- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ......................................................... 4
ГЛАВА I. МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ КОШОНЕНТ МНОГОМОДОВЫХ ВОЛНОВЫХ
ПОЛЕЙ................................................. II
§ 1.1. Модели радиосигналов, прошедших через ионосферу, и разделение компонент многомодовых волновых полей ..................................................... II
§ 1.2. Одноволновые методы измерения параметров сигнала 20
§ 1.3. Пространственная селекция компонент сигнала на
антенных апертурах ................................. 27
§ 1.4. Аналитическое разделение лучей ..................... 30
§ 1.5. Временная селекция компонент сигнала по групповому запаздыванию .......................................... 35
§ 1.6. Доплеровская селекция и измерение'параметров- ■
многомодовых радиосигналов ......................... 38
§ 1.7. Поляризационная селекция магнитоионных компо- •
. нент сигнала........................................ 42
§ 1.8. Анализ многомодовых полей■с•помощью комбиниро^
ванных методов селекции ........................... 45
§ 1.9. Исследование влияния некоррелированных шумов при
пространственно-аналитическом разделении лучей. 54
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МНОГОКАНАЛЬНОЙ КОГЕРЕНТНОЙ РЕГИСТРАЦИИ ПОЛЯ ОТРАЖЕННЫХ РАДИОВОЛН ... 64
§ 2.1. Некоторые известные схемы фазовых средств исследования ионосферы и роль цифровых методов .. 64
§ 2.2. Обоснование выбора схемы реализации экспери-
. . ментального комплекса .............................. 70
§ 2.3. Описание передвижного■диагностического•комп-
. лекса ИЗМИР АН .................................. 73
§ 2.4. Точность измерения многоканальной когерентной приемной системы. Калибровочные измерения.
Примеры экспериментального применения .............. 85
- 3 -
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИОНОСФЕРУ МОЩНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ НА ГИРОЧАСТОТЕ ЭЛЕКТРОНОВ......................................................... 107
§ 3.1. Задачи исследования. Постановка экспериментальных
работ................................................ 107
§ 3.2. Динамические спектры радиосигналов при спокойной и возмущенной ионосфере. Нестационарный характер воздействия мощной радиоволны, характерные времена нестационарности .......................................... ПО
§ 3,3. Аномальное ослабление мощной волны £ ,
отраженной от Р - слоя ионосферы и ослабление кратных отражений ................................... 119
§ 3.4. Пространственные угловые спектры и поляризация радиоволн вблизи гирочастоты электронов, отраженных от Р - слоя ионосферы в спокойных геофизических условиях, а также при естественной и искусственной возмущенности ................................... 132
§ 3.5. Оценка среднемасштабной и крупномасштабной неоднородной структуры, возникающей при искусственном воздействии на ионосферу на гирочастоте.................
электронов ......................................... 154
§ 3.6. Деполяризация обыкновенной волны ^ ~^рМе при
отражении от Р - слоя ионосферы в спокойных и возмущенных условиях. Эффект аномальной деполяризации .при.воздействии.мощными.радиоволнами .... 161
ВЫВОДЫ ....................................................... 166
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................... 169
ЛИТЕРАТУРА......................................................... 170
- 4 -
Введение.
Радиофизические методы являются главным источником информации о структуре ионосферы и поведении ее во времени. Известны несколько основных методов диагностики ионосферы: метод вертикального зондирования (ВЗ), метод наклонного зондирования (НЗ), метод возвратно-наклонного зондирования (ВИЗ). Для диагностики ионосферы применяется и метод некогерентного рассеяния (НР).
Радиозондирование ионосферы становится частью систем связи, пеленгации, радиолокации, потому что с помощью диагностики доставляется информация об ионосфере, о структуре сигнала и механизмах распространения, необходимая для адаптации системы к менявдимся ионосферным условиям.
В последнее десятилетие получают все большее развитие активные методы исследования ионосферы с применением искусственного воздействия разного типа - коротковолнового излучения большой мощности, впрыскивания потоков частиц и т.п. Искусственное воздействие на ионосферу приобретает все большее значение как метод исследований поведения плазмы при контролируемом воздействии.
Многослойность ионосферы и наличие в ней неоднородностей, а также магнитного поля Земли приводят к явлению многолучевости в ионосферном распространении декаметровых радиоволн. Это чрезвычайно усложняет анализ поля и затрудняет получение сведений, о структуре поля кавдого мода. Поэтому разработка методов разделения компонент (модов) волновых полей представляет значительный интерес и имеет большое практическое значение для диагностики физических процессов, протекающих в ионосфере Земли. Решение задачи разделения компонент в практическом плане стало возможным только в связи с широким внедрением электронно-вычислительных средств для регистрации и обработки радиосигналов.
- 5 -
Перед автором стояла задача исследования методов разделения многомодовых полей радиосигнала, создания экспериментальной системы диагностики для изучения естественно - и искусственно-возмущенной ионосферы, анализа полученного экспериментального материала.
Автором предложены и разрабатываются новые методы разделения компонент многомодового радиосигнала с использованием средств автоматизации на базе современной электронно-вычислительной техники: спектрально-аналитический метод пространственного разделения, спектрально-аналитический метод частотного разделения, метод измерения полного вектора поля радиоволны и спектральный способ его измерения.
Экспериментально исследована эффективность спектрально-аналитического метода пространственного разделения компонент, спектрального метода выделения магнито-ионных компонент сигнала. Измерены углы места сигнала (ВНЗ), соответствующие наиболее мощным его компонентам.
С помощью разработанного и созданного в ИЗМИРАН с непосредственным участием автора экспериментального передвижного диагностического комплекса впервые получены новые физические результаты при искусственной модификации Р - слоя ионосферы мощными радиоимпульсами на частотах вблизи гирочастоты электронов: обнаружен квазипериодический характер воздействия мощной радиоволны; получена оценка сверху для времени релаксации аномального ослабления мощной радиоволны, явившаяся прямым экспериментальным подтверждением стрикционного характера получаемого возмущения ионосферной плазмы; предложена методика измерения горизонтальных размеров среднемасштабных неоднородностей искусственно-возмущенной ионосферы, измерены функция распределения горизонтальных размеров и интенсивность искусственных неоднородностей; обнаружен эффект
- 6 -
аномальной деполяризации отраженной мощной радиоволны.
Результаты работы, проделанной автором, открывают пути создания систем диагностики ионосферы с набором методов разделения, по своим суммарным селектирующим свойствам адекватных объекту исследования. При этом может быть выбран наиболее просто реализуемый набор применяемых средств - уменьшена размерность и апертура применяемых антенных решеток, сужена полоса частот диагностических радиосигналов.
Результаты работы могут быть полезны для развития средств диагностики искусственно-возмущенной ионосферы. Разработанная методика исследований неоднородной структуры и реализованный диагностический комплекс могут быть использованы для диагностики ионосферных нестационарностей при коротковолновом нагреве ионосферы, в других экспериментах по активному воздействию на ионосферу. При этом могут быть измерены характерные времена жизни, размеры и интенсивность неоднородностей электронной плотности; измерена часть энергии мощной волны нелинейно трансформирующаяся в ионосфере и вызывающая разного типа плазменные неустойчивости, могут быть выделены вклады разных физических механизмов в протекающих процессах.
Результаты работы могут быть использованы при создании новых угломерных средств, работающих в условиях многолучевости, средств дистанционного зондирования методом ВНЗ, а также для создания адаптивных средств связи и радиовещания*
Результаты работы могут быть использованы в институтах Академии Наук СССР и предприятиях Мин.Связи, Мин.Промышл. Средств Связи, Мин. Радиопромышленности и др., в организациях: Полярный Геофизический институт АН СССР, Сиб.ИЗМИР АН СССР, Казахский институт ионосферы, НИИ ДАР, НИИР, НИРФИ, ДАНИИ.
- 7 -
В первой главе на основе обзора известных результатов рассмотрена модель компоненты сигнала. Рассмотрена схема расщепления сигнала в ионосфере, учитывающая модовое расщепление, магнитоионное расщепление, тонкую структуру из-за рассеяния на среднемасштабных и крупномасштабных неоднородностях, сверхтонкую структуру сигнала, обусловленную мелкомасштабным рассеянием. Рассмотрены свойства сигнала, которые могут быть использованы при разделении компонент: пространственная и временная когерентность, частотная корреляция, высокая степень поляризованности отдельных компонент. Показан общий способ разделения многомодового сигнала в многомерном пространстве параметров сигнала: уровня и фаэн, групповых задержек и доплеровского смещения частоты, углов прихода и параметров поляризации. С учетом рассеяния каждая компонента сигнала в этом пространстве занимает выделенную область, отличающуюся от области другой компоненты. Далее рассмотрены однолучевне методы измерения параметров, а затем описаны способы измерения многомодовых волновых полей: пространственная селекция, временная селекция, доплеровская селекция и поляризационная селекция. Рассмотрены комбинированные методы разделения компонент и измерения параметров, основанные на измерении поля радиосигналов при пространственно - частотно-разнесенном приеме. При этом проводится оценка селектирующих свойств системы диагностики путем введения селектирующего коэффициента, связанного с размером области рассеяния и разрешающей способностью системы. Путем сопоставления этого коэффициента с числом интерферирующих компонент могут быть подобраны методы разделения, которые для конкретной задачи дают требуемый селектирующий коэффициент. На основе системного подхода к формированию комбинированных методов предложены новые методы измерения с разделением компонент сигнала. Показаны их преимущества.
8
С помощью математического моделирования получены требования к точности измерительной системы для аналитического разделения двух волн.
Во второй главе описаны известные схемы фазовых систем диагностики ионосферы. Рассмотрение решаемых задач и конкретных требований к системе диагностики позволило выбрать схему передвижного диагностического комплекса (ЦДК ИЗМИРАН) в виде импульсного излучателя с высокой стабильностью излучения (несущей частоты, частоты повторения и длительности импульса), а также 6-канальной системы когерентной цифровой регистрации поля и системы обработки данных. Описана конкретная реализация отдельных элементов диагностического комплекса. Комплекс позволяет реализовать частичное временное разделение компонент, доплеровское и поляризационное разделение при измерениях углов прихода на малоэлементных антенных решетках разностно-фазовым способом, а также с применением спектрально-аналитического метода разделения компонент. Описаны калибровочные измерения и точность измерительной систеш. Даны примеры использования ПДК ИЗМИРАН при диагностике ВЗ с измерением углов прихода и поляризации компонент; исследована эффективность спектрально-поляризационного метода селекции при ВЗ; измерены углы прихода сигналов ВНЗ. На трассе НЗ проведены измерения с применением спектрально-аналитического метода разделения.
В третьей главе описаны результаты по исследованиям самовоз-действия мощных радиоимпульсов с частотами вблизи гирочастоты электронов, отраженных от 3? - области ионосферы, включающие исследования динамических спектров отраженных сигналов, аномального ослабления мощной волны и ее кратных отражений. Описаны исследования угловой и поляризационной структуры сигналов для спокойной и возмущенной ионосферы, включая естественную и искусственную
- 9 -
возмущенность. Исследована аномальная деполяризация отраженного мощного радиоимпульса. По измерениям пространственных угловых спектров отраженных радиосигналов исследована среднемасштабная неоднородная структура возмущенной ионосферы, оценены характерные масштабы и интенсивность неоднородностей.
В заключении указано, что в диссертации предложены и разработаны новые методы разделения многомодовых волновых полей; разработан и создан передвижной диагностический комплекс (ПДК), на котором реализовано использование методов разделения компонент.
С помощью ПДК впервые получены новые физические результаты при воздействии на Р - слой ионосферы мощных радиоимпульсов на гирочастоте электронов.
Работа выполнена в лаборатории наклонного зондирования ИЗМИРАН в рамках исследовательских тем "Исследование нестационарных процессов в ионосфере" Л гос.per. 8I0I7476 и "Исследование искусственного возмущения ионосферной плазмы мощным радиоизлучением"
Л гос. per. 8I0I7475.
Основные результаты работы докладывались на конференциях ИЗМИРАН в 1974 и 1979 гг., ХП Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, ХШ Всесоюзной конференции "Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой", на Всесоюзном симпозиуме "Эффекты искусственного воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Земли", а также обсуждались на семинарах в ИЗМИРАН и МГУ.
По теме диссертации получено 2 авторских свидетельства на изобретения, опубликовано 12 печатных работ, материалы содержатся в ряде научных отчетов ИЗМИРАН.
Личное участие автора диссертации в выполнении описанных работ заключалось в следующем:
- 10 -
1. Автором предложен метод измерения полного вектора поля при наклонном падении волны.
2. Совместно с соавторами предложены три новых метода измерения многомодовых волновых полей.
3. Принимал непосредственное участие в разработке, настройке и калибровке ЦЩ{, в разработке алгоритмов обработки экспериментальных данных.
4. Поставил и провел эксперименты, обработал и интерпретировал данные по угловой и поляризационной структуре сигналов, отраженных от спокойной и естественно-возмущенной ионосферы при ВЗ и НЗ.
5. Принимал непосредственное участие в постановке и проведении экспериментальных работ, а также в обработке и интерпретации данных при исследованиях самовоздействия мощных радиоимпульсов с частотами вблизи гирочастоты электронов на Р - слой ионосферы.
6. Разработал методику оценки аномального ослабления кратных отражений мощных радиоимпульсов, методику измерения параметров среднемасштабной и искусственной неоднородной структуры и деполяризации мощной радиоволны.
Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность своему научному руководителю Л.А.Лобачевскому за помощь и поддержку на всех этапах выполнения работы, а также научному руководителю экспериментальных работ по искусственному воздействию В.Ю.Киму и своим соавторам Ю.М.Агафонникову, Э.Л.Афраймовичу,В.В.Васькову,В.В.Вязникову, С.Ф.Голяну, В.А.Панченко за обсуждение отдельных вопросов и полезные замечания, помощь в организации и проведении экспериментов, а также в составлении программ обработки экспериментальных данных на ЭВМ. Автор выражает также благодарность Долотовой В.Я..Клейшмидт Л.И., Фитасовой Л.С. за помощь в оформлении работы.
- II -
ГЛАВА I,
МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ КОМПОНЕНТ МНОГОМОДОВЫХ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ
§ 1.1. Модели радиосигналов, прошедших через ионосферу, и разделение компонент многомодовых волновых полей.
Векторное электрическое поле Е отраженной от ионосферы радиоволны является функцией пространственных координат г" ( Х,и, £ )» времени Ь и частоты | [I, 2] :
Е=Е (1.ы)
Современная теория позволяет рассчитывать поле отдельных компонент сигнала для заданного источника при известных регулярных параметрах ионосферы и ее статистической изменчивости [3, 4] .
По известным значениям поля Е (Г*\ Ъ , ^ ) в определенных случаях решается задача нахождения свойств ионосферы [5-7] .
В плавнонеоднородной ионосфере между излучателем и приемником существует путь, по которому распространяется волна (траектория луча) [I] . Луч характеризуют амплитудой А » фазой 'Р и углами прихода ( 0 - угол места, V - азимутальный угол). Если
сигнал узкополосный, частотная база Л Г « - несущая
частота радиосигнала) [8] , то:
Е (I) = А(0 собОТ! I+ * г + ¥(1), (1.1.2)
где К - волновой вектор, г - координаты точки наблюдения, •Р(Л) - начальная фаза луча в точке Г (0,0), X - длина волны.
й = (-^рСОБ 0сов¥, ОбЬИ-Ч', ^х^пб) (1.1.3)
В гиротропной среде с магнитным полем каждый луч раздваивает-
.,0« »X*
ся на обыкновенную и необыкновенную волны ( Е И Е )♦ Рас_
- 12 -
пространягациеся в ионосфере независимо [I, 9] . Волна характеризуется поляризацией, определяемой отношением ортогональных проекций поля:
^(х) (^(о) ^(х)= 0 • (1.1.4)
- фазор поля, Ех и Е ^ - ортогональные проекции поля.
Крупномасштабные перемещающиеся ионосферные неоднородности [ГО-П] с размером £ »Гф ( |ф = \Цф , О - расстояние до наблюдателя) приводят к тому, что положение области отражения волны меняется во времени. В результате возникают вариации всех параметров луча с характерным временем изменчивости от 3 до 20 минут [12-14, 23] . Если интенсивность таких неоднородностей достаточно велика, то условия отражения могут выполняться для нескольких волн (обычно 2-3), возникает многолучевость.
В возмущенной ионосфере неоднородности имеют квазислучайный характер возникновения и развития. Если они достаточно интенсивны, а размеры порядка нескольких зон Френеля Гф , то возникает многолучевость: каждый луч рассеивается отдельной неоднородностью и формируется своей зоной Френеля [10-Н] . Суммарный сигнал при зтом носит квазислучайный характер, а отклонения углов прихода могут достигать ^ 40° при вертикальном зондировании (ВЗ) [15] .
Каждый отдельный луч, отражаясь от ионосферы и проходя в ионосферных слоях до и после области отражения, рассеивается мелкомасштабными неоднородностями, размеры которых £« [5, 10, II].
Электромагнитное поле такого сигнала можно рассматривать как суперпозицию регулярной волны Е0СОБ((ОЕ + %) и большого количества элементарных волн 5 Ед СОБ (СО Ь ^ ^5 ) со случайными амплитудами Е8 и фазами , рассеянных неоднородностями - пучок рас-
сеянных волн [5] :
13
Е(0 ® ЕоС05(ы1 + %) + £ Е8С05(С0Е + %). (1.1.5)
При этом показано, что в формирование фазовых флуктуаций сигнала Е(Л) основной вклад вносит область отражения [16, 17] .
Рассеянная компонента поля при наблюдениях на Земле определяется в зоне дифракции Фраунгофера по отношению к рассеивающим неоднородностям и рассеянное поле подчиняется нормальному закону распределения [18-19] . Функция распределения амплитуды рассеянного поля должна подчиняться закону Релея, в присутствии зеркальной компоненты - закону Райса [б, 20, 21] . Экспериментальные данные, однако, выявили большое число случаев с другими законами распределения амплитуды. Попытки их объяснения разработкой теории рассеянного поля, как пуассоновского случайного процесса, когда случайных отражателей в области отражения не очень много, не принесли полного успеха [22] .
Причина возникновения сложных законов распределения параметров сигнала состоит в нестационарных изменениях этих параметров, в особенности, его фазы [23, 24] . Модель сигнала, учитывающая линейный ход фазы детерминированной части, позволила объяснить статистические моменты первого порядка для квадратурных компонент сигнала, его огибапцей и фазы [24-26] .
Объяснение наблюдаемых статистических характеристик сигнала, обусловленных мелкомасштабным рассеиванием: функций распределения, моментов первого и второго порядка, включая корреляционные функции и доплеровские спектры мощности сигнала, возможно на основе модели частично рассеянного поля с полностью смещенным спектром мощности как зеркальной компоненты, так и рассеянной части [26-30]. Для единичной волны, рассеянной мелкомасштабными неоднородностями е учетом доплеровского смещения частоты сигнала , обус-
14
ловленного прохождением крупномасштабных неоднородностей, можно записать:
ECU =E0cos(w0t + Q0t + %) +ИЕ5со5[((00+а0+^5И^](1Л*6)
где О.0 - смещение частоты зеркальной компоненты сигнала; Sas - смещение частоты рассеянных компонент Sqs=0 i uACfs) = i/яЗГ, Es - амплитуда рассеянной компоненты.
Модель (1.1,6) характеризуется также соотношением энергии рассеянной и зеркальной компонент поля £> :
/=
О
Отметим, что модель (1,1,6) в приведенном виде не содержит записи пространственной части фазы зеркальной и рассеянной компонент сигнала К0^ и К"8Г , определяющих угловой конус частично рассеянного поля (Г<Х . При мелкомасштабном рассеянии
появление конуса рассеянных волн объясняется дифракционными явлениями, он описывает в ионосфере круг с радиусом зоны Френеля [Ю] .
Как показали экспериментальные исследования, параметры сигнала могут существенно различаться в зависимости от состояния ионосферы [5, 13, 15, 31-33] . В таблице I указаны типичные ве-
бік и 5«.
ЛИЧИНЫ
, полученные из литературы,
Таблица I
Sqs Set (град)
^спокойн. 0.01 * 0.1 0.5 + I
ионосфера "...
¥ возмущ. 0.1 * 0.5 до 40°
ионосфера
- 15 -
Продолжение таблицы I
0.1 * 0.3 о о нч
р искусств. до 5 5 * 15°
возмущенность
Поле отдельного мода можно представить как (1.1.6), где Е0(Л) .
О.0(0, - медленно меняющиеся функции. Разлагая фазу зер-
кальной составляющей сигнала в ряд Тейлора по переменным ( Ь •
Г , ■[ ) и сохраняя первые члены разложения, получим прибли-
жение близкоразнесенного приема [32 , 34 , 35 ] . В пространственной области представление эквивалентно разложению по дискретным плоским волнам, для частотной размерности сигнала | разложение справедливо при отсутствии выраженной частотной дисперсии:
=%(°) *00«)и ^хсозОоШсоз ¥,(.«+
здесь 0О , % - углы прихода, - групповой путь, А| -частотная база сигнала, Р =Р^(ЗС,у,0) . В условиях спокойной ионосферы разложение (1.1.8) справедливо для йЗС,А^<1 км,
<100 КГц, лЪ< 100 сек [35] . На рис. 2 (б) приводятся разности фаз, измеренные при наклонном зондировании на линейной антенной решетке из 58 элементов с апертурой О = 1181 м, расположенной поперек трассы распространения [36] . Временное разрешение составляло 20 мкс, частота зондирования 8.35 МГц. На рис.
2(а) показана соответствующая ионограмма наклонного зондирования.
Видно, что моды ЁН . Г1(о)Н » Р1(х)В * Р2.(0)Н .
Р2/0)В имеют распределение фаз по пространству, близкое к линейному. При этом моды соответствуют модели плоской волш при
- 16 -
Рис. I Схема расщепления радиосигнала в ионосфере и суперпозиции полей компонент в месте регистрации. _____________________________________________
- Київ+380960830922