2
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ........................................................4
1. ЧИСЛЕННО-АСИМПТОТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОРОТКИХ РАДИОВОЛН ПРИ НАКЛОННОМ РАСПРОСТРАНЕНИИ В СЛУЧАЙНОНЕОДНОРОДНОЙ ИОНОСФЕРЕ СО СЛОЖНОЙ ФОРМОЙ РЕГУЛЯРНОГО ПРОФИЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ.......................15
1.1. Математический аппарат геометрической оптики в задачах ионосферного распространения коротких радиоволн................16
1.2. Применение приближенных методов для определения траекторных и энергетических характеристик коротких радиоволн в присутствии случайных неоднородностей диэлектрической проницаемости........23
1.3. Сопряжение численных и асимптотических методов для расчета статистических характеристик радиоволн.........................39
1.4. Резюме....................................................54
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОНОСФЕРНЫХ НЕОДНОГОДНОСГЕЙ
НА СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОВОЛН.....................56
2.1. Флуктуации радиоволн на наклонной трассе в присутствии
неоднородностей, равномерно распределенных во всей толще ионосферы..................................................56
2.1.1. Зависимость статистических харакгеристик радиоволн от интенсивное™ неоднородностей.................................57
2.1.2. Влияние вытянутости неоднородностей на статистические харакгеристаки радиоволн.....................................59
2.1.3. Эффекты пространственной ориентации случайных неоднородностей при наклонном распространении радиоволн......70
2.1.4. Зависимость статистических характеристак радиоволн от положения наблюдателя в зоне света...........................80
3
2.2. Проявления облачной структуры неоднородностей электронной концентрации в статистических характеристиках радиоволн.........82
2.3. Влияние положения облака неоднородностей на траектории на рассеяние радиоволн.............................................91
2.4. Возможности аномального распространения радиоволн под влиянием случайных неоднородностей ионосферы....................98
2.4.1. Засветка зоны тени верхними лучами на трассах, близких к предельным....................................................98
2.4.2. Устойчивый прием УКВ с отражением от Еб и учетом его тонкой структуры....................................................101
2.5. Резюме....................................................105
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СЛУЧАЙНЫХ ИОНОСФЕРНЫХ
НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ПО СТАТИСТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ
РАДИОВОЛН ПРИ НАКЛОННОМ РАСПРОСТРАНЕНИИ........................109
3.1. Определение удельной интенсивности неоднородностей ионосферы
по статистическим характеристикам принимаемого радиосигнала 110
3.2. Определение эффективных параметров тонкой структуры ионосферы по статистическим характеристикам принимаемого радиосигнала...................................................120
3.3. Восстановление параметров корреляционного эллипсоида ионосферных неоднородностей, вытянутых вдоль силовых линий магнитного поля Земли..........................................131
3.4. Резюме....................................................141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................143
ЛИТЕРАТУРА.....................................................146
4
ВВЕДЕНИЕ
Ионосфера Земли на фоне крупномасштабной регулярной неоднородности в форме слоев ионизации О, Е, Р1, Р2 [1,2] обладает случайно изменчивой тонкой структурой с масштабами метры-десятки километров [3,4], которая приводит при распространении радиоволн к флуктуациям параметров радиосигнала и искажениям пространственно-временной структуры волнового поля [5-7]. Особенно сильное влияние случайные неоднородности ионосферы оказывают на распространении радиоволн коротковолнового (КВ) и ультракоротковолнового (УКВ) диапазонов [8,9]. Развитие КВ средств связи, а также сложных КВ комплексов диагностики ионосферы, требует разработки методов учета влияния случайных ионосферных неоднородностей на характеристики радиосигнала в целях оптимизации работы и повышения точностных возможностей этих устройств. С другой стороны, изменения параметров радиоволн, вызванные случайными неоднородностями, могут быть использованы при диагностике тонкой неоднородной структуры ионосферы.
Учет случайных неоднородностей ионосферы при распространении радиоволн является достаточно сложной задачей. Ввиду невозможности определения точного решения волнового уравнения со случайной функцией диэлектрической проницаемости, сейчас, в основном, применяются приближенные методы описания распространения радиоволн в случайно-неоднородной среде, которые имеют свои достоинства и недостатки. Численные методы имитационного моделирования [10-12] обладают достаточной универсальностью, но при этом требуют больших вычислительных ресурсов и не всегда дают возможность сделать предварительную оценку предполагаемых результатов. Асимптотические методы (методы возмущений [13], борновское приближение [14], метод интерференционного интеграла [15-17], метод параболического уравнения [18], методы Маслова [19] и Кирхгофа [20], метод фазового экрана [21-25] и др.) позволяют получить интегральные выражения для различных характеристик радиоволн с учетом случайных неоднородностей среды распространения, но при этом имеют ограничения применимости и могут быть сведены к аналитическому
5
виду только в очень редких случаях (в основном, для простейших моделей среды). Таким образом, представляется перспективной разработка комбинированных методов расчета характеристик радиоволн в случайно-неоднородной ионосфере, совмещающих в себе преимущества как численных, так и асимптотических методов.
Как отмечалось выше, очень важно учитывать влияние случайных ионосферных неоднородностей на распространение радиоволн для повышения эффективности КВ средств связи, радиолокационных систем и других радиотехнических устройств, работающих с наклонно отраженными от ионосферы КВ радиосигналами. Исследованиям эффектов, связанных с наклонным распространением коротких радиоволн в ионосфере со случайными неоднородностями, было посвящено много работ (см., например, [14,26-28]). Значительным шагом на пути решения проблемы описания влияния случайных ионосферных неоднородностей на распространение КВ явились теоретические и экспериментальные исследования, проведенные под руководством В.Д. Гусева и Л.М. Ерухимова. Вместе с тем, ввиду большого разнообразия ионосферных неоднородностей и вызываемых ими эффектов, изучение влияния случайнонеоднородной структуры ионосферы на наклонное распространение радиоволн остается актуальным и по сей день. В частности, большой интерес представляет исследование эффектов неоднородностей на структуру радиосигнала на наклонных трассах не только в освещенной зоне, где применимо приближение геометрической оптики (ГО) [6,26,29-31], но и на частотах, близких к классической максимально-применимой частоте (МГТЧ) и выше, вплоть до максимально-наблюдаемых частот (МНЧ), где использование ГО становится некорректным.
В связи с тем, что случайные неоднородности электронной концентрации ионосферы наибольшее влияние оказывают на распространение КВ и УКВ, применение этих диапазонов при диагностике тонкой структуры ионосферы представляется наиболее эффективным. В настоящее время, в основном, в этих целях используется вертикальное зондирование (ВЗ), например посредством радаров некогерентного рассеяния [32-34] и ионозондов [35-37]. Также имели место эксперименты по диагностике неоднородной структуры ионосферы с
6
использованием трансионосферного (ТИЗ) [38-40], наклонного (НЗ) [41-42] и возвратно-наклонного (ВНЗ) [43-45] зондирования. Однако большинство применяемых методов диагностики ионосферных неоднородностей, как правило, требует дорогостоящего и сложного оборудования. Таким образом, представляет интерес разработка новых методов диагностики случайно-неоднородной структуры ионосферы на трассах наклонного зондирования с использованием простых радиотехнических средств.
Цель работы.
Разработать численно-асимптотический метод расчета статистических характеристик коротких радиоволн при наклонном распространении в ионосфере со сложной формой регулярного профиля электронной концентрации и случайнонеоднородной тонкой структурой.
Исследовать, с помощью разработанного метода, влияние параметров принятых моделей случайных неоднородностей на статистические характеристики радиоволн на наклонных ионосферных трассах.
На основе численно-асимптотического метода и с учетом выявленных эффектов неоднородностей, разработать методики восстановления радиофизических параметров случайных неоднородностей ионосферы по статистическим характеристикам радиоволн на наклонных трассах.
Научная новизна.
1. Предложен новый численно-асимптотический метод, позволяющий рассчитывать статистические характеристики коротких радиоволн на наклонных ионосферных трассах в широком диапазоне рабочих частот, включая окрестность МПЧ. При этом разработанный метод позволяет задавать сложные профили электронной концентрации ионосферы, а также произвольную ориентацию и локализацию случайных ионосферных неоднородностей в пространстве.
2. Получены простые функциональные зависимости статистических характеристик радиоволн на наклонных трассах от параметров случайных
7
неоднородностей. Выявлены условия, при которых возмущения характеристик радиоволн, наклонно распространяющихся в ионосфере, максимальны.
3. Впервые разработаны методики определения радиофизических параметров неоднородностей по статистическим характеристикам радиоволн в широком диапазоне рабочих частот (на частотах ниже, выше и в окрестности
классической МПЧ) с учетом сложной формы регулярного профиля электронной концентрации.
Научная и практическая ценность работы.
1. Учет влияния случайных неоднородностей ионосферы на характеристики радиосигнала предложенным методом может быть использован для оптимизации работы различных радиотехнических устройств, работающих в КВ и УКВ диапазонах.
2. Информация об обнаруженных областях существенного влияния неоднородностей на параметры радиоволн может быть использована в целях диагностики в экспериментах по искусственной модификации ионосферы.
3. Предложенные методики диагностики радиофизических параметров
случайных неоднородностей ионосферы могут быть использованы для
определения и прогноза случайной изменчивости ионосферы в радиоастрономических исследованиях, трансионосферных радиофизических экспериментах и в системах спутниковой связи.
4. Методики восстановления параметров корреляционного эллипсоида
случайных неоднородностей ионосферы по статистическим характеристикам радиоволн могут быть использованы как при прогнозе ионосферной обстановки по реперной трассе, так и при геофизической диагностике ионосферы.
5. Разработанный метод расчета статистических характеристик радиоволн может быть легко дополнен, в зависимости от решаемых научных и практических задач, соотношениями для определения других статистических характеристик радиоволн, например, таких как дисперсия доплеровского смещения частоты, функции взаимной корреляции параметров радиоволн и т.д.
8
Защищаемые положения.
1. Разработанный метод расчета статистических характеристик коротких радиоволн на трассах наклонного зондирования, основанный на сопряжении численных и асимптотических методов, а также моделей регулярной ионосферы и флуктуаций электронной концентрации, позволяет описать структуру поля коротких радиоволн в максимально приближенных к реальным геофизических условиях.
2. Выполненное моделирование влияния случайных неоднородностей электронной концентрации на характеристики радиоволн на наклонной радиотрассе позволяет выявить основные факторы, связанные с неоднородностями, вызывающие наибольшее искажение волнового поля, такие как увеличение интенсивности неоднородностей и их вытянутости вдоль траектории в плоскости распространения луча, а также локализация неоднородностей в областях с наименьшей плотностью волнового поля.
3. Разработанные методики обращения результатов численно-асимптотического моделирования статистических характеристик коротких радиоволн при наклонном распространении на рабочих частотах, включая максимальноприменимые частоты радиотрасс, позволяют восстанавливать радиофизические параметры случайных ионосферных неоднородностей в различных геофизических условиях.
Личный вклад автора.
Основные результаты работы получены, в основном, лично самим автором, либо при его непосредственном участии. Автором было предложено и выполнено сопряжение численных и асимптотических методов, произвольных моделей ионосферы в единый метод расчета статистических характеристик радиоволн в случайно-неоднородной ионосфере со сложной формой регулярного профиля электронной концентрации, а также выполнена программная реализация разработанных алгоритмов расчета. Автором проведено математическое моделирование статистических характеристик коротких радиоволн, анализ полученных результатов и их сравнение с экспериментальными данными,
9
полученными другими авторами, а также разработаны методики диагностики радиофизических параметров случайных ионосферных неоднородностей.
Апробация работы.
Основные результаты и выводы работы докладывались и обсуждались на: Первой международной научно-практической конференции "Информационные технологии и радиосети-96" (Омск, 1996 г.); Международном симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики" (Томск, 1996 г.);
Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению радиоволн (Улан-Удэ, 1996 г.);
XVIII-XX Всероссийских конференциях по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996 г.; Казань, 1999 г.; Н.Новгород, 2002 г.);
LII Научной Сессии, посвященной Дню Радио (Москва, 1997 г.); Международном симпозиуме URSI по электромагнитной теории (Салоники, Греция, 1998 г.);
XI Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн (Москва, 1998 г.);
Конференции "Физика ионосферы и атмосферы Земли" (Иркутск, 1998 г.); Научной сессии молодых ученых Тео- и гелиофизические исследования" (Иркутск, 1998 г.);
Третьем международном симпозиуме "Сибконверс" (Томск, 1999 г.);
VIII международном симпозиуме "Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics" (Иркутск, 2001);
XXVI, XXVII Генеральных ассамблеях международного радиосоюза URSI (Торонто, Канада, 1999 г.; Маастрихт, Нидерланды, 2002 г.); семинарах кафедры радиофизики Иркутского государственного университета и лаборатории распространения радиоволн НИИПФ ИГУ.
Публикации.
Результаты диссертации опубликованы в 23 научных работах в российских и зарубежных изданиях, в журналах "Геомагнетизм и аэрономия", "Journal of
10
Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics", "Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца", а также в трудах и сборниках докладов международных и российских научных конференций.
Результаты работы реализованы:
При выполнении госбюджетной тематики лаборатории распространения
радиоволн НИИПФ ИГУ;
По гранту Минобразования РФ № Е02-3.5-197;
По гранту поддержки ведущих научных школ РФ № НШ-272.2003.5;
Материалы диссертации используются в учебном процессе ИГУ по
специальности "Радиофизика и электроника" в курсах "Излучение и
распространение радиоволн" и "Радиофизический мониторинг".
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 149 наименований. Общий объем диссертации 159 страниц, включая 35 рисунков и 14 страниц списка литературы.
Краткое содержание работы.
Во введении обосновывается актуальность исследований, формулируются цели, научная новизна и научно-практическая ценность работы. Перечислены положения, выносимые на защиту. Приводится краткое содержание работы.
Первая глава посвящена разработке численно-асимптотического метода расчета статистических характеристик коротких радиоволн при наклонном распространении в ионосфере со случайными неоднородностями и сложной формой профиля электронной концентрации.
В п. 1.1 рассмотрено приближение геометрической оптики. Кратко описано решение уравнения эйконала методом характеристик. Приведены лучевые уравнения в сферических координатах и координатах, связанных с трассой. Рассмотрены границы применимости геометрооптического приближения.
В п. 1.2 с помощью асимптотических методов выведены выражения для ряда статистических характеристик коротких радиоволн, распространяющихся в
11
ионосфере со случайными неоднородностями. Методом возмущений решены двухточечная траєкторная задача для определения вариаций азимутального и вертикального углов прихода и одноточечная траєкторная задача для определения вариаций вертикального угла прихода и дальности распространения ионосферных радиоволн. В предположении гауссова вида однородной части корреляционной функции неоднородностей, сделан вывод асимптотических интегральных выражений для дисперсии азимутального и вертикального углов прихода, дальности распространения и фазы принимаемого на наклонной трассе радиосигнала. Приведен вывод асимптотического выражения для ослабления средней интенсивности волнового поля на частотах выше МПЧ в приближении метода интерференционного интеграла.
В п. 1.3 предложен метод сопряжения численных и асимптотических методов для расчета статистических характеристик радиоволн на наклонных ионосферных трассах. В расширенную систему лучевых уравнений для расчета невозмущенных траекторных характеристик и их производных по начальному параметру, решаемую численным способом, включены асимптотические выражения для статистических характеристик радиоволн, полученные в п. 1.2. В предложенной схеме определения статистических характеристик радиоволн, описан способ задания диэлектрической проницаемости фоновой ионосферы либо аналитически, либо с использование дискретных данных глобальных моделей ионосферы, представленных в аналитическом виде с помощью бикубической сплайн-интерполяции. Описан алгоритм определения ориентации случайных неоднородностей относительно трассы, в частности, вдоль силовых линий магнитного поля Земли.
В п. 1.4 сформулированы основные результаты первой главы.
Вторая глава посвящена исследованию влияния ионосферных неоднородностей на статистические характеристики радиоволн на наклонных трассах с помощью разработанного в первой главе численно-асимптотического метода.
В п.2.1 рассмотрены зависимости статистических траекторных характеристик коротких радиоволн на наклонной трассе от интенсивности, вытянутости и ориентации случайных неоднородностей, равномерно распределенных во всей
12
толще ионосферы, а также от положения наблюдателя в освещенной зоне источника излучения. Показано, что значения дисперсий траекторных характеристик прямо пропорциональны интенсивности неоднородностей и растут с увеличением вытянутости неоднородностей вдоль траектории. Это связано с тем, что при увеличении суммарного пути, пройденного лучом внутри неоднородностей, увеличивается возмущение траекторных параметров. Также показано, что уменьшение поперечного трассе размера неоднородностей ведет к большим градиентам в этой плоскости и, как следствие, к большим возмущениям азимутального угла прихода. Анализ зависимостей статистических характеристик радиоволн от положения наблюдателя в освещенной зоне источника излучения показал, что влияние неоднородностей на параметры радиоволн усиливается, когда траектория глубже проникает в ионосферу.
В п.2.2 рассмотрено влияние на статистические траекгорные характеристики коротких радиоволн на наклонной трассе случайных неоднородностей, распределенных в ионосфере в виде локализованного облака в форме гауссова эллипсоида. Представлены зависимости статистических характеристик радиоволн от размеров облака и его ориентации относительно трассы. Анализ полученных зависимостей показал, что увеличение отрезка траектории, на котором луч подвергается воздействию неоднородностей, ведет к росту флуктуаций траекторных характеристик.
В п.2.3 исследованы эффекты, связанные с перемещением облака случайных неоднородностей по траектории, на рассеяние радиоволн. Получены зависимости глубины "засветки" рассеянным полем регулярной зоны тени (выражаемой через ослабление средней интенсивности) от положения облака неоднородностей по трассе. Обнаружены области ионосферы, в которых воздействие неоднородностей на распространение радиоволн резко возрастает. Показано, что этот эффект связан с уменьшением плотности волнового поля в этих областях.
В п.2.4 рассмотрены некоторые возможности аномального распространения радиоволн под влиянием случайных неоднородностей ионосферы. Рассмотрен механизм приема радиосигнала на трассах, близких к предельным, за счет рассеяния поля верхних лучей на неоднородностях в регулярную зону тени. Эффект "засветки" регулярной зоны тени волновым полем, рассеянным на
13
неоднородностях, исследован также в качестве одного из объяснений аномально устойчивого приема радиосигналов УКВ диапазона с отражением от спорадического слоя Е$ с учетом его тонкой структуры.
В п.2.5 сформулированы основные результаты второй главы.
Третья глава посвящена разработке методик восстановления параметров случайных неоднородностей ионосферы, распределенных равномерно во всей её толще, по статистическим характеристикам коротких радиоволн на наклонных трассах на основе предложенного в первой главе метода расчета статистических характеристик радиоволн.
В п.3.1 представлена методика определения "удельной" интенсивности случайных неоднородностей (отношения интенсивности неоднородностей к их вертикальному масштабу) по экспериментально полученным значениям статистических характеристик радиоволн на наклонной трассе в предположении изотропного или анизотропного (с априорно заданными типичными значениями вытянутостей) гауссова эллипсоида неоднородностей. В качестве входных параметров предложено использовать дисперсии азимутального и вертикального углов прихода, а также превышение МНЧ над МПЧ, проявляющееся в виде т.н. "носа" на ионограммах НЗ и пересчитываемое в дисперсию дальности распространения радиоволн. Как пример, представлены результаты расчетов "удельной" интенсивности неоднородностей по превышению МНЧ над МПЧ по данным НЗ, полученным в 1989 г. на трассах Москва-Иркутск и Магадан-Иркутск, а также расчеты "удельной" интенсивности неоднородностей по ослаблению средней интенсивности принимаемого сигнала при измерениях, проводимых в марте 2001 г. на дигизонде в Millstone Hill.
В п.3.2 разработаны методики определения нескольких эффективных параметров тонкой структуры ионосферы ("удельной" интенсивности и вытянутостей вдоль и поперек трассы) по статистическим характеристикам принимаемого радиосигнала на трассе НЗ. В предложенных методиках могут быть использованы измерения дисперсий вертикального и/или азимутального углов прихода, а также значения превышения МНЧ над МПЧ, в два последовательных момента времени. В качестве апробации методик, были проведены расчеты "удельной" интенсивности и продольной вытянутости по измерениям модуля
- Киев+380960830922