Исследование мутности ионосферы методом когерентного приема сигналов при вертикальном зондировании

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................6
1. МЕТОДЫ И МОДЕЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕОДНОРОДНОЙ СТРУКТУРЫ ИОНОСФЕРЫ........................................... 14
1.1. Методы измерений, применяемые для оценки степени неоднородности плазмы............................ 15
1.1.1. Метод радиомерцаний............................ 17
1.1.2. Регистрация Р - рассеяния...................... 19
1.2. Использование данных импульсного зондирования для
определения мутности ионосферы....................22
1.2.1. Параметры, характеризующие состояние тонкой структуры ионосферной плазмы................................24
1.2.2. Статистические методы. Распределение Накагами-Райса....................................27
1.2.3. Альтернативные распределения................... 30
1.3. Необходимость разработки новых методик........... 33
1.4. Заключение....................................... 36
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ МУТ1ЮСТИ ИОНОСФЕРЫ......................38
2.1. Математический аппарат метода при однолучевом распространении зондирующего сигнала в ионосфере ... 38
2.1.1. Общая схема представления результатов воздействия неоднородного слоя на отраженную от него радиоволну........................................... 39
3
2.1.2. Случай постоянной фазы зеркально отраженного сигнала.......................................... 42
2.1.3. Случай линейной зависимости фазы отраженного сигнала от времени............................... 45
2.1.4. Возможность оценки доплеровского сдвига...........50
2.1.5. Возможность оценки комплексного коэффициента поляризации отраженной от ионосферы радиоволны ... 53
2.2. Обобщение методики на случай многолучевых
отражений от ионосферы ............................ 55
2.2.1. Случай многолучевых отражений с разделением
лучей по доплеровским сдвигам частоты..............56
2.2.2. Двухлучевый случай. Интерференция о- и х-компонент в принимаемом сигнале.................. 58
2.3. Сложности, возникающие при использовании энергетического подхода к трактовке данных зондирования....................................... 60
2.4. Заключение..........................................62
3. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТА........................................ 63
3.1. Описание аппаратурного комплекса КВ зондирования ионосферы на основе ионозонда "Парус"...............63
3.2. Методика проведения эксперимента....................67
3.3. Пакет программ для регистрации и обработки данных измерений...........................................70
3.3.1. Программное обеспечение для измерений............ 71
3.3.2. Программное обеспечение, подготавливающее данные для расчетов......................................76
3.3.3. Программное обеспечение для оценки мутности ионосферы........................................ 81
3.4. Влияние помех на результаты оценки мутности ионосферы........................................ 83
3.5. Математическое моделирование эксперимента........ 89
3.6. Заключение....................................... 92
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ......................................95
4.1. Оценка столкиовительного поглощения..............96
4.2. Результаты численной проверки однолучевой модели .... 101
у
4.3. Определение параметра /С при отражении сигналов
от области Е ионосферы............................ 107
4.3.1. Результаты оценок при однолучевом распространении сигналов........................ 107
4.3.2. Результаты оценок /З2 при многолучевом распространении сигналов........................ 110
4.4. Исследование слоя Е5............................. 118
4.4.1. Использование предположения о “постоянной” фазе зеркально отраженного от Е3 - слоя радиосигнала 120
4.4.2. Применение двухлучевого метода МНК при известных доплеровских сдвигах о- и х- компонент в интерференционной сумме..........................121
4.4.3. Вариационный двухлучевый метод МНК............. 124
4.5. Выводы...........................................126
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Известное уже почти на протяжении столетия свойство ионосферы изменять характеристики распространяющихся в ней электромагнитных волн давно и разносторонне используется в практике радиосвязи и в научных экспериментах. Как и многие природные среды, ионосфера является существенно неоднородным и динамично эволюционирующим образованием. Помимо крупномасштабных ионизированных неоднородностей с линейными размерами в десятки и сотни километров и скоплений ионизированных облаков размером всего в несколько километров, ионосферная плазма обладает так называемой тонкой структурой. Мелкие неоднородности с линейными размерами порядка километра оказывают значительное воздействие на распространяющийся радиосигнал. По мере роста требований к надежности ионосферных радиоканалов и из-за возрастания их информационной загруженности, это влияние будет становиться все более и более заметным. Считается, что одной из причин погрешностей в работе радиосистем дальней связи и ошибок систем загоризонтной радиолокации являются флуктуации характеристик принимаемого радиосигнала, в большей степени, определяемые именно мелкомасштабными неоднородностями.
В настоящий момент используется множество статистических моделей флуктуаций сигнала, прошедшего через ионосферу. Они позволяют оценивать мутность среды с помощью параметра /?2, являющегося отношением средних интенсивностей когерентной и рассеянной составляющих излучения. Этот интегр&зьный параметр оказался очень удобен для описания ослабления когерентной составляющей распространяющихся в неоднородной среде радиоволн. Однако ни одна из многочисленных статистических моделей не в состоянии однозначно учесть все эффекты, влияющие на рассеяние радиоизлучения неоднородностями ионосферной плазмы. Более тог о, применение различных моделей для интерпретации одних и тех же экспериментальных
7
данных дает различающиеся на порядки оценки мутности среды. Поэтому является актуальной задача разработки методики оценки параметра /?2, не зависящей от статистических гипотез о характере флуктуаций сигнала.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является:
- разработка методики определения параметра /3 2, не зависящей от статистических законов флуктуаций сигнала вертикально отраженного ионосферой и основанной на когерентном приеме сигналов;
'У
- проведение оценок параметра /.3‘ по экспериментальным данным с применением разработанной методики;
- анализ характера рассеяния радиоволн среднеширотной ионосфере.
Научная новизна исследования. Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработан новый способ оценки мутности нестационарной ионосферной плазмы, основанный на когерентном приеме сигналов при вертикальном зондировании ионосферы. Подход не использует априорную информацию о статистическом законе распределения амплитуд радиосигнала, распространяющегося через случайно неоднородную плазму.
2. На основе предложенной методики по экспериментальным данным получены новые оценки параметра р2 для слоя Г. Наиболее вероятные значения лежат в интервале от 0.2 до 0.35 и меньше известных в среднем на порядок.
3. Полученные оценки параметра р2и соответствующие значения наиболее вероятного бессголкновительного ослабления когерентной составляющей сигнала 5 - 7 дБ свидетельствуют о многократном характере рассеяния волн на случайных неоднородностях электронной концентрации Г -области ионосферы.
Научная и практическая ценность работы. В научном плане значимость работы определяется следующими обстоятельствами:
8
- для области Т7 получены не зависящие от априорных предположений о статистических законах распределения амплитуд вертикально отраженного ионосферой сигнала экспериментальные оценки параметра /?2, меньшие известных примерно на порядок;
- экспериментальные результаты указывают на доминирование процесса многократного рассеяния радиоизлучения в области F при ее вертикальном зондировании и требуют развития теории распространения радиоволн, учитывающей это явление.
В практическом плане значимость работы заключается в следующем:
- разработанная методика с использованием когерентного приема сигналов для определения параметра /?' и бесстолкновительного ослабления когерентной составляющей излучения /,5 позволяет ставить и решать обратную задачу определения спектров неоднородностей по частотным зависимостям при зондировании ионосферы с поверхности Земли;
- разработанная методика может быть применена для определения мутности, бесстолкновительного ослабления и параметров неоднородностей при наклонном зондировании внутренней ионосферы и при зондировании внешней ионосферы с борта ИСЗ.
Реализация результатов работы. Работа выполнена в соответствии с планами госбюджетных научно-исследовательских тем, проводимых отдельной лабораторией электродинамики космической плазмы (ОЛЭК11) НИИ физики при Ростовском государственном университете (НИИФ РГУ) в течение 1996-2001 гг.:
1. НИР “Аномальные эффекты при распространении радиоволн в околоземной плазме” № 2.13.96 Ф темплана РГУ.
2. НИР “Мастерица”, выполняемая по государственному заказу.
Личный вклад автора. Диссертация обобщает результаты исследований, проведенных совместно с сотрудниками ОЛЭКП НИИФ РГУ. Автор
9
принимал участие в эксперименте, создании программного обеспечения, отработке методики расчетов и интерпретации полученных результатов.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Новая методика оценки параметра по результатам зондирования ионосферы с использованием техники когерентного приема. Эта методика не зависит от априорных предположений о виде функции распределения флуктуаций отраженного от ионосферы радиосигнала и позволяет интерпретировать 100% экспериментальных данных.
2. Получены новые оценки параметра р~ для области Т7 среднеширотной ионосферы при ее вертикальном зондировании. Наиболее вероятные значения параметра лежат в интервале от 0.2 до 0.35. Они примерно на порядок меньше известных из литературы.
3. Рассеяние ВЧ - волн, вертикально падающих на область Т7 ионосферы, преимущественно носит многократный характер, так как в 80% случаев значение бесстолкновительного ослабления когерентной составляющей Ь$ (оптическая толща по процессу рассеяния) больше единицы. Это требует развития новой теории распространения радиоволн в ионосфере, учитывающей эффект многократного рассеяния.
Достоверность результатов. Полученные результаты можно считать достоверными в рамках сделанных физических приближений, выбор которых обоснован как в самой работе, гак и подтвержден известными из литературы исследованиями. Проведенное численное моделирование показало устойчивость решения, полученного с использованием разработанной методики. Корректное применение математического аппарата позволило достичь согласования результатов расчетов по экспериментальным данным с известными оценками мутности для спорадического слоя £$ и соответствия современным представлениям о процессах бесстолкновительного ослабления когерентной составляющей ВЧ - излучения в/7слое ионосферы.
10
Апробация результатов. Полученные результаты были представлены на следующих конференциях и семинарах:
- научных конференциях аспирантов и соискателей физического факультета РГУ 21-24 апреля 1998, 1999 гг.;
- XXIII и XXIV региональных конференциях по распространению радиоволн Северо-Западного отделения Научного Совета РАН, г. Санкт-Петербург, 28-29 октября 1997 г и 27-28 октября 1998 г.;
- XI Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн, г. Москва, МГУ 1998 г.;
- XIX Всероссийской научной конференция «Распространение радиоволн», г. Казань, 22-25 июня 1999 г.;
- XXVI General Assembly of URSI Toronto, Canada. Aug. 13-21, 1999.;
- международной конференции “Mathematical methods in electromagnetic theory” (MMET 2000), 12- 15 сентября 2000 г.;
- всероссийской научно - технической конференции “Излучение и рассеяние электромагнитных волн” (ИРЭМВ 2001), 18-21 июня 2001 г.;
- семинарах лаборатории ОЛЭКП НИИ физики PI У.
Публикации. По теме диссертации опубликовано в виде статей и тезисов докладов 14 работ.
Объем и структу ра работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащих 142 страницы машинописного текста, 35 рисунков, 8 таблиц и список литературы, насчитывающий 85 наименований.
Содержание работы изложено в четырех главах и заключении:
Первая глава посвящена обзору существующих методик получения информации о мелкомасштабной структуре ионосферной плазмы и определению требований, которым должны удовлетворять новые разработки для обеспечения оптимального использования экспериментального материала.
11
В главе приводится краткое описание и сводка основных результатов наиболее используемых методов наблюдения за тонкой структурой ионосферной плазмы. Выделено три основных подхода к решению исследуемой проблемы: методы регистрации радиомерцаний, методы наблюдения за Г-рассеянием в ионосфере и совокупность методик вертикального зондирования ионосферы, предназначенных для исследования имеющих статистическую природу флуктуаций приня того радиосигнала. Анализ условий применения рассмотренных подходов определил географические рамки их наиболее эффективного использования. Было отмечено, что метод импульсного зондирования ионосферы при расчете оценок мутности согласно статистической интерпретации экспериментальных данных, удобно использовать для измерений во всей среднеширотной области.
Анализируются основные трудности, возникающие при статистической интерпретации флуктуаций радиосигнала, вызванных неоднородностями плазмы. Рассматриваются вероятностные методики оценки степени мутности плазмы по данным, полученным при вертикальном зондировании ионосферы. Показывается, что основной проблемой при реализации статистического подхода является выбор адекватного математического представления для плотности вероятности амплитуды сигнала, отраженного от слоя с неоднородностями. Описанные затруднения в реализации классических подходов служат толчком к разработке новых, более эффективных методик.
Вторая глава посвящена изложению математического аппарата предлагаемой методики для случаев одно- и многолучевых моделей отражения зондирующего радиосигнала от исследуемой области ионосферы. Используется приближение плоских волн.
Рассмотренные в главе реализации методик обработки экспериментальных данных вертикального зондирования рассчитаны на применение совместно с техникой квадратурного приема. Математическое представление квадратурных отсчетов записывается в виде суперпозиции гармонических
12
сигналов, зеркально отраженных от крупномасштабных неоднородностей, и компоненты, обобщающей всю совокупность волн, рассеянных на мелкомасштабных неоднородностях. Такая форма записи позволяет соотнести последовательность экспериментальных данных и математическую модель при помощи матричного уравнения. Решение сформулированной задачи удобно находить методом наименьших квадратов. Для определения погрешности полученных оценок детально рассмотрена процедура переноса ошибок.
Основная часть главы посвящена разработке методик, предназначенных для учета различных условий отражения зондирующего радиолуча от ионосферы. В зависимости от конфигурации и значения скорости перемещения области плазмы, формирующей отражение, представляется эффективным применение для расчетов специально разработанных алгоритмов, снижающих вычислительные затраты. Так, для расчетов параметров по данным, характеризующим слой Т7 ионосферы, предлагается применять общую многолучевую методику расчетов. Для слоя Е$, ввиду технических особенностей приема собственных волн, необходимо использовать модифицированную двухлучевую методику. Помимо названных методик, в некоторых случаях могут применяться другие описанные в работе алгоритмы.
В завершении главы рассмотрены трудности, не позволившие использовать в качестве основного подхода к интерпретации данных вертикального зондирования метод, основанный на анализе энергетического спектра отраженного сигнала.
Третья глава посвящена описанию аппаратно-программного обеспечения, применяемого для разрешения поставленной задачи.
Описаны конфигурации ионозонда “Парус”, используемые в экспериментах по определению мутности ионосферы. Рассмотрены схемы проведения эксперимента, продемонстрирован процесс проверки на достоверность данных, поступающих на вход программы расчета оценок параметра и бесстолкновительного ослабления Для проведения эксперимента и реше-