Влияние ионосферных неоднородностей на энергетические и траекторные характеристики ВЧ радиоволн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ
|
Вертоградов, Виталий Геннадьевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Ростов-на-Дону
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Вертоградов Виталий Геннадьевич
ВЛИЯНИЕ ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ТРАЕКТОРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЧ РАДИОВОЛН
Специальность 01.04.03 - радиофизика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
21 НОЯ 2013
Ростов-на-Дону - 2013 г.
005539139
Работа выполнена на кафедре прикладной электродинамики и компьютерного моделирования физического факультета Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет».
Научный руководитель: Денисенко Павел Федорович
доктор физико-математических наук, профессор,
Официальные оппоненты:
Караштин Анатолий Николаевич, доктор физико-математических наук, заведующий отделом «Мониторинга верхней атмосферы Земли на основе контролируемых воздействий» ФГБНУ «Научно-исследовательский радиофизический институт»
Таран Владимир Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения», профессор кафедры «Связь на железнодорожном транспорте»
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет»
Защита состоится 20 декабря 2013 г. в 1400 час. на заседании диссертационного совета Д 212.208.10 в Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, Южный федеральный университет, физический факультет, ауд.318.
С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.
Автореферат разослан « /3 » ноября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.208.10, доктор физико-математических наук, профессор
Г.Ф.Заргано
2. Создание численной модели наземно-спутникового эксперимента по прямому наблюдению во внутренней ионосфере эффекта статистической трансформации обыкновенных волн в медленные необыкновенные (г) при рассеянии на мелкомасштабных естественных неоднородностях ионосферы.
3. Комплексные экспериментальные исследования тонкой структуры искусственных неоднородностей, инициированных мощным нагревным стендом «Сура», по средствам изучения характеристик ракурсно-рассеянных сигналов при различных условиях модификации ионосферы.
Достижение поставленных целей потребовало решение следующих задач.
1. Проведение регулярной регистрации интерференционной структуры поля х-волн в моменты прохождения прикаустической области через пункт наблюдения Ростов. Модернизация методики оценки затухания радиоволн вблизи границы мертвой зоны с учетом геомагнитного поля, сферичности Земли и ионосферы. Получение статистически достоверных данных о характере затухания излучения в прикаустической области.
2. Разработка численного метода расчетов характеристик ^-сигналов во внутренней ионосфере. Выбор на основе моделирования оптимальных условий эксперимента по обратному трансионосферному зондированию.
3. Создание экспериментального стенда для синхронных измерений энергетических, угловых и пространственно-временных характеристик прямых и рассеянных сигналов во всем диапазоне коротких волн.
4. Проведение комплексных экспериментов по исследованию искусственных ионосферных неоднородностей при воздействии на ионосферу мощного КВ излучения нагревного стенда «Сура».
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Обнаружен новый эффект - дополнительное усиление сигнала на границе мертвой зоны, не связанное с фокусировкой.
2. На основе имитационного моделирования определены оптимальные условия для проведения наземно-спутникового эксперимента с целью прямого подтверждения существования эффекта статистической трансформации о-волн в г-волны.
3. В рамках работы обоснована возможность создания, разработаны основные алгоритмы и построен макет уникального аппаратно-программного комплекса ЛЧМ-зонда/пеленгатора, который наряду с традиционными дистанционно- и амплитудно-частотными характеристиками на трассе наклонного зондирования позволяет получать двухмерные угловые—частотные характеристики как регулярных ионосферных мод распространения, так и сигналов, ракурсно-рассеянных ионосферными неодно-родностями.
4. На основании сопоставления данных двухмерных угловых- и дистанционно-частотных характеристик диагностирующих сигналов показано, что возмущенная область имеет сложную изменяющуюся с течением времени пэтчевую структуру.
5. Выявлены закономерности и особенности формирования, развития и релаксации области заполненной мелкомасштабными искусственными ионосферными не-однородностями (МИИН) в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях.
2004; Proceedings of XXVIIIth General Assembly of URSI, India, 2005; 36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, China, 2006; VII International Suzdal URSI Symposium "Modification of Ionosphere by Powerful Radio Waves", Moscow, 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 печатных работ, включая 22 статьи в журналах, 17 из них - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования материалов диссертаций; зарегистрировано 6 патентов РФ.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы; изложена на 187 страницах и включает 86 рисунков, 13 таблиц. Список цитируемой литературы представлен на 17 страницах и содержит 168 литературных ссылок.
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные цели и задачи исследований, формулируются положения, выносимые на защиту, приводится краткое содержания работы.
В первой главе приводится краткий исторический обзор экспериментальных и теоретических исследований в области изучения потерь ВЧ радиоволн в ионосфере при наклонном и вертикальном зондировании, рассматриваемый с точки зрения современного состояния проблемы. Выделяются основные причины дополнительных бесстолкновительных потерь [1], приводящих к несоответствию экспериментально измеренных и оцененных газокинетических значений поглощения радиоволн при наклонном и вертикальном распространении. К ним относятся: малоугловое рассеяние на крупномасштабных неоднородностях, имеющее максимальный эффект при наклонном распространении волн на границе мертвой зоны, и аномальное поглощение вертикально распространяющихся волн обыкновенной поляризации вследствие их статистической трансформации в медленные необыкновенные z-волны при рассеянии на мелкомасштабных неоднородностях.
Вторая глава диссертационной работы посвящена модификации и экспериментальной апробации методики, предложенной в работе [2], по оценке в F области энергетических потерь ВЧ волн с частотами, близкими к МПЧ, на основе анализа зарегистрированных интерференционных картин в окрестности ГМЗ. Параметром, определяющим потери, является эффективная частота соударений электронов - ve. Моделирование показало, что методика-прототип, не учитывающая сферичность земной поверхности и ионосферы, влияние геомагнитного поля, приводит к завышенным оценкам частоты соударений порядка 10%. Для устранения недостатка достаточно, во-первых, перейти к квазипараболическому приближению распределения электронной концентрации (1):
1 0 , г<г0
где г = re+h - расстояние от центра Земли, ге - радиус Земли; гп - высота начала слоя в геоцентрической системе координат, rm = re+hm - высота максимума параболического распределения с критической частотой fc и полутолщиной слоя ут.
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»
Вертоградов Виталий Геннадьевич
ВЛИЯНИЕ ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ТРАЕКТОРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЧ РАДИОВОЛН
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Денисенко Павел Федорович
На правах рукописи
04201452776
01.04.03 - радиофизика
Ростов-на-Дону - 2013 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение....................................................................................................4
Глава 1. Затухание декаметровых радиоволн в ионосфере....................................21
1.1. Состояние проблемы в области исследования энергетических потерь ВЧ волн в ионосфере при ее вертикальном зондировании..............................................21
1.2. Состояние проблемы в области исследования энергетических потерь ВЧ волн в ионосфере при ее наклонном зондировании..................................................23
1.3. Выводы..........................................................................................25
Глава 2. Энергетические потери ВЧ радиоволн вблизи МПЧ.................................26
2.1. Определение энергетических потерь ВЧ волн вблизи границы мертвой зоны ...26
2.1.1. Основные приближения для расчета характеристик КВ без учета магнитного поля................................................................................ 28
2.1.2. Основные приближения для расчета характеристик КВ с учетом сферичности и магнитного поля Земли....................................................30
2.1.3. Методика оценки эффективной частоты соударений электронов по наблюдениям интерференционной картины вблизи границы мертвой зоны......36
2.1.4. Методика измерения характеристик сигналов вблизи МПЧ...................39
2.2. Основные результаты главы.................................................................48
Глава 3. Аномальное поглощение обыкновенных волн и их статистическая трансформация в медленные необыкновенные...................................................49
3.1. Состояние проблемы..........................................................................49
3.2. Методика и условия расчета лучевых траекторий......................................53
3.2.1. Геометрооптическое приближение как метод исследования трансионосферного распространения ДКМВ.............................................53
3.2.2. Модель ионосферы......................................................................59
3.3. Основные результаты моделирования эксперимента..................................59
3.3.1. Идея эксперимента......................................................................59
3.3.2. Вид модельных трансионограмм, полученных вблизи зоны трансформации.................................................................................65
3.4. Основные результаты и выводы главы 3..................................................70
Глава 4. Новые цифровые аппаратно-программные комплексы диагностики возмущенной ионосферы..............................................................................71
4.1. Актуальность проведения экспериментальных исследований влияния естественных и искусственных ионосферных неоднородностей на распространение
радиоволн.........................................•....................................................71
4.2. Многочастотный доплеровский радар.....................................................72
4.3. ЛЧМ-зонд.......................................................................................76
4.4. Широкобазисный КВ пеленгатор с доплеровским разделением лучей............79
4.5. Многоканальный ЛЧМ-зонд/пеленгатор.................................................83
4.5.1. Методика определения энергетических, угловых и частотно-пространственно-временных характеристик рассеянных сигналов с помощью многоканального ЛЧМ-зонда/пеленгатора................................................84
4.5.2. Устройство и основной алгоритм работы ЛЧМ-зонда/пеленгатора.........86
4.5.3. Примеры результатов использования ЛЧМ-зонда/пеленгатора для получения энергетических, частотно-пространственно-временных характеристик сигналов, распространяющихся в условиях искусственно возмущенной ионосферы........................................................................................92
4.6. Основные результаты и выводы главы 4................................................102
Глава 5. Экспериментальные исследования аномальных эффектов распространения радиоволн при исскуственной модификации ионосферы.....................................103
5.1. Состояние проблемы........................................................................103
5.2. Ионосферные эффекты, обусловленные воздействием мощных магнитных бурь 103
5.3. Характеристики ракурсно-рассеянных сигналов в условиях искусственно-возмущенной ионосферы ...:..................................................116
5.3.1. Исследование общих закономерностей образования и релаксации ракурсно-рассеянных сигналов..........................................................................120
5.3.2. Исследование характеристик ракурсно-рассеянных сигналов...............125
5.4. Пэтчевая структура искусственно-возмущенной области ионосферы............140
5.5. Гирогармонические свойства генерации искусственных неоднородностей.....146
5.6. Основные результаты и выводы главы 5................................................162
Заключение..............................................................................................165
Список сокращений и условных обозначений...................................................169
Литература..............................................................................................171
4 '
ВВЕДЕНИЕ
Ионосферная плазма практически всегда находится в возмущенном состоянии. Возникающие при этом неоднородности различных масштабов, даже относительно слабые, оказывают заметное влияние на энергетические и траекторные характеристики распространяющихся высокочастотных (ВЧ) радиоволн. И, не смотря на продолжительную историю изучения физики ионосферных процессов, возникают ситуации, когда результаты экспериментальных измерений параметров распространения сигналов в значительной мере не согласуются с теоретическими оценками. Исследование аномальных эффектов, приводящих к дополнительным энергетическим потерям и сильным траек-горным искажениям, степени участия в данных процессах различных гелио- и геомагнитных условий, представляет не только научный интерес, но и необходимо для уточнения моделей ионосферного канала и решения задач расчета и прогнозирования каналов связи в условиях максимально приближенных к реальным. Изучение особенностей формирования и развития областей, заполненных ионосферными неоднородностями, важны для решения задач обнаружения, идентификации и пространственно-временной локализации ионосферных образований и эффектов, связанных с ними.
Методы и средства изучения ионосферной плазмы чрезвычайно разнообразны. Наряду с результативными, но дорогостоящими экспериментами, связанными с использованием спутниковой и/или ракетной техники, имеют место более простые и наиболее распространенные - основанные на измерении параметров диагностических сигналов, излучаемых и принимаемых с поверхности Земли. При этом методики проведения исследований можно разделить на два основных класса. Первые - пассивные, основанные на линейных эффектах, возникающих при прохождении или отражении ВЧ радиоволн от естественно возмущенной ионосферы, позволяют определить как характеристики самого диагностического излучения, так и многие параметры непосредственно в ионосферной плазме [1-8]. Пассивность понимается в том смысле, что при использовании таких методов состояние плазмы ощутимым образом не меняется. Ко второму классу относятся активные методы исследования ионосферы, связанные с целенаправленной модификацией параметров плазмы, путем воздействия на нее узким пучком мощных волн коротковолнового диапазона, что позволяет контролировать процессы формирования и развития искусственных неоднородностей, упрощая процесс исследований с данной точки зрения. Последнее время такие методы получили интенсивное развитие.
Актуальность диссертационной работы связана с исследованием влияния неод-нородностей на энергетические, угловые и спектральные характеристики распространяющихся в ионосферной плазме сигналов, осуществляемым с использованием новейших, в том числе и разработанных в рамках данной работы, методик и аппаратно-программных комплексов, как пассивными, так и активными методами изучения ионосферной плазмы. Кроме того, разработанные экспериментальные макеты, позволяющие получать как энергетические, так и пространственные параметры регулярных и нерегулярных ионосферных образований, наряду с решением исследовательских задач, могут применяться для диагностики канала распространения в реальном масштабе времени, что чрезвычайно актуально с практической точки зрения.
Предметом исследования диссертационной работы являются эффекты рассеяния ВЧ радиоволн на естественных неоднородностях электронной концентрации ионосферы, приводящие к дополнительному бесстолкновительному затуханию излучения; эффекты ракурсного рассеяния и характеристики искусственных неоднородностей при модификации ионосферы мощным КВ излучением среднеширотного нагревного стенда «Сура» в различных естественных состояниях ионосферной плазмы.
Целью диссертационной работы являлись:
1. Исследование особенностей затухания необыкновенных радиоволн ВЧ диапазона вблизи границы мертвой зоны на среднеширотной трассе Москва - Ростов-на-Дону по регистрации интерференционной картины поля х-волн в моменты радиовосхода и радиозахода.
2. Создание численной модели наземно-спутникового эксперимента по прямому наблюдению во внутренней ионосфере эффекта статистической трансформации обыкновенных волн в медленные необыкновенные (г) при рассеянии на мелкомасштабных естественных неоднородностях ионосферы.
3. Комплексные экспериментальные исследования тонкой структуры искусственных неоднородностей, инициированных мощным нагревным стендом «Сура», по средствам изучения характеристик ракурсно-рассеянных сигналов при различных условиях модификации ионосферы.
4. Исследование гирогармонических свойств генерации искусственных ионосферных турбулентностей.
Основные задачи работы
1. Проведение регулярной регистрации интерференционной структуры поля х-волн в моменты прохождения прикаустической области через пункт наблюдения Ростов. Модернизация методики оценки затухания радиоволн вблизи границы мертвой зоны с учетом геомагнитного поля, сферичности Земли и ионосферы. Получение статистически достоверных данных о характере затухания излучения в прикаустической области.
2. Разработка численного метода расчетов траекторных, энергетических и временных характеристик ¿-сигналов во внутренней ионосфере. Выбор на основе моделирования оптимальных условий эксперимента по обратному трансионосферному зондированию, обеспечивающему надежную регистрацию рассеянных ¿-волн на борту искусственного спутника Земли (ИСЗ).
3. Создание экспериментального стенда для синхронных измерений энергетических, угловых и пространственно-временных характеристик прямых и рассеянных сигналов во всем диапазоне декаметровых волн (ДКМВ).
4. Проведение комплексных экспериментов по исследованию искусственных ионосферных неоднородностей при воздействии на ионосферу мощного коротковолнового (КВ) излучения нагревного стенда «Сура».
Научная новизна работы заключается.в следующем.
1. Обнаружен новый эффект - дополнительное усиление сигнала на границе мертвой зоны, не связанное с фокусировкой.
2. На основе имитационного моделирования определены оптимальные условия для проведения наземно-спутникового эксперимента с целью прямого подтверждения существования эффекта статистической трансформации о-волн в ¿-волны.
3. В рамках работы обоснована возможность создания, разработаны основные алгоритмы и построен макет уникального аппаратно-программного комплекса ЛЧМ-зонда/пеленгатора [9], который наряду с традиционными дистанционно- и амплитудно-частотными характеристиками на трассе наклонного зондирования позволяет осуществлять оценку двухмерных угловых-частотных характеристик. Кроме этого, макет способен пеленговать сигналы, отраженные как регулярными ионосферными слоями, так и ракурсно-рассеянные сигналы, появляющиеся при воздействии на ионосферу мощными КВ радиоволнами обыкновенной поляризации.
4. На основании сопоставления данных двухмерных угловых- и дистанционно-частотных характеристик диагностирующих сигналов показано, что возмущенная об-
ласть имеет сложную изменяющуюся с течением времени пэтчевую структуру, отдельные элементы которой могут отдаляться вдоль поверхности Земли более чем на 100 км от местоположения нагревного стенда.
5. Выявлены закономерности и особенности формирования, развития и релаксации области заполненной мелкомасштабными искусственными ионосферными неодно-родностями (МИИН), возбуждаемой мощной о-волной и рассеивающей диагностические сигналы, при спокойных и возмущенных гелио- геомагнитных условиях.
6. Выявлены закономерности и особенности генерации МИИН в спокойных геомагнитных условиях при воздействии на ионосферу мощной волной обыкновенной поляризации с частотой, близкой по значению к 4-й гармонике гиромагнитной частоты электронов при различных условиях проведения экспериментов.
Практическая значимость
1. Использование наблюдений интерференционной картины поля вблизи границы мертвой зоны является эффективным средством диагностики естественных крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации внутренней ионосферы.
2. Разработанные и апробированные методики наблюдения и обработки данных, полученных с используемых в работе аппаратно-программных комплексов, позволяют объективно диагностировать динамику развития неоднородностей во время естественных и искусственных возмущений ионосферы, определять пространственные и временные параметры рассеивающих ионосферных областей, установить сам факт искусственного воздействия на ионосферу мощным КВ излучением;
3. Макет ЛЧМ-зонда/пеленгатора позволяет определять параметры ЛЧМ-передатчиков, локализовать их местоположение, определить режимы их работы. Кроме этого становится возможным локализовать в.пространстве источники боковых отражений и рассеяний наземной и/или ионосферной природы.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов обеспечивается репрезентативным объемом проведенных комплексных измерений и обработанных на их основе данных, охватывающих период с 2003 по 2011 гг. на различных радиотрассах и при разных геофизических условиях в ходе проведения экспериментов; использованием зарекомендовавшей себя стандартной модели ионосферы Ш1-2007-2012 [10, 11] или общепринятых упрощенных моделей дневной ионосферы [1] для проведения имитационного моделирования распространения ДКМВ в различных условиях.
Реализация результатов работы. Работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских тем, проводимых лабораторией распространения радиоволн физического факультета Южного федерального университета (ЮФУ) и отделом радиофизики и космических исследований НИИ физики ЮФУ в течение 2003-2011 гг. Отдельные разделы работы вошли составной частью хоздоговорных научно-исследовательских тем «Чек», «Шарм», «Жим-К-РД», выполненных в ЮФУ по государственным заказам на конкурсной основе. Часть результатов получена в рамках научно-исследовательских работ (НИР), выполняемых при поддержке РФФИ (гранты №02-05-64383, №05-02-16493, №05-05-08011, №06-02-16075, №08-0200171, №09-02-00109, №11-02-00374). Некоторые положения работы включены в перечень важнейших научных достижений, полученных по этим темам.
Личный вклад автора. Диссертационная работа включает материалы теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в соавторстве с сотрудниками Южного федерального университета (лаборатория «Сигнал» физического факультета, НИИ физики) и ФГБНУ НИРФИ. Все нагревные эксперименты с целью изучения искусственных ионосферных неоднородностей были организованы и проведены совместно с В.П. Урядовым и В.Л. Фроловым (ФГБНУ НИРФИ), эксперименты с использованием российской сети наклонных ЛЧМ-зондов выполнены с участием рабочих групп из ИЗМИР АН (Москва), ИСЗФ СО РАН (Иркутск), ФГУП «НПП «Полет» и др. Автор диссертационной работы принимал участие в разработке алгоритмов функционирования и программного обеспечения экспериментальных измерительных стендов, описанных в работе; в проведении и обеспечении круглосуточных измерений сигналов станции точного времени (РВМ); в экспериментальных кампаниях по исследованию эффектов, связанных с искусственной модификацией ионосферы мощным КВ излучением нагревного стенда «Сура» и ракурсного рассеяния радиоволн. Фильтрация, отбор и обработка записей, содержащих интерференционную картину на границе мертвой зоны; разработка
<
модели ионосферного канала для случая трансионосферного распространения коротких волн в неоднородной магнитоактивной ионосфере; проведение имитационного моделирования и анализ полученных на его основе результатов; обработка экспериментальных данных с целью получения характеристик ракурсно-рассеянных сигналов
