Векторные характеристики декаметровых радиоволн на трассах различной протяженности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ6 с л

2 6 ДПР 1993 АКАДЕМИЯ НАУК РФ

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн

На правах рукописи

ПАХОТИН Валерий Анатольевич

уда 621.371.537.874

ВЕКТОРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕШ1ЕТР0ВДХ РАДИОВОЛН НА ТРАССАХ РАЗЛИЧНОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1У.-3 г.

Работа выполнена в Калининградском государственном университете.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук

Д.С.Лукин

доктор физико-математических наук

Л.В.Соколов доктор технических наук

Э.И.Шустов

Ведущая организация: Московский государственный

университет

Защита состоится н " _ 199 г.

в " " час. " " мин на заседании Специализированного совета Д.002.83.01 при ИЗМИРАН - 142092, г.Троицк Московской области. Проезд автобусом №531 от станции метро "Теплый стан" до остановки ИЗМИРАН.

. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН.

Автореферат разослан " "__199 г.

Ваш отзыв на авторе<йерат в двух экземплярах просим направлят! г адрес Ученого секретаря Специализированного совета: 142092, г.Троицк Московской области, ИЗМИРАН.

Учений секретарь Специализированного совета кандидат физ.-мат.наук

О.П.КОЛОМИЙЦЕВ

т /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Задача распространения декаметровых радиоволн в ионосфере отличается большой сложностью, обусловленной разнообразием геофизических условий, влиянием большого количества факторов, недостатком информации о среде распространения - ионосфере. В настоящей работе процесс распространения декаметровых радиоволн исследуется на основе измерений векторных характеристик поля. В отличие от амплитудно-частотных векторные характеристики поля требуют для своего измерения достаточно уникальной приемной аппаратуры и соответствующего развития методики и практики измерений. Проведенные в период с 1973 по 1981 гг. на базе созданного Зеленоградского приемного комплекса ИЗМИРАН широкомасштабные эксперименты являются основой настоящей работы. Они позволили создать экспериментальный банк данных, который характеризуется разнообразием геофизических условий, средств излучения, широким спектром измеряемых характеристик, однотипностью приемной аппаратуры. Проведеюше эксперименты дали возможность на новой основе, с учетом данных о векторных характеристиках ра-диоеолн, провести анализ условий распространения декаметровых радиоволн и решить ряд частных задач, развивающих и уточняющих физику процесса распространения декаметровых радиоволн. В частности, на односкачковой трассе всесторонне исследовано явление анутримодовой интерференции и ее влияние на угловые и поляризационные характеристики выделенных во времени мод сигнала. На протяженных трассах количество и качество экспериментальных данных дало возможность применить методику системного анализа для решения геофизического аспекта задачи распространения декаметровых волн.

С целью дальнейшего развития методики и практики измерения векторных характеристик радиоволн декаметровогс диапазона в рч-боте исследованы возможности современных методов спектрального гц^кигалия. Реализован переход к многоканальным схеи.гм, измеря-•- ■цяг' а'/плитуду и фазу суммарного сигнала в дискретных точках на

стк земли, с псследуадоЯ обработкой данных методам! •-лектсального сцен'.-.оап.'я.

Актуальность работы и обоснование поставленных задач.

Изучение процесса распространения -радиоволн-коротковолнового диапазона,.начатый в прошлом столетии, интенсивно'"продолжается как на коротких, односкачковых трассахтак- и нагтрассах боль ной.протяженности ¡вплоть' до кругосветных.'- Тематика исследований стимулируется необходимостью решения ряда прикладных задач, таких -; как оптимизация магистральных* линий связи,'оперативное обнаружение и. диагностика.возмущений ионосферы 'искусственного и естественного происхождения, дальняя и ближняя радиолокация, решение задачи пеленгации при многолучеьости. В связи с последними-достижениями в области искусственного воздействия на ионосферу с помощью•мощного излучения появляется, в принципе, возможность целенаправленного изменения параметров ионосферы для создания условий распространения радиоволн в оторванных от поверхности земли.каналах-[26,27 ] и для проведения управляемых экспериментов. • • — " '-' - '

Несмотря;на сравнительно большой период'исследований процесса распространения: радиоволн .(более 100 лет)'й обширную'-библиографиюмногие, вопросы изучены далеко не достаточно. Это относится как-к односкачковым трассам, так и,- в особенности, к облясти дальнего .распространения.радиоволн. 3 области коротких трасс.(односкачкивое распространение радиоволн) физика процесса распространения радиоволн-достаточно ясна. Однако наличие многолу.чеьости ■ и случайного ¿спектра возмущений-в'-'ионосфере "не ■ позволяют достаточно , корректно сопоставим ¡^эксперимент-и-те'о- ■ рию. Отдельные лучи' интерферируют 'меиузу -собой -за"счет' динамики тонкой структуры ионосферы и ее суточных вариаций,-увеличивая■' дисперсию характеристик сигнала ." Ото является одной из причин значительно затрудняющих- выявление- и'изучение целого - комплекса 'геофизических явлений -методом'наклонного'- зондирования. Но'существу требуется разработка'^короектной статистической-модели сигнала, включающей .в себя априорно известнуй:информацию о' суточных. -вариациях параметров гюносйеры. и статистику характеристик отдельных мод сигнала, обусловленную случайным'спектром в" ионосфере. Первая часть задачи решена за счет разработки методик расчета характеристик сигнала в магнитоактивной неоднородной среде [38-40] . Вторая же часть задачи требует проведения

экспериментальных исследований, направленных на количественные оценки вариаций характеристик отдельных мод сигналов, их статистических закономерностей. В особенности это касается измерения векторных характеристик поля. Этому вопросу посвящены лишь отдельные работы [41-46], и они не охватывают всего многообразия изменений векторных характеристик во времени и пространстве. На решение этих вопросов направлен комплексный эксперимент по исследованию модовой структуры сигнала, проведенный нами в 1975 г., результаты которого изложены в работах ^1+10]. На ре'пение этой же задачи направлены исследования по разработке новых методов измерения векторных характеристик поля, основанных на измерении комплексных амплитуд поля в дискретных точках поверхности земли Г28-341. Они обладают повышенной разрешающей способностью и, в принципе, позволяют измерять характеристики отдельных лучей многолучевого сигнала.

Основные трудности в изучении вопросов распространения радиоволн на протяженных трассах связаны со сложным строением среды распространения - ионосферы и недостатком информации о распределении параметров ионосферы вдоль поверхности земли. Сложное строение ионосферы определяет наличие нескольких альтернативных механизмов распространения радиоволн (скачковый, рикошетирующий, полноводный) между точками излучения' и приема. Помимо распространения энергии радиоволн вдоль дуги большого круга существуют и другие потоки "энергии, формирующиеся за счет отражений от горных массивов, континентов, от апроральной зоны. Вышеприведенное многообразие механизмов распространения радиоволн приводит к пониманию необходимости изучения геофизического аспекта проблемы, т.е. выявлению основных закономерностей, присущих процессу распространения радиоволн, нахождению взаимосвязи между параметрами ионосферы и характеристиками сигнала, решению вопросов, связанных с механизмами распространения. Зта задача до настоящего времени не имеет удовлетворительного ррн:ения. Длн ее решения требуется проведение широкомасштабных экспериментов, в результате которых были выявлены основные закономерности, связанные с суточными и сезонными изменениями параметров ионосферы, статистики характеристик расчросттан^ння радиоволн. диаллпега их изменений [П+29]. Кан^слее ва:лны\!л пси эт-ч я. ьля",,г,?.~ п°:стогнкг' хптудктегисточи,

определяющие направления прихода в точку приема потока энергии. Выпиленные н эксперименте регулярные изменения характеристик распространения и их статистики позволяют применить к изучению геофизического аспекта задачи распространения радиоволн методику системного анализа. При этом на первом этапе максимально упрощаются как методы расчета, так и модели описания среды распространена- ионосферы. Это позволяет выделить главные механизмы распространения радиоволн, установить основные взаимосвязи параметров ионосферы и характеристик распространения радиоволн , разработать оценочные методики расчета ^рактеристик. Сравнение рассчитанных характеристик с экспериментально полученными дает возможность установить количественный критерий соответствия на данном этапе упрощения. На втором и следующих этапах могут меняться как модели среды, так и методы расчета. Степень улучшения определяется критерием соответствия с экспериментальными данными. В настоящей работе реализован первый этап системного анализа, когда в качестве модели использована прогнозная модель ионосферы, а в качестве методов расчета используются элементы теории адиабатического инварианта 159").

Одной из важных задач является задача дальнейшего совершенствования методики и практики измерения векторных характеристик поля. Теоретической и технической основой совершенствования является развитие вычислительной техники и современных методов спектрального оценивания ["47*58]. Эта задача относится к общей задаче спектроскопии, направленной на увеличение разрешающей способности и точности спектральных оценок. При ее речении из суммарного ионосферного сигнала выделяются отдельные лучи и измеряются их характеристики. При этом оказывается устраненной междумодовая интерференция, увеличивается полнота информации о тонкой структуре ионосферы и точностные характеристики, что является крайне важным для практики связи и для пеленгации. Для решения этой задачи необходимо создание измерительного комплекса, который измеряет комплексные амплитуды суммарного сигнала в фиксированных точках на поверхности земли, и разработка метода спектрального оценивания, характеризующегося высокой разрешающей способностью. [28-34].

Целью диссертационной работы является исследование процесса распространения декаметровых радиоволн на основе измерений

векторных характеристик поля, включающее в себя следующее;

1. Получение широкого набора экспериментальных данных, включающих векторные характеристики поля, на трассах различной протяженности и ориентации и выявление регулярных изменений характеристик распространения декаметровых радиоволь и их статистик.

2. Решение на полученной экспериментальной основе ряда частных задач, в том числе

- всестороннее исследование явления внутримодоной интерференции на односкачковых трассах;

- исследование геофизических условий дальнего распространения декаметровых радиоволн.

3. Развитие методики и практики измерений векторных характеристик поля на основе современных методов спектрального оценивания.

Научная новизна работы связана с изучением процесса распространения декаметровых радиоволн на основе измерения векторных характеристик поля и заключается в следующем.

1. В получении новых экспериментальных данных, касающихся модовой структуры сигнала на односкачковой трассе и геофизических особенностей распространения декаметровых радиоволн на протяженных радиолиниях.

2. На односкачковых трассах впервые проведено детальное исследование внутримодовой интерференции. Установлено, что изменения разности фаз мевду М.И.К. происходят за счет локальных возмущений типа звукозых волн. Разработан способ определения разности фаз между М.И.К. Разработана двухлучевая статистическая модель сигнала. Показана возможность поляризационного механизма многолучевости.

3. На протяженных трассах впервые использована методика системного анализа. Она позволила выделить основной механизм распространения радиоволн, установить взаимосвязь параметров ионосферы и характеристик распространения радиоволн, разработать ряд оценочных методик расчета.

4. Разработан новый метод спектрального оценивания - метод модифицированного преобразования Фурье, отличающийся высокой разрешающей способностью. Создан 8-ми канальный анализатор углового спектра в декаметровом диапазоне. Это позволило решить задачу разделения ионосферных лучей.

I I

- ь -

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.

1. На односкачковой трассе получены статистические данные об угловых и поляризационных характеристиках выделенных во времени мод сигналов. Они дали возможность разработать элементы многолучевой статистической модели сигнала, оценить точность расчета средних угловых характеристик сигнала, разработать способ определения разности фаз между М.И.К., разработать методику расчете поляризационных характеристик на наклонных трассах, выявить поляризационный механизм многолучевости на трассах протяженностью более одного скачка.

2. На протяженных трассах установлен основной механизм распространения радиоволн (скачковый механизм), разработаны оценочные методики расчета характеристик распространения, установлена взаимосвязь параметров ионосферы и характеристик распространения радиоволн, выявлены основные закономерности сезонно-суточных изменений векторных характеристик поля и оценены их статистики.

3. Разработан метод модифицированного преобразования Фурье, отличающийся высокой разрешающей способность». Создан 8-ми канальный анализатор углового спектра б декаматровом диапазоне, работающий на основе измерений комплексных амплитуд в Фиксированных точках на поверхности земли. Решена задача разделения лучей ионосферных сигналов.

Защищаемые положения.

1. Результаты исследований на односкачковых трассах. Модовая структура сигнала. Статистика векторных характеристик выделенных во времени мод сигнала. Двухлучевая статистическая модель сигнала. Метод определения разности фаз между М.И.К. Поляризационный механизм многолучевости.

2. Результаты исследований, полученные на протяженных трассах. Выводы о взаимосвязи параметров ионосферы и характеристик распространения радиоволн, об основном механизме распространения. Оценочные методики расчета характеристик распространения радиоволн и их интерпретация. Статистика характеристик распространения.

3. Результаты разработок, направленных на совершенствование методики и практики измерений векторных характеристик поля. Разработка метода модифицированного преобразования Фурье. Создание 8-ми канального анализатора углового спектра. Решение задачи разделения лучей ионосферного сигнала.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на УШ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Горький, 1980 г.). На Всесоюзном симпозиуме "Ионосфера и взаимодействие декаметро-вых радиоволн с ионосферной плазмой" (Звенигород, 1989 г.). На Всесоюзном научно-техническом семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере" (Калининград, 1989 г.). На Всесоюзных семинарах по распространению радиоволн (Звенигород, 1978 г., Звенигород, 1987 г.). На Всесоюзном научно-техническом семинаре "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (Смоленск, 1992 г.). На Всесоюзном научно-техническом семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере" (Калининград, 1969 г.). По материалам диссертации получены два авторских свидетельства на изобретение. Содержаяие диссертации опубликовано в 38 печатных работах. Список цитируемой литературы включает 200 наименований.

Содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключена, содержит 209 страниц текста и 145 страниц с иллюстрациями. Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются основные задачи работы, дается ее общая характеристика и краткое содержание, приводится краткий обзор литературы.

В главе I представлены экспериментальные данные, полученные в экспериментах при приеме кругосветных сигналов, сигналов ИСЗ, при приеме сигналов на трассах различной протяженности и ориентации. Отличительной особенностью экспериментов является то, что в них широко представлены данные измерений угловых характеристик сигналов. Эксперименты по приему кругосветных сигналов проведены в 1979*1981 гг., в них измерялись.азимутальные и угломестные суточные реализации и амплитуда кругосветных сигналов. Подтверждены изпесткъ'О азимутальная и сезонно-суточ-ная закономерности при кругосветных сигналов, йместе

с тем полнен ряд новых экспериментальных данных. Так,установлено различие азимутальных реализаций для кругосветных (КС) и обратных кругосветных (ОС) сигналов, а также различие зимних и летних реализаций. Уточнена терминалогия КС и ОС вследствии наличия азимутальных реализаций, изменяющихся по азимуту более, чем на 160°. Установлен факт необратимости КС и ОС в отличие от более раг.них работ. Установлено лишь частичное соответствие азимутальных реализаций КС и ОС"критерию оптимальности". Эксперименты пс приему сигналов ИСЗ проведены в 1976+1977 годах. В экспериментах регистрировалось точное время, позволяющее определять местоположение ИСЗ, азимут и амплитуду сигнала. Наиболее ценные данные получены в 1977 г., когда ИСЗ находился внутри приземного канала. В главе I широко представлена статистика характеристик сигналов на протяженных трассах, иллюстрирующая вероятность приема, вероятность азимутов, углов и¿¿та. и времени приема сигналов. Сделаны выводы о ряде закономерностей распространения радиоволн на протяженных трассах. Наибольший интерес представляют данные о приеме сигналов ИСЗ с антиподных расстояний при излучении в исчезающе малые ИВК, минимум вероятности приема сигналов ИСЗ в ночное время, а также ограничение дальности приема сигналов ИСЗ, в основном, областью сущест-воьчния приземного канала.

В главе П представлены экспериментальные данные, полученные при проведении комплексного эксперимента на трассе Свердловск-Калининград в 1975+78 годах. В эксперименте регистрировались угловые и поляризационные характеристики одновременно для всех наблюдаемых мод сигнала при их временном разделении. В главе широко представлены реализации угловых и поляризационных характеристик мод ригналов, полученных на 10+15-ти минутных интервалах регистрации. Представлены гистограммы угловых и поляризационных характеристик. Показано своеобразие внутримодовой интерференции, проявляющееся как на угловых, так и на поляризационных реализациях. Экспериментальные данные выявляют влияние поперечных градиентов электронной концентрации на азимутальные отклонения мод сигнала. Установлено регулярное отклонения азимута к югу, определяемое величиной 0.08/на градус угла места. Углы места выделенных мод сигнала группируются внутри определенных угловых интервалов. Точность

определения углов места мод сигнала методом кривых Смита характеризуется в дневное время значением ±2", а в вечернее и утреннее время расчетные и измеренные углы места отличаются на ±4°. Статистика угловых характеристик представлена в таблице I, где даны средние значения и дисперсии азимутальных отклонений и углов места мод сигналов, а также (вторая колонка) диапазоны их изменений в течение суток.

Поляризационная структура выделенных мод сигнала отражает влияние внутримодовой интерференции за счет изменений разности фаз между магнитоиокными компонентами. Быстрые флуктуации углов ориентации эллипсов поляризации в линейном ( у ) и

Таблица I

Средние значения, дисперсии Диапазон изменений в течение суток

(Л 6* л Зв С< Я ¿Я,

Е 0 0.25 I 0.65 ±0.7 0+3 0.1+0.5 0.3+1

П 0.6 0.31 7 0.93 ±1.5 3+9 0.1+0.5 0.5+1.2

Р2 1.2 0.4 13 2.1 ±1.7 7+18 0.08+0.8 0.5+2.5

Р2(в) - - 23 2.5 ±2.5 18+28 - -

Без разд. луч. - - - - ±4 1+15 1+4 3+20

Трасса: Свердловск-Калининград, Д » 2400 км.

и ортогонально-круговом (*ь ) базисах не превосходят величины 2чг. В таблице 2 даны наиболее вёроят!ше значения поляризационных характеристик ^ , ¡( и их дисперсий с^, полученных на сеансе регистрации ~10+15 мин , у , I - углы ориентации эллипсов поляризации, К - коз-Ьфициент эллиптичности. Во второй колонке даны диапазоны и5с изменений в течении суток. В последней графе второй колонки даны диапазоны вращения параметров у или т, , характеризующие изменения разности фаз между чагнито-исннь'чи компонентами. Радиус автокорреляции параметров у и Ч. равен 10+25 сек. Этими цифрами определяется интервал стационарности амплитуды в статистической модели сигнала. Интервал стационарности угловых характеристик может быть принят в 54-10 мин.

Взаимная корреляция характеристик мод сигнала отсутствует. 1аким образом, во второй главе на качественном уровне дано обоснование статистической модели сигнала.

Таблица 2

Наиболее вероятные значения

»1° 6п- к

Е мод 16 50 20 18 0.125

Р1 М-Д 20 30 25 39 0.21

мод 50 30 15 15 0.2

Р2 к мод • 30 40 20 15 0.15

Диа пазон изменений

-г п." Я <34° У или

Е мод -30*60 30+70 5+30 5+31 0+2

Р1 мод -60+100 -10+80 20+40 20+50 0^4

Р2 мод -90+90 -90+90 10+25 10+27 0.14

Р2Ь мод 10+60 20+50 15+25 15+25 0+2

'Га блица 3.1 Л

Уел ^вия Вдали расчета м°^ч< Вблизи М.11.Ч. При &% возмущениях При 10? вариациях параметров ионосферы

ьдали от МЛ1.Ч. ьолизи М.П.Ч

Разность Фазовых пу- ¿.50м тей М.И.К'. Разность группов пу- 200м тей М.И.К. Разность углов места 0.05 М.И.К. Измен, (базового ПуТИ йРгр Изменение группового пути А р Гр Изменение углов прихода <80* 2км • 1° 400м 1км 0.2° 600м 2км 0.5° 1км 30км 0.5° 1.5км 30км 4° ~ 70м ~ 2км <0.5° ~ 50км 50км - 3°

В главе Ш представлены теоретические разработки вопросов распространения радиоволн на односкачковой трассе, даны результаты модельных просчетов и проведено сопоставление расчетов и данных эксперимента. В таблицу 3 сведены данные, модельных расчетов. Из этой таблицы следует, что разность (базовых путей между магнитоионными компонентами является чувствительным параметром к волнообразным возмущениям. Ее изменения находятся в соответствии с экспериментальными данными, полученными при регистрации поляризационных характеристик. Разность углов места маг-нитоионных компонент не превышает 1° и приводит к периодическим вариациям амплитуд сигнала вдоль по трассе распространения. Изменение углов места мод сигнала определяется вариациями параметров ионосферы. Следовательно, точность определения углов места в 3° достигается заданием ионосферных параметров с точнотью 10%.

В §3.2 разработана 2-х лучевая статистическая модель сигнала. Принято, что разность фаз между лучами распределена равномерно, а амплитуды сигналов распределены по закону Релея или Райса. Модель правильно описывает асимметрию гистограмм распределения угловых характеристик двухлучевого сигнала, знак и амплитуду "выбросов" углов прихода лучей. В §3.3 теоретически рассмотрено влияние интерференции на поляризационные характеристики мод сигнала. Разработана методика определения разности Фаз между магнитоионными компонентами. Она может быть применена как при продольных условиях распространения радиоволн, так и при поперечных в отличие от широко известного "эффекта 5арадея", который может быть применим только при квазигсродольных условиях распространения. Основой методики является представление эллипса поляризации в линейном и ортогонально-круговом базисах. В §5 3.4, 3.5, 3.6 разработана методика расчета поляризационных характеристиках на наклонных трассах. Сопоставление с экспериментом дает удовлетворительное совпадение для Е мода и для Р2 мода, в случае, когда одна из магнитоионных компонент просачивается через ионосферу. В 53.7 дано обоснование нового поляризационного механизма многолучевоети на протяженных трассах. При отражении от поаерхности земли поляризация магнитоионных компонент искажается. Уто приводит к новому разделению каждой магнитоионной компоненты при входе их в ионосферу

вследствие отличия от предельной поляризации. Поляризационный механизм многолучевости существенен для дальнего распространения радиоволн. Он создает сложную лучевую структуру сигнала и приводит к невозможности точных траекторных расчетов.

В четвертой главе диссертационной работы проведен анализ условий дальнего распространения радиоволн на основе полученных данных, включающих векторные характеристики радиоволн. Использована методика системного анализа. В качестве входных параметров приняты параметры ионосферы, а в качестве выходных -характеристики распространения радиоволн. Решается основная задача системного анализа: установление взаимосвязи между входными и выходными параметрами. В условиях большого количества факторов, влияющих на процесс распространения, установление взаимосвязи между входными и выходными параметрами осуществляется поэтапно. На первом этапе выявляются наиболее существенные факторы и функции взаимосвязи. Это реализуется на основе максимального огрубления как методов расчета, так и моделей описания среды распространения - ионосферы. В настоящей работе в качестве модели взята прогнозная модель ионосферы, в качестве метода расчета - теория адиабатического инварианта в той ее части, которая определяет физически ясные понятия об объемах приземного и ионосферного волнового канала (ИВК). а также адиабатические инварианты. Это позволяет на данном этапе установить ряд зависимостей характеристик распространения и сравнить их с экспериментально измеренными. Степень соответствия устанавливается критерием среднеквадратичного отклонения. Появляется количественный критерий наших знаний о процессе распространения радиоволн на данном этапе огрубления. В дальнейшем, на следующих этапах, модель "ионосферы может быть заменена на более разработанную, а методы расчетов - на более точные. Целесообразность таких замен контролируется количественным критерием среднеквадратичного отклонения теории и эксперимента. В настоящей работе реализован первый этап системного анализа. В §4.2 исследуются характеристики ионосферных каналов от параметров ионосферы. Установлен противоположный характер изменений объема приземного канала и объема ИВК в зависимости от изменений На основании этих данных обосновывается вывод

о том, что характеристики дальнего распространения связаны,

в основном, с приземным каналом, а не с ИВК. Более точно, с параметрами ионосферы в области минимума объема канала, реали-зирухлцегося на радиотрассе. Этот вывод подтверждается в §4.3 рядом экспериментальных данных. В §4.4 дана методика расчета угловых спектров при дальнем распространении радиоволн. Основой методики 'является тезис об определяющем влиянии параметров ионосферы в области на трассе, где реализуется минимум объема канала. Угловой спектр сигнала в точке приема может быть выражен формулой

где д,(<Л, ^-диаграммные множители передающей и прием-

ной антенных систем,

- влияние ионосферы на угловой спектр сигнала. В вертикальной плоскости ^¡(и,/}) определяется параметрами ионосферы в области минимума объема канала. Для кругосветных сигналов при предположении изотропности антенных систем излучателя и приемника может иметь максимумы и некоторых выделенных азимутальных направлениях. На них реализуются максимальные значения минимумов объемов каналов. Следовательно, эти направления энергетически более выгодны и измеряемые азимуты будут совпадать с ними. В §4.5 представлены экспериментальные данные, иллюстрирующие хорошее совпадение измеренных азимутов и углов места с определёнными по данной методики. В §4.6 дана методика расчета вероятности приема сигнала на протяженных трассах. Вероятность приема сигнала является одной из важных характеристик трассы. Она зависит от большого количества параметров, однако наличие на протяженной трассе области с миниг^умом объема канала, позволило выделить наиболее существенную физическую причину, определяющую статистику амплитуды сигнала в точке приема. Она связана со статистикой параметров ионосферы в области минимума объема канала. Вероятность приема сигнала связана с вероятностью существования приземного канала, которая определяется условием

где 20 - определяет минимум функции п ( ¿);

ва - определяет точку на трассе, где п'(20) минимально.

»

Условие (?) переводится в выражение

{огрътгр

ГДе 9(^,2^)- плотность распределения параметров ионосферы в .точке с минимумом объема канала на трассе. {огр , Ътг(> ~ гРа_ ничная частота и .высота максимума Р2 слоя ионосферы, определяющие вырождение приземного канала. Если предположить, что плотность распределения /0 , 2т подчиняется нормальному закону, то вероятность приема сигнала сводится к табулированной функции ошибок. 3 §4.7 представлены экспериментальные данные, иллюстрирующие хорошее соответствие с расчетом по изложенной методике. В §4.8 изложена методика расчета поглощения на протяженных трассах. С учетом тезиса об определяющем влиянии параметров ионосферы в области на трассе, где реализуется минимум объема канала, методика расчета поглощения значительно упрощается. Коэффициент поглощения в этом случае является сложной функцией зенитного угла Солнца и слабо зависит от угла места £ .

Г-- _(4)

где Функциональная зависимость поглощения от зенитно-

го угла Солнца . Интегральное поглощение на трассе выражается соотношением

д = До У К (в*) $У?9яс1вл; (5)

которое положено в основу расчета поглощения. Частотная зависимость на трассе при этом оказывается в виде

А--С0А5* . (6)

позволяя выделить эффекты поглощения на разных частотах. Интеграл в (5) зависит от вида функции К(в5) и расположения точек излучения и приема на поверхности земли 0*1 , д&г . Параметр определяет минимальное значение зенитного угла

Солнца на дуге большого круга, совпадающего с радиотрассой. Функциональная зависимость К Сбь) определяется средним значением по высоте произведения электронной концентрации /ч/ и частота соударений у .. .-

К (Ва) = <7>

Эта функциональная зависимость имеет максимум в подсолнечной точке и э авроральных зонах и может быть аппроксимирована простыми выражениями, что дает возможность проинтегрировать выражение (5). В §4.9 показано, что экспериментальные данные находятся в хорошем соответствии с расчетом по данной методике. Различие в приеме кругосветных сигналов на частотах ТО ч 15МГц объясняется фактором поглощения. При приеме сигналов ИСЗ с помощью методики расчета поглощения показана азимутальная анизотропия дальности приема. Максимальная дальность отмечается по направлению вдоль линии терминатора. В §4.10 лучевые построения в области фокального пятна дают возможность объяснить необратимость траекторий кругосветного и обратного кругосветного сигналов. Кругосветные (КС) и обратные (ОС) кругосветные сигналы имеют различные характеристики (например, азимутальные реализации) вследствии различного расположения точки приема относительно каустик КС и ОС. Если точка излучения и приема совмещены, то трассы КС и ОС обратимы, т.е. геофизические факторы действуют на КС и ОС одинаково.

Таким образом, применение системного анализа на первом этапе позволило с точки зрения распространения радиоволн в припемной канале объяснить совокупность экспериментальных данных, з том числе азимутальную и суточно-сезонную закономерности при приеме кругосветных сигналов, особенности распространения сигналов ИСЗ, особенности распространения сигналов на трассах различной протяженности и ориентации. Разработанные в рамках первого этапа системного анализа оценочные методики расчета характеристик распространения находятся в хоргаем соответствии с экспериментом и позволяют в дальнейшем установить количественный критерий соответствия.

В Главе У рассмотрен вопрос о возможности разработки новых методов измерения векторных характеристик псля на основе современных методов спектрального оценивания [474^50] = Основным является вопрос о повышении разрешающей способности для обеспечения разделения лучей ионосферного сих нала и устранения эффектов междумедовой интерференции. Для решения этого вопроса разработан новый метод спектрального оценивания: метод мо-

дифицированного преобразования Фурье. Его основы изложены в §5.1. Метод отличается своеобразным решением известного функционала и определенной универсальностью, позволяющей использовать неэквидистантные отсчеты данных и производить пространственно-временную обработку. Для проверки возможностей метода разработан 8-ми канальный макет анализатора углового спектра, который измеряет комплексную амплитуду суммарного сигнала в 8-ми фиксированных точках на поверхности земли. Его описание дано в §5.2. Проведено широкое исследование метода МПФ с помощью моделирования: на макете с помощью выносных гетеродинов, имитирующих одно и двух лучевое поля; на макете при приеме реальных сигналов получено следующее: 8-ми канальный макет анализатора углового спектра с пространственной апертурой П5м обеспечивает высокие точности измерения характеристик поля в условиях однолучевого приема в широком частотном диапазоне. Разрешающая способность сильно зависит от отношения сигнал/шум. При типичных отношениях сигнал/шум ~15*20 дБ реальная разрешающая способность увеличивается в 2*3 раза. Этого оказалось недостаточно для разделения лучей ионосферного сигнала. Для увеличения разрешающей способности разработан пространственно-временной алгоритм обработки данных. Он позволил решить задачу разделения лучей ионосферного сигнала при временной базе данных 4сек и пространственной базе данных П5м в условиях одно, двух, трех лучевой структуры сигнала в точке приема. Эти данные изложены в §5.4 настоящей работы. Таким образом, решена задача в области совершенствования методов измерения векторных характеристик поля в декаметровом диапазоне волн.

Основные результаты диссертационной работы.

Настоящая работа направлена на изучение процесса распространения декаметровых радиоволн на основе измерений векторных .характеристик поля на трассах различной протяженности. Основными результатами являются следующие.

I. На оснсве созданного уникального комплекса аппаратуры проведены широкомасштабные измерения характеристик сигналов на трассах различно?, протяженности и ориентации. Получена новые данные с процессе распространения дгкаметроЕкх

»

радиоволн. В частности,получены:

1. Суточные реализации и статистика временных изменений азимутов и углов места кругосветных сигналов.

2. Временные изменения азимутов и амплитуд сигналов ИСЗ.

3. Статистика временных изменений угловых и поляризационных характеристик выделенных во времени мод сигналов на односкачковой трассе.

4. Временные изменения азимутов, углов места и амплитуд на трассах различной протяженности и ориентации.

П. Проведено исследование геофизических условий распространения декаметровых радиоволн на трассах различной протяженности. Получено следующее:

1. Установлена взаимосвязь параметров ионосферы в области минимума объема приземного какала и характеристик дальнего распространения радиоволн.

2. Разработаны методики оценки углов места, азимутов,

вероятности приема, поглощения на протяженных трассах.

- п * тротаи

3. В рамках^распространения радиоволн в приземном канале объяснены азимутальная и сезонно-суточная закономерности при приеме кругосветных сигналов. Дано обоснование критерию оптимальности.

4. Изучено явление внутримодовой интерференции на односкачковой трассе. Установлено, что внутримодовая интерференция создается за счет изменений разности фаз между магнитоионными компонентами, обусловленных воздействием волнообразшх воз^чущений в ионосфере типа звуковых волн. Разработана двухлучевая статистическая модель сигнала.

5. Разработан способ определения изменений разности фаз между магнитоионными компгрентами. Установлен поляризационный механизм возникновения многолучевости на протяженных трассах.

III. Реализован переход к новым методам измерения векторах характериститс. Вместо измерений на основе классического преобразования Фурье развиты измерения на основе современных методов спектрального оценивания и многоканальных приемных устройств. При этом получено следующее:

t

1." Создан 8-ми канальный анализатор углового спектра, обладающий повышенной разрешающей способностью.

2. Разработан новый метод спектрального оценивания -метод модифицированного преобразования Фурье ШПФ).

3. Решена задача разделения лучей многолучевого ионосферного сигнала с помощью пространственно-временной обработки данных.

4. Подтвержден эффект локального замедления радиоволн :ри наличии замедляющих структур в точке приема.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Пахотин В.А. Поляризация радиоволн КВ диапазона на •наклонной трассе //-Геомагнетизм и аэрономия,- 1977.- т.17,

№4.- с.57.

2. Пахотин В.А. Эффект Фарадея при квазипоперечном распространении радиоволн // Теоретические и экспериментальные исследования распространения декаметровых радиоволн. - М.: Наука,

1976. - с.96.

3. Пахотин В.А., Токарь В.Г. Применение эффекта Фарадея для исследования ионосферы на наклонных трассах // Дифракционные эффекты декаметровых радиоволн в ионосфере. - М.: Наука,

1977. - с.122.

4. Лянной Б.Е., Пахотин В.А., Сергеенко О.С. Аппаратурный комплекс для исследования характеристик КВ радиосигналов //Тра-екторные характеристики коротких радиоволн. - М.: ИЗМИРАН СССР, 1978.- 50.'

5. Агафонников Ю.М., Ефимук С.М., Пахотин В.А. Оценка флуктуаций угловых характеристик в условиях многолучевого приема //Распространение радиоволн в ионосфере. - М.: ИЗМИРАН СССР, 1978. - с.24.

6. Пахотин В.А. Способ исследования магнитоактивной плазмы /- Авторское свидетельство № 668549.

7. Пахотин В.А. Исследование угловых и поляризационных характеристик выделенных во времени мод сигналов: Кандидатская диссертация/ КГУ, 1978.

3. Пахотин В,А., Агафонников Ю.М. Экспериментальные исследования характеристик выделенных во времени мод сигнала //Во-

просы распространения радиоволн в высоких и средних широтах,

- М.: ИЗМИРАН СССР, 1979, - с.40.

9. Пахотин З.А. Экспериментальные исследования поляризационных характеристик выделенных во времени мод сигнала //Вопросы распространения радиоволн в высоких и средних широтах,

- М.: ИЗМИРАН СССР, 1979.- с.50.

10. Пахотин В.А., Агафонников ХЗ.М., Мальцев A.B. О корреляции характеристик сигнала при разнесении по частоте и пространству //-Распространенa-j радиоволн в ионосфере,- М., 1985.- с.21.

11. Попов A.B., Пахотин В.А., Конюшенко С.М., Синюгин Ю.Н. Характеристики приема КС и структура фокального пятна //Распространение радиоволн в ионосфере.- М.: 1ШИРАН СССР, 1985.-с.ЗО.

12. Конюшенко С.М., Пахотин В.А., Синюгин Ю.Н., Черка-шин Ю.Н. О влиянии параметров ионосферы в области излучения на прием дальних сигналов ИСЗ //Распространение радиоволн в ионосфере.- М.: ИЗМИРАН СССР, 1983.- с.28.

13. Пахотин В.А., Синюгин Ю.Н., Черкавши Ю.Н. Исследование условий прохождения кругосветных сигналов при максимуме солнечной активности //Геомагнетизм и аэрономия, 1982.- №3 -с.503.

14. Евдокимова Т.С., Лянной Б.Е., Пахотин В.А., Черка-шин Ю.Н. Наземный прием дальних радиосигналов декаметрового диапазона, излученных ИСЗ. Часть I. // Распространение де-каметротзых радиоволн.- М.: ИЗМИРАН СССР, 1980.- с.102.

15. Пахотин В.А., Агафонников Ю.М., Мальцев A.B., Синюгин Ю.Н. Аппаратурный комплекс для исследования вопросов распространения радиоволн.- М.: ИЗМИРАН СССР, 1983.- с.141.

16. Коню-пенко С.М., Пахотин В.А. Результаты исследований условий дальнего приема сигналов КЗ диапазона //Тезисы докладов на УП1 Всесоюзной конференции по распространение радиоволн,- Горький, 1980.- с.136.

17. Конюшенко С.М., Пахотин'В.А. Дальнее распространение радиоволн при поднятом над поверхностью земли излучателе /'/Тезисы докладов на ХШ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн.- Горький, 1981,- с.191.

18. Конюшенко С.М., Лянной Б.Е., Пахотин В.А. Дальнее распространение радиоволн от излучателя, находящегося в ионосфере //Геомагнетизм и аэрономия, 1982.- Т.22.- №3.- с.418.

19. Конюшенко С.М., Лахотин В.А., Синюгин Ю.Н., Черка-шин Ю.Н. Влияние критической частоты F2 области ионосферы на прием КС// Геомагнетизм и аэрономия, 1985.- Т.2Ь.- №4.-с.683.

20. Конюшенко С.М., Лянной Б.Е., Пахотин В.А., Синюгин D.H., Черкашин Ю.Н. Результаты экспериментальных исследований условий дальнего распространения декаметровых радиоволн.//Исследование условий распространения радиоволн.- М.: ИЗМИРАН СССР, 1983.- с.102.'

21 Конюшенко С.М , Мальцев A.B., Пахотин В.А., Шрам-ко Г.В. О вероятности приема сигналов на протяженных трассах //Геомагнетизм и аэрономия. 1987.- Т.27.- №1.- с Л51.

22. Конюшенко С.М., Мальцев A.B., Пахотин В.А., Синюгин Ю.Н., Щрамко Г.В. Оценка поглощения радиоволн на протяженных трассах. //Геомагнетизм и аэрономия. 1987.- Т.22.-с.222.

23. Пахотин В.А., Конюшенко С.М., Лянной Б.Е. О поглощении радиоволн от излучателя, находящегося в ионосфере //Геомагнетизм и аэрономия. 1987.- М.- с.679.

24. Конюшенко С.М., Пахотин В.А. Геофизические условия дальнего распространения радиоволн КВ диапазона //Геомагнетизм и аэрономия.

25. Конюшенко С.М., Мальцев A.B., Пахотин В.А., Шрам-ко Г.В. Оценка поглощения радиоволн на протяженных трассах. //Геомагнетизм и аэрономия. 1987.- Т.22.- с.222.

26. Пахотин В.А., Конюшенко С.М. О влиянии ионосферных условий в пункте наблюдений на прием сигналов ИСЗ //Геомагнетизм и аэрономия. 1688,- Т.28.- №2.- с.679.

27. Конюшенко С.М., Мальцев A.B., .Пахотин В.А., Шрам-ко Г.В. Оценка углов места на протяженных трассах. //Труды КИМР'.- №12.- 1989.

28. Пахотин В.А., Синюгин Ю.Н., Шрамко Г.В., Бочкарев Г.С. Исследование ракурсного КВ-рассеяния на искусственных ионосферных неоднородноетях //Распрос трзнвнис р&диоволн в коно— ciS-p".- М.: ИЗЮРДК СССР, 1936.- с.94.

29. Пахотин В.А., Бочкарев Г.С., Рудыка Л.К. Распространение КЗ сигналов через искусственно возмущенную ионосферу //Дифракционные эффекты коротких радиоволн.- М.: ИЗМИРАН СССР. 1981.- с.38.

30. Пахотин В.А., Мальцев A.B., Бессонов В.А., Шипи-лов 3.JI., Шрамко Г.В. Метод модифицированного преобразования Фурье и его приложения. //Всесоюзный научно-технический семинар "Распространение радиоволн в ионосфере".- Калининград, июнь 1989.- с.16.

31. Пахотин В.А., Конюшенко С.М., Бессонов В.А., Шрамко Г.В. Метод модифицированного преобразования Фурье.//Сб. XI зонального совещания зав. кафедр и Еедущих преподавателей по физике вузов Белоруссии, Литвы, Латвии, Эстонии, Калининградской области.

32. Пахотин В.А., Конюшенко С.М., Бессонов В.А., Шрамко Г.В. Разрешающая способность оптических инструментов и спектроанализаторов.//Сб. Тезисы XI зонального совещания зав. кафедр и ведущих преподавателей по физике Белоруссии, Литвы, Латвии, Эстонии и Калининградской области.

33. Пахотин В.А., Бессонов В.А., Мальцев A.B., Копылов Ю.В., Агафонников Ю.М. Результаты анализа экспериментальных данных, полученных с помощью автоматизированного приемного комплекса. //Сб. Всесоюзный научно-технический семинар "Распространение радиоволн в ионосфере".- Калининград, июнь 1989.- с.48.

34. Бессонов В.А., Егоров И.Б., Копылов Ю.В., Пахотин В.А., Шипилов В.Л. АзтоматизироБанный приемный комплекс АПК-Радуга. //Сб. Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума "Ионосфера и взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой" (ч.2). - М., 1989.- с.25.

35. Бессонов З.А., Конюшенко С.М., Пахотин В.А., Шрамко Г.З. Метод модифицированного преобразования Фурье. //Сб. Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума "Ионосфера и взаимодействие декаметровых радиоволн с ионосферной плазмой" (ч.2).- М., 1989.- с.26.

36. Пахотин В.А.,' Конюшенко С.М., Бессонов В.А., Шрамко Г.В. Метод модифицированного преобразования Фурье. //Геомагнетизм и аэрономия.- М., 1992.

Цитируемая литература

37. Terence J.Elkins, Kurt Toman, Cary 3.Saleo. Theoretical and experimental studies of HP ducted propagation. Deputy for Electronic Technology, (RADC/EEP), Hanson APB, Maaea-chusetts 01731•

38. Казанцев A.H., Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнитоак-тивной ионосфере.//Космические исследования, 1967.- Т.5.-с.583.

39. Аналитические методы в теории дифракции и распространения радиоволн. Под ред. Бутаковой C.B. - M., 1970.- 183 С.

40. Лучевое приближение и вопросы распространения радиоволн. Под редакциейКияновского М.П.- М. : Наука. 1971.- 153 С.

41. Яковец А.Ф. //Геомагнетизм и аэрономия, 1972.- T.I2.-М.- с.69.

42. Fenwick R.B., Villard O.G.- J.Geophya.Ree., 1963,68, p.5659.

43. Fenwick R.B. Road-the-Yíorld High-friquensi propagation. Techn.rep.71, Radio Lab. Standford Univ., 1963«

44. Островский И.Я., Шлионский А.Г. Азимутальные, временные и частотные закономерности распространения кругосветных сигналов //Вопросы распространения коротких радиоволн.- М.: ИЗМИРАН СССР, 1974.- ч.2.- с.52.

45. Островский И.Л. К вопросу об обратимости кругосветных радиолиний //Вопросы распространения коротких радиоволн. - Ы.: ИЗМИРАН СССР, 1974.- ч.2.- с.61.

46.,Агарышев А.И., Унучков В.Е. Применение фазового радиопеленгатора для изучения углов прихода кругосветных сигналов //Геомагнетизм и аэрономия, 1975.- 'Г.15.— №4.- с.754.

47. Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: пер. с англ. - М., Мир; 1990.- 584 с.

48. Кеннон Дж. Пространственно-временной спектральный анализ с высоким разрешением. //ТИИЭР, 1969.-Т.57.- №8.-С. 234-247.

49. Кириллов Н.Е. Об оптимальной пространственно-временной обработке сигналов в условиях многолучевости и сосредоточенных помех.//Передача информации по радиоканалам.-М., паука, 1976.- С.45-59.

50. Гейбриэл У.Ф. Спектральный анализ и методы сверхразрешения с использованием адаптивных антенных решеток.//ТИИЭР, 1980,- Т.)■§.- C.I9-32.

51. Пак A.M. Повышение разрешащей способности радиотехнических систем KB диапазона путем обработки многомодового сигнала: Кандидатская диссертация/Ленинград, 1985.

52. Burg J.P. Maximum antropy analysis. Prezented at the 37th annueo international seq meeting. Oklahoma Sity, 1967.

53. Anderaen II. On the calculations after coeffiaients for maximum entropy opektral analysis. Geophoics, 1974, 39. P.69-72.

54.Ulrich T.J. and Bishop T.P. Maximum entropy apektral analysis and antoregrescive deccopoaition. Rov. Geophys. Space Phya., 1975, 13. P.183-200.

55. Cawaey D. Numerical methods for wave front analiaia. I bud, 1972, 119 (9). P.1237-1242.

56. Gething P.J. Analiois of multicom poneht wave fields. I bid, 1971, 118 (10). P.1333-1338.

57- Onibranim H. Prony, Piaarenko, and the Matrix Pen-ail. A Unifield Presentation IEKP TRANSACTIONS on acouatice speech and signal processing. V.37. K1, January, 1989 =

53. Кларк П.Г., Тиббл Д.В. Измерение углов прихода в вертикальной плоскости компонент многомодовых волн, отраженных от ионосферы в KB диапазоне.

59. Гуревич А.В., Цедилина Е.Е. Сперхдальнее распространение коротких радиоволн.- М.: Наука, 1979. - с.248.