечатано в ФГНУ НИРФИ 603950, г. Нижний Новгород, ул. Б.Печерская, 25

Диссертационная работа посвящена развитию интерферометриче-ских методов диагностики турбулентных потоков и разработке способов повышения их информативности при определении параметров турбулентной среды. Проведен теоретический и численный анализ спектральных и корреляционных характеристик отклика интерферометра на излучение, распространяющееся в неоднородной нестационарной турбулентной среде. Представлены результаты экспериментов по исследованию неоднородно-стей электронной концентрации плазмы солнечного ветра методом радиопросвечивания с использованием радиоинтерферометров со сверхдлинной базой (РСДБ) и результаты лабораторных интерферометрических экспериментов по исследованию флуктуаций концентрации кавитационных пузырьков в турбулентном водном потоке.

Оглавление

Введение.

Глава 1. Отклик радиоинтерферометра со сверхдлинной базой (РСДБ) на широкополосное излучение, возмущенное турбулентной средой.

1.1. РСДБ-метод исследования турбулентных сред.

1.2. Формирование выходного сигнала интерферометра в экспериментах по просвечиванию солнечного ветра.

1.3. Расчет спектральных и корреляционных характеристик принимаемого излучения в условиях плавно-неоднородной среды

1.3.1. Сигнал интерферометра при описании распространения излучения методом геометрической оптики.

1.3.2. Сигнал интерферометра при описании распространения излучения методом плавных возмущений.

1.4. Спектр мощности сигнала интерферометра в частных случаях при сильных и слабых возмущениях.

1.4.1. Сильные флуктуации разности фаз.

1.4.2. Слабые флуктуации разности фаз.

1.5. Выводы главы

Глава 2. Отклик доплеровского большебазового интерферометра (ИББ) на монохроматическое излучение.

2.1. Расчет спектральных и корреляционных характеристик принимаемого излучения в условиях плавно-неоднородной среды

2.1.1. Сигнал интерферометра при описании распространения излучения методом геометрической оптики

2.1.2. Сигнал интерферометра при описании распространения излучения методом плавных возмущений.

2.2. Спектр мощности сигнала интерферометра в частных случаях при сильных и слабых возмущениях.

2.2.1. Сильные флуктуации разности фаз.

2.2.2. Слабые флуктуации разности фаз.

2.2.3. Распространение излучения в многомасштабной среде.

2.3. Выводы главы 2.

Глава 3. Интерферометрические эксперименты по исследованию турбулентных сред методом просвечивания.

3.1. РСДБ-эксперименты по просвечиванию плазмы солнечного ветра излучением внегалактических радиоисточников.

3.1.1. Обзор РСДБ-экспериментов по исследованию космических сред методом широкополосной радиоинтерферометрии.

3.1.2. РСДБ-эксперименты по исследованию плазмы солнечного ветра в 1994-1996 гг. на длинах волн 18 и 92 см.

3.1.3. РСДБ-эксперименты по исследованию плазмы солнечного ветра в 1999 и 2000 гг. на длине волны 18 см.

3.2. Экспериментальное исследование флуктуаций концентрации кавитационных пузырьков в турбулентной водной среде методом интерферометрии.

3.2.1. Интерферометрический эксперимент по зондированию турбулентной водной струи в открытом пространстве бассейна ультразвуковым сигналом.

3.2.2. Интерферометрическое исследование турбулентного потока в трубе при зондировании ультразвуковым сигналом.

3.3. Выводы главы 3.

Актуальность темы диссертации:

Изучение турбулентных сред и исследование их влияния на распространяющееся излучение является традиционным направлением радиофизики. Важное практическое значение имеет развитие методов дистанционной диагностики, служащих для получения информации о параметрах среды распространения и их динамике. Результаты дистанционного зондирования используются для решения различных научных и прикладных задач радиоастрономии, оптики, геофизики, медицины и т.д.

Метод зондирования - один из основных методов дистанционной диагностики природных и искусственных сред - заключается в просвечивании среды эталонными сигналами и анализе их искажений, вызванных неоднородностями среды распространения. Перспективным направлением в исследованиях турбулентных сред является использование методов интерферометрии. При интерферометрическом приеме излучение, распространяющееся через турбулентную среду, принимается в двух разнесенных пунктах. Оценки параметров среды в этом случае можно получить из анализа относительных фазовых, частотных и амплитудных флуктуаций излучения, возникающих на независимых трассах распространения под воздействием турбулентности. Особенность рассматриваемого в диссертации метода состоит в том, что диагностика среды осуществляется как при зондировании среды монохроматическими сигналами искусственных излучателей, так и при приеме широкополосного шумового излучения естественных источников.

Интерферометрический метод диагностики сред может применяться для изучения турбулентных потоков как в естественных условиях (океанских течений, газовых и плазменных потоков в ближнем и дальнем космосе), так и в искусственно созданных струях, пограничных слоях, плазменных образованиях. Особый интерес представляет исследование космических сред - ионосферы Земли, короны Солнца, межпланетной и межзвездной среды. Околосолнечная плазма и плазма солнечного ветра оказывают наибольшее влияние на проходящее через них излучение, что сказывается на результатах радиоастрономических и астрометрических наблюдений. Исследование этих сред имеет большое значение для решения проблем физики солнечно-земных связей. Процессы, протекающие в солнечном ветре, формируют космическую погоду в Солнечной системе, воздействуют на атмосферу и биосферу Земли. Контроль состояния околосолнечной плазмы является основой геоэффективных прогнозов.

В настоящее время диагностика межпланетной и околосолнечной плазмы осуществляется различными радиоастрономическими способами [1], которые основаны на методе радиопросвечивания. Метод просвечивания, впервые предложенный в 1951 г. В.В.Виткевичем для исследования сверхкороны Солнца [2], состоит в приеме излучения источника (искусственного или естественного), прошедшего через среду со случайными флуктуациями электронной концентрации, и анализе эффектов модуляции фазы, амплитуды и частоты радиоволны.

Радиоастрономическим методам исследования плазмы солнечного ветра и межпланетной среды посвящено большое количество работ в области космической радиофизики [1-27]. Основными методами диагностики сред являются метод мерцаний [5-7] и метод радиозондирования среды сигналами космических аппаратов с приемом назехмным радиотелескопом [8-13], а также метод доплеровской большебазовой интерферометрии (ИББ) [3,14]. В последнее десятилетие в этой области исследований находят применение методы широкополосной радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) [15-27]. В данной работе рассматриваются возможности ИББ- и РСДБ-инструментов в задаче дистанционной диагностики солнечного ветра с целью определения параметров турбулентной среды - скорости солнечного ветра и пространственных характеристик распределения электронной концентрации плазмы солнечного ветра.

Использование этих интерферометрических методов оказывается незаменимыми в тех случаях, когда на применение традиционных методов дистанционной диагностики накладываются ограничения. Так, метод интерферометрического приема позволяет исследовать неоднородности флуктуаций электронной концентрации с характерными размерами, значительно превышающими масштабы, доступные методу мерцаний. Метод мерцаний [5-7] основан на измерении сцинцилляций интенсивности излучения космических радиоисточников. В частности, при приеме излучения дискретных космических радиоисточников, расположенных на малых угловых расстояниях от Солнца, метод мерцаний позволяет исследовать характеристики плазмы солнечного ветра в широких пределах гелиоцентрических расстояний и гелиоширот. Но флуктуации интенсивности обусловлены только относительно мелкомасштабными неоднородностями среды с характерными масштабами, не превышающими размер первой зоны Френеля, который даже для относительно длинноволнового радиоастрономического диапазона А,=92 см составляет 400 км при расстоянии до слоя неоднородностей, равном одной астрономической единице. Кроме того, при сильных возмущениях проходящего через исследуемую среду излучения космического радиоисточника (например, вблизи от Солнца) флуктуации интенсивности претерпевают насыщение.

Этого недостатка лишены радиоинтерферометрические методы, поскольку не утрачивают фазовую информацию: в том случае, когда внешний масштаб турбулентности превышает размер базы интерферометра, фазовые флуктуации не испытывают насыщения. Интерферометрический метод предоставляет уникальную возможность исследовать неоднородности плазмы солнечного ветра и солнечной короны с масштабами, сравнимыми с длиной проекции базы интерферометра. Так как в РСДБ длины базовых линий принимают значения от нескольких десятков километров до нескольких тысяч километров (или десятков тысяч километров при использовании наземно-космических инструментов), то диапазон измерений расширяется как в сторону очень слабых мелкомасштабных неодно-родностей среды, так и в сторону более интенсивных крупномасштабных неоднородностей.

Метод доплеровской большебазовой интерферометрии (ИББ) [3,14], основанный на приеме узкополосных сигналов космических аппаратов, прошедших через изучаемую среду, позволяет извлекать обширную информацию о среде распространения из анализа амплитудных, фазовых и частотных характеристик принятых сигналов. Высокая монохроматичность первоначального излучения сигналов позволяет выделять даже самые слабые возмущения, вносимые средой. Но также как и метод просвечивания сред сигналами космических аппаратов с приемом одним наземным радиотелескопом, и метод дисперсной интерферометрии [12,13], основанный на зондировании среды когерентным излучением на кратных частотах, метод ИББ может использоваться только при строгой монохроматичности излучаемых сигналов. Кроме того, данные способы дают информацию о состоянии просвечиваемой среды только в узкой области вдоль направления траектории космического аппарата и могут использоваться лишь эпизодически - во время его полета.

Процедура обработки сигналов, принятая в радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), позволяет исследовать среду, просвечивая ее шумовым широкополосным излучением естественных внегалактических радиоисточников. В этом случае не требуется высокой степени когерентности сигналов, так как на выходное интерференционное колебание влияют только относительные фазовые флуктуации между сигналами, принятыми антеннами интерферометра, а фазовые нестабильности исходного сигнала не имеют значения. Учитывая, что запуски космических аппаратов дороги и не регулярны, весьма ценной является возможность проводить диагностику плазмы солнечного ветра, не привязываясь к моменту пролета космического аппарата в интересующей области.

Таким образом, интерферометрические методы, исследуемые в данной работе, позволяют изучать пространственно-временную структуру средне- и крупномасштабных неоднородностей околосолнечной плазмы и межпланетной среды, а также предоставляют возможность расширить диапазон исследований как в сторону очень слабых, так и в сторону интенсивных неоднородностей. Информативность наблюдений возрастает при одновременных измерениях на многоантенных интерферометрических комплексах, содержащих базы различной длины и ориентации. При наблюдении источников, расположенных на различных угловых расстояниях и различных позиционных углах относительно Солнца, интерферометри-ческий метод позволяет исследовать распределение неоднородностей указанных масштабов, снимая их "мгновенный" портрет. В случае РСДБ-приема данные могут быть получены при наблюдении как монохроматических сигналов от космических аппаратов, так и широкополосного излучения естественных радиоисточников.

Выходным сигналом интерферометра является результат перемножения волновых полей в двух пунктах интерферометра, которое, вообще говоря, выполняется разными способами для ИББ- и РСДБ-методов. Если корреляционные характеристики флуктуаций разности фаз в двух точках в теории рассеяния волн в турбулентной среде рассмотрены достаточно подробно [30,36], то анализу корреляции комплексных полей с учетом пространственного разноса приемников внимания практически не уделялось. Несмотря на то, что первые интерферометрические эксперименты по просвечиванию среды шумовым широкополосным излучением космических радиоисточников [15-27] и сигналами космических аппаратов [3,14] были проведены достаточно давно, выражения для спектра мощности выходного сигнала интерферометра, содержащего как фазовые так и амплитудные флуктуации принятого излучения, не было получено.

В большинстве работ при рассмотрении воздействия среды на сигнал интерферометра исследовались флуктуации интенсивности выходного сигнала инструмента. Анализ статистических характеристик флуктуаций интенсивности позволял делать оценки углового уширения наблюдаемых источников и степени анизотропии неоднородностей [7,15,16].

Расчет статистических характеристик фазовых флуктуаций выходного сигнала ИББ-интерферометра при приеме первоначально монохроматических сигналов космических аппаратов, приведен в монографии [3].

В работах [17,18] описаны результаты исследования фазовых флуктуаций сигнала РСДБ-интерферометра при приеме шумового излучения естественных радиоисточников. Показано, что по спектрам мощности у флуктуаций разности фаз возможно делать оценки коэффициента См, характеризующего интенсивность флуктуаций электронной концентрации. Детального анализа полученных данных с целью выявления тонких особенностей спектра фазовых флуктуаций не было проведено. Это связано с тем, что авторы [17,18] опирались на громоздкие выражения для спектральных характеристик [28], которые из-за своей сложности не позволили выявить особенностей рассматриваемых откликов и внести соответствующие коррективы в методику приема и обработки данных (например, сократить время интегрирования данных для построения спектра флуктуаций разности фаз в более широкой полосе частот, что позволило бы сделать оценки скорости солнечного ветра и спектрального индекса пространственного спектра флуктуаций параметра среды, как это показано в Главе 1).

Этот факт свидетельствует о важности построения адекватной модели эксперимента для создания полноценного универсального радиоинтер-ферометрического метода диагностики среды.

Кроме получения информации о среде распространения (измерение электронной концентрации, скорости солнечного ветра, интенсивности флуктуаций параметров среды и т.д.), важной задачей является определение ограничений, налагаемых турбулентной средой на функционирование наземных и наземно-космических радиоинтерферометров, а также на работу систем космической связи.

Техника и методы радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой подробно описаны в книге [29], тем не менее аспекты проблемы влияния околосолнечной плазмы на сигнал РСДБ-систем требуют дополнительного рассмотрения.

Цель диссертационной работы:

Цель данной работы - развитие интерферометрических методов диагностики турбулентных потоков и разработка способов повышения их информативности при определении параметров турбулентной среды.

С этой целью решались следующие задачи:

1) анализировалось распространение излучения в неоднородной среде и влияние этой среды на выходной сигнал интерферометра;

2) разрабатывался способ восстановления информации о среде распространения по спектральному составу сигнала интерферометра;

3) выполнялось экспериментальное исследование возможностей рассматриваемого метода, а именно:

- осуществлены лабораторные интерферометрические эксперименты по зондированию турбулентной водной среды в гидродинамическом бассейне;

- реализованы РСДБ-эксперименты по радиопросвечиванию плазмы солнечного ветра излучением космических радиоисточников.

Содержание диссертации:

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В первых двух главах проводился детальный анализ спектра мощности отклика интерферометра на излучение, прошедшее через турбулентную среду.

3.3. Выводы главы 3

1. Проведены РСДБ-эксперименты по исследованию плазмы солнечного ветра методом радиопросвечивания ее излучением естественных радиоисточников в широких диапазонах угловых расстояний относительно Солнца на длинах волн 6 см, 18 см, 92 см.

По результатам обработки сделаны следующие выводы:

- в случае сильных флуктуаций разности фаз принятого излучения проведена интерпретация крупномасштабной пространственной структуры распределения неоднородностей среды по относительному уширению спектральных откликов интерферометра на излучение, прошедшее через околосолнечную плазму, от источников, расположенных в широких пределах углов элонгации и позиционных углов радиоисточников относительно Солнца;

- сделано предположение о наличии «струйной» структуры плазмы солнечного ветра в виде областей повышенной интенсивности флуктуаций электронной концентрации, сильно вытянутых вдоль радиального направления от Солнца с продольными размерами порядка 200 тысяч километров и с поперечным масштабом 15002000 километров;

- сделан анализ ограничений, накладываемых средой распространения на работу РСДБ-систем в дециметровом диапазоне длин волн;

- в случае слабых флуктуаций разности фаз измерен показатель пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации р = 3.57 ±0.06 и скорость солнечного ветра У1 = 342±17км/с; указанные параметры впервые измерены независимо друг от друга в области масштабов неоднородностей порядка от 2000 км до 9000 км и позволяют подтвердить применимость гипотезы "вмороженности" и спектра Колмогорова для описания пространственно-временных изменений в солнечном ветре на больших расстояниях от Солнца (Я > 40^ );

- в процессе анализа результатов экспериментов были выработаны рекомендации для оптимального планирования и обработки полученной информации, касающиеся подбора источников, пригодных для исследования солнечного ветра, длительности интервалов наблюдений, условий наблюдений в каждом приемном пункте и параметров корреляции полученных данных;

- создана и отлажена программная база для спектральной обработки сигналов интерферометра, искаженных воздействием возмущенной среды.

2. Результаты проведенных интерферометрических экспериментов по зондированию турбулентного водного потока в трубе и в неограниченном пространстве ультразвуковым широкополосным излучением удовлетворительно согласуются с выводами теоретического анализа. Обработка данных лабораторных экспериментов показала следующее:

- при зондировании потока шумовыми и синусоидальными сигналами в случае интерференционного приема получаются результаты, совпадающие в пределах точности эксперимента;

- созданная экспериментальная установка и предложенный метод анализа позволяют построить спектры мощности с точностью, вполне достаточной для выявления различия при интерференционном и однопунктовом приеме сигналов;

- продемонстрировано хорошее качественное и количественное соответствие спектров, полученных в результате экспериментов, и спектров, рассчитанных по теоретической модели с учетом неоднородностей средней скорости в сечении струи;

- показана возможность экспериментального определения показателя пространственного спектра турбулентных флуктуаций концентрации кавитационных пузырьков;

- проведены измерения скорости потока в трубе по характерным участкам спектра мощности;

- предложен и апробирован метод бесконтактного определения скорости потока на оси затопленной струи, протекающей в открытом водном пространстве бассейна.

Полученные результаты свидетельствуют о работоспособности исследуемого метода и пригодности его для диагностики различных природных сред.

Заключение

В работе выполнен теоретический, численный и экспериментальный анализ сигнала интерферометра при приеме монохроматического и широкополосного излучения, прошедшего через неоднородную нестационарную среду с развитой турбулентной структурой, с целью определения характеристик среды распространения.

1. В результате теоретического анализа корреляционных и спектральных характеристик сигнала интерферометра, выполненного при последовательно неквазистатическом учете временных изменений параметров среды, получены следующие результаты:

- рассчитан вид автокорреляционной функции выходного сигнала инструмента для двух случаев: при описании распространяющихся волн методом геометрической оптики и методом плавных возмущений;

- проведено сравнение процедуры формирования сигнала РСДБ-интерферометра при приеме широкополосного излучения и сигнала ИББ-интерферометра при приеме монохроматического излучения;

- выведены соотношения для спектра мощности сигнала интерферометра в приближении сильных и слабых флуктуации разности фаз принятого излучения для двух процедур преобразования сигналов;

- показано, что вид спектра мощности существенно зависит от величины флуктуаций разности фаз:

- при сильных флуктуациях разности фаз спектр имеет вид гауссовой кривой, частота максимума которой определяется корреляцией между флуктуациями амплитуды и фазы волны, а ширина зависит от средней скорости потока и от интенсивности флуктуаций разности фаз; - при слабых флуктуациях разности фаз спектр мощности достаточно просто, но различным образом для двух разобранных способов обработки сигнала (ИББ и РСДБ), определяется пространственным спектром турбулентности неоднородностей среды;

- предложены способы восстановления параметров среды (скорости дрейфа неоднородностей и показателя пространственного спектра) из спектра мощности поля выходного сигнала инструмента.

2. Проведен численный расчет автокорреляционной функции и спектра мощности выходного сигнала РСДБ- и ИББ-радиоинтерферометров при приеме излучения, прошедшего через турбулентную среду. Результаты расчетов подтверждают основные выводы теоретического анализа, касающиеся определения параметров плазмы солнечного ветра - показателя пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации и скорости солнечного ветра в области зондирования.

3. Осуществлены интерферометрические эксперименты по зондированию турбулентной водной струи в открытом водном пространстве гидродинамического бассейна и потока, протекающего в трубе, ультразвуковым широкополосным излучением. Получено, что результаты экспериментов удовлетворительно согласуются с выводами теоретического анализа. Обработка экспериментальных данных показала следующее:

- при зондировании потока шумовыми и монохроматическими сигналами в случае интерференционного приема получаются результаты, совпадающие в пределах точности эксперимента;

- продемонстрировано хорошее качественное и количественное соответствие спектров, полученных в результате экспериментов, и спектров, рассчитанных по теоретической модели с учетом неоднородностей средней скорости в сечении струи;

- показана возможность экспериментального определения показателя пространственного спектра турбулентных флуктуаций концентрации кавитационных пузырьков;

- предложены и апробированы методы бесконтактного определения скорости потока на оси затопленной струи и скорости потока, заключенного в трубу.

4. Проведены РСДБ-эксперименты по исследованию плазмы солнечного ветра методом радиопросвечивания ее излучением естественных радиоисточников в широких диапазонах угловых расстояний относительно Солнца на длинах волн 6 см (5010.024 МГц), 18 см (1665 МГц), 92 см (327 МГц). В экспериментах были задействованы (в разных комбинациях) следующие радиотелескопы: Медвежьи Озера (РТ-64, ОКБ МЭИ, Россия), Пущино (РТ-22, ПРАО АКЦ ФИАН), Уссурийск (РТ-70, РНИИ КП), Светлое (РТ-32, ИПА РАН, Россия), Евпатория (РТ-70, НЦУИКС, Украина), ХартРАО (РТ-25, Южная Африка), Hoto (РТ-25, Италия), Шанхай (РТ-25, Китай), GMRT (РТ-45, Индия), радиотелескопы VLBA-сети (NRAO, США) и др.

По результатам обработки сделаны следующие выводы: 1) Проведена интерпретация крупномасштабной пространственной структуры распределения неоднородностей среды по относительному уширению спектральных откликов интерферометра на излучение, прошедшее через околосолнечную плазму, от источников, расположенных на различных угловых расстояниях и позиционных углах относительно Солнца, в т.ч.:

- сделано предположение о наличии «струйной» структуры плазмы солнечного ветра в виде областей повышенной интенсивности флуктуаций электронной концентрации, сильно вытянутых вдоль радиального направления от Солнца с продольными размерами порядка 200 тысяч километров и с поперечным масштабом 1.5-2.0 тысячи километров;

- сделан анализ ограничений, накладываемых околосолнечной плазмой на работу РСДБ-систем в дециметровом диапазоне длин волн: влияние неоднородностей околосолнечной плазмы на работу РСДБ-систем существенно в области угловых расстояний от Солнца от 3 до 30 градусов в диапазоне 1665 МГц и от 13 до 80 градусов в диапазоне 327 МГц; при меньших угловых расстояниях источников от Солнца фазовая когерентность сигналов полностью нарушается. Эти результаты важны при планировании РСДБ-экспериментов в указанных диапазонах частот.

2) Измерены показатель пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации р = 3.57 ±0.06 и скорость солнечного ветра У± =342±17км/с в области гелиоцентрических дистанций 10°<#<51°.

Указанные параметры турбулентности впервые измерены независимо друг от друга, совпадают с данными, полученными другими методами, что позволяет:

- утверждать справедливость рассматриваемого метода;

- подтвердить применимость гипотезы "вмороженности" и спектра Колмогорова для описания пространственно-временных изменений в солнечном ветре в области установившегося течения плазмы

Л >40/^) при исследовании неоднородностей с масштабами, сравнимыми с длинами базовых линий интерферометра.

Кроме того, в процессе анализа результатов экспериментов были выработаны рекомендации для оптимального планирования и обработки полученной информации, касающиеся подбора источников, пригодных для исследования солнечного ветра, длительности интервалов наблюдений, условий наблюдений в каждом приемном пункте и параметров корреляции полученных данных; а также создана и отлажена программная база для спектральной обработки сигналов интерферометра, искаженных воздействием возмущенной среды.

Полученные результаты свидетельствуют о работоспособности предложенного метода и пригодности его для диагностики различных природных сред.

Апробация работы

По теме диссертации опубликовано 22 работы (из них 5 статей в рецензируемых журналах [20-22,33,34], 17 статей в сборниках трудов [52-68]), а также опубликованы результаты работ в виде тезисов докладов.

Основные положения и результаты исследований обсуждались на семинарах НИРФИ, семинаре Национальной китайской обсерватории г.Урумчи (Китай) и докладывались на российских и международных конференциях по радиоастрономии, радиоинтерферометрии, акустике и др.:

- "Научная конференция по радиофизике", ННГУ, Нижний Новгород (1999, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005);

Ежегодная сессия Российского акустического сообщества (РАО XIV, Москва, 2003; РАО XV, Нижний Новгород, 2004; РАО XVI, Москва, 2005);

Школа-семинар молодых радиоастрономов «Радиоастрономия в космосе» (Пущино, 1998);

Конференция молодых европейских радиоастрономов (XXXI Young European Radio Astronomers Conference) (Англия, 1999); Всероссийская Астрономическая конференция (ВАК) (Санкт-Петербург, 2001);

XX Всероссийская научная конференции "Распространение радиоволн" (Нижний Новгород, 2002);

Всероссийская научная конференция "Физика радиоволн" (Томск, 2002);

Научная конференция стран СНГ и Прибалтики "Активные процессы на Солнце и звездах" (Санкт-Петербург, 2002);

10-ая Европейская конференция по солнечной физике "Солнечная переменность: от ядра до внешних границ"(10Л. European Solar Physics Meeting, "Solar Variability: From Core to Outer Frontiers") (Чехия, 2002); Конференция стран СНГ и Прибалтики "Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности" (Нижний Новгород, 2003); Школа-семинар "Космическая погода: проблемы и достижения" (INTAS 2000-0752 Summer-School "Space Weather: Problems and Achievements") (Нижний Новгород, 2003);

Школа-семинар по физике "Фундаментальные процессы в турбулентной плазме" (European Summer School "Basic Processes of Turbulent Plasmas") (Греция, 2003). ;

Симпозиум международного астрономического союза (223th symposium of the international astronomical union, IAU 223) (Санкт-Петербург, 2004);

7-ой Симпозиум европейской РСДБ-сети по исследованиям технологиям в области РСДБ (7th European VLBI Network Symposium VLBI Scientific Research & Technology) (Испания, 2004).

1. Яковлев О.И. Космическая радиофизика-М.: Наука, 1998.-432 с.

2. Виткевич В.В. Новый метод исследования солнечной короны //ДАН СССР. 1951. Т.77, №4, с.34-37

3. Якубов В.П. Доплеровская сверхбольшебазовая интерферометрия-Томск: Изд-во «Водолей», 1997.-246 с.

4. Советские радиотелескопы и радиоастрономия Солнца /Г.Б.Гельфрейх, В.В.Зайцев, Ю.П.Илясов и др. М.: Наука, 1990. - 212 с.-ISBN 5-02-000765-Х

5. Лотова H.A. Радиоастрономические исследования струйной структуры солнечного ветра. //Радиоастрономические инструменты и исследования. М.: Наука, 1985 (Труды ФИАН; Т.159), с.76.

6. Власов В.И., Чашей И.В., Шишов В.И., Шишова Т.Д. Межпланетная плазма по радиоастрономический данным // Геомагнитизм и аэрономия. 1979. Т. 19. № 3,401 с.

7. В.И.Шишов, В.М.Малофеев, А.В.Пынзарь, Т.В.Смирнова. Влияние турбулентной межзвездной плазмы на отклик радиоинтерферометра // Астрономический журнал, 1995, Т.72, №4, с.485-494.

8. Разманов В.М., Ефимов А.И., Яковлев О.И. О формировании спектральной линии радиосигналов при распространении в околосолнечной плазме.// Изв. ВУЗов Радиофизика, 1979, 22, №9, с.1051.

9. Лаптев Н.В. Об уширении спектральной линии радиоволн в околосолнечной плазме//Радиотехника и электроника, 1981 г., T.XXVI, вып. 11, с. 2241-2245.

10. On the outer scale of coronal turbulence near the Sun. Bird M.K., Chashei I.V., Efimov A.I., Samoznaev L.N., Andreev V.E., Edenhofer P., Plettemeier D., Wohlmuth R. Adv. Space Res. 2002. V.30. No.3. P.447-452

11. Bird M.K., Volland H., Patzold M. at al. The coronal electron density distribution determined from dual-frequency ranging measurements during the 1991 solar conjunction of the Ulusses spacecraft //Astrophysical Journal, 1994, v.426, N1, p.373.

12. Колосов M.A., Савич H.A., Васильев М.Б. и др. Исследования околосолнечной плазмы методом дисперсионного интерферометра при помощи спутников "Венера-9,-107/ Успехи физических наук, 1977, Т. 123, №4, с.700-701.

13. Васильев М.Б. Дисперсионные интерферометры для исследования неоднородной структуры и динамики космической плазмы // Радиотехника и электроника. 1978. - Т.23, вып.2. - с.411-416.

14. Armstrong J.W., Coles W.A., Kojima М., Rickett B.J. Observations of field-aligned density fluctuations in the inner solar wind. // The Astrophysical Journal, 1990, 358: 685-692.

15. Bastian T.S. Angular scattering of solar radio emission by coronal turbulence. //The Astrophysical Journal, 1994,426: 774-781.

16. Spangler S.R., Sakurai T. Radio interferometer observations of solar wind turbulence from the orbit of "Helios" to the solar corona // The Astrophysical Journal, 1995, v.445, p.999-1016.

17. Spangler S.R., Kavars D.W., Kortenkamp P.S., Bondi M., Mantovani F., Alef W. Very Long Baseline Interferometry measurements of turbulence in the inner solar wind.// A&A, 2002, v. 384, p.654-665.

18. Spangler S.R. The amplitude of magnetohydrodynamic turbulence in the inner solar wind.// The Astrophysical Journal, 2002, v.576, p. 997-1004.

19. Сизов A.C. Развитие техники и методов радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой для астрометрических исследований. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата ф.-м.наук, Горький, 1989.

20. Алексеев В.А., Антипенко А.А., Гатэлюк Э.Д., Дементьев А.Ф., Князев Н.А., Крюков А.Е., Липатов Б.Н., Рат Р.Н., Сизов А.С. Радиоастрономический интерферометр НИРФИ. //Препринт НИРФИ №206, Горький, 1986, С. 1-53.

21. В.А.Алексеев, В.И.Алтунин, А.А.Антипенко, А.В.Бирюков,

22. A.С.Вышлов, Э.Д.Гатэлюк, А.Ф.Дементьев, С.П.Игнатов, И.А.Кнорин, Н.А.Князев, А.Е.Крюков, Б.Н.Липатов, Е.П.Молотов, В.А.Окмянский,

23. B.А.Рудаков, А.С.Сизов. Исследование комы кометы Галлея методом длиннобазовой интерферометрии с использованием радиосигналов пролетных аппаратов "Вега" //XYIII Всесоюзная радиоастрономическая конференция, Иркутск, 1986, Тезисы докладов, с.225.

24. Алексеев В.А., Гатэлюк Э.Д., Липатов Б.Н., Рудаков В.А., Сизов А.С., Вышлов А.С. //Межрегиональная конференция по радиоастрономическим исследованиям солнечной системы, 1992, Н.Новгород, Тезисы докладов, с.87.

25. Mutel R.L. Theory and observations of interplanetary turbulence using interferometer visibility scintillations, Ph.D. thesis, Univ.of Colorado., Boudler, 1975.

26. Томпсон A.P., Моран Дж.М., Свенсон Дж.У. Интерферометрия и синтез в радиоастрономии: Пер. с англ. под ред. Л.И.Матвеенко 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003 - 624 с. - ISBN 5-9221-0015-7.

27. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. -М., 1967г.,-548 с.

28. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: «Мир», 1981.

29. Гавриленко В.Г., Степанов Н.С. Статистические характеристики волн в хаотических средах с пространственно-временными неоднородностями. // Изв.ВУЗ. Радиофизика, 1987, Т.ЗО, №1- с.3-35

30. Гавриленко В.Г., Липатов Б.Н., Нечаева М.Б. Анализ отклика радиоинтерферометра со сверхдлинной базой на излучение радиоисточника, прошедшее через околосолнечную плазму. //Известия вузов. Радиофизика, 2002 г., ХЬУ, №6, с.459-472.

31. Малахов А.Н. Флуктуации в автоколебательных системах. -М., 1968 г., 660 с.

32. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. 4.2. Случайные поля. М., 1978 г., -464 с.

33. Гавриленко В.Г. Пространственно-временной спектральный анализ волн, рассеянных в турбулентных средах // Учебное пособие. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 1998, 105 с.

34. Гавриленко В.Г., Джандиери Г.В. Рассеяние и излучение волн в хаотических нестационарных средах. Изд-во «Интеллект», Тбилиси-Батуми, 1999 г.

35. Гавриленко В.Г., Петров С.С. О спектре электромагнитных волн в турбулентной столкновительной плазме на большом расстоянии от источника. // Изв.ВУЗ. Радиофизика, 1984, Т.27, №3- с.299-305

36. В.А.Алимов, А.В.Рахлин. О фазовых флуктуациях радиоволн за турбулентным фазовым экраном. //Известия вузов. Радиофизика, 2005, T.XLVIII, N7, с.563-573.

37. В.А.Алимов, А.В.Рахлин. Фазовые флуктуации радиоволн в режиме насыщенных мерцаний. //Известия вузов. Радиофизика, 2005, T.XLVIII, N4, с.275-282.

38. Голицын Г.С., Гурвич A.C., Татарский В.И. Исследование частотных спектров флюктуаций амплитуды и разности фаз звуковых волн в турбулентной атмосфере.//Акустический журнал, 1960 г., T.VI, вып.2, с.187-197.

39. Вулис Л.А., Кошкаров В.П. Теория струй вязкой жидкости. М.: "Наука", 1965.

40. Гершман Б.Н., Ерухимов JI.M., Яшин Ю.Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме М. «Наука», 1984.

41. Алимов В.А., Рахлин A.B. О мерцаниях излучения протяженного источника в случайно-неоднородной среде. // Изв.ВУЗов. Радиофизика, 1996, Т.40, №5, с.586-592.

42. Cannon W. H., Baer D., Feil G., et al., 1997, Vistas Astronomy, 41, 297.

43. Свешников A.A. Прикладные методы теории случайных функций. -М.: Наука, 1968,464 с.

44. Frank Lane. Frequency effect in the radar return from turbulent weakly ionized missle wakes. Amer. Institute of Aeronautics and Astronautics, 1967, 23, 1, 1-20.

45. Акуличев B.A., Буланов B.A., Кленин C.A. Акустическое зондирование газовых пузырьков в морской среде // Акуст.журн., 1986, Т.32, № 3, с.289-295.

46. Dahl P. The contribution of bubbles to high-frequency sea surface backscatter: A 24-h time series of field measurements. //The Journal of the Acoustic Society of America, Vol.l 13, N 2, 2003, p.741-749.

47. Didenkulov I.N., Yoon S.W., Sutin A.M., Kim E.J. Nonlinear acoustic Doppler effect and its use for bubble flow velocity measurement. // The Journal of the Acoustic Society of America, Vol.l 06, 1999, p.2431-2435.

48. Нечаева М.Б. Исследования неоднородностей плазмы солнечного ветра методом PC ДБ на длинах волн 18 и 90 см в 1994-1998 гг. Труды третьей научной конференции по радиофизике, 7 мая 1999 г. Нижний Новгород, с. 103-104