Введение к работе
=Лі-я)Те:іа
Актуальность. В настоящее время для многих прикладных задач необходима информация о структуре нводнородностей ионосферной плазмы. Здесь можно выделить различные геофизические задачи (изучение структуры ионосферных слова, идентификация положлшй максимумов электронной концентрации этих слоев, исследование главного ионосферного провала и т.д.). задачи физики плазмы (диагностика локальных образований искусственного и естественного происхождения), радиофизические задачи, так как структура ионосферы необходима для расчетов распространения радиоволн, что очень важно для радиосвязи, локации, навигации. Последнее время ведущую роль в физико-технических исследованиях начинают играть методы компьютерной томографии. Сегодня ухе немало значительных результатов, полученных с помощью томографии, в оптике, акустике океана, сойсмике, астрономии, физике плазмы, гидродинамике и т.д. Современное развитие вычислительной техники, систем спутникового радиозондирования ионосферы стимулировало разработку новых методов исследования неоднородной структура ионосфери, а именно, методов спутниковой радаотомографии для реконструкции ионосферных нводнородностей. В перспективе успешное развитие системы спутниковой радиотомографии позволит осуществить глобальный мониторинг распределения электронной концентрации и эффективной частоты соударений, диагностику состояния параметров ионосферы, и следовательно, провести коррекцию работы систем навигации, локации и радиосвязи.
В общем случае ионосфера имеет довольно сложную структуру, где на регулярном слоистом фоне располагаются локальные неоднородности различных размеров, в' также целые возмущенные области. В связи с этим задачи восстановления неоднородной структуры ионосферы разделяются на детерминированные и статистические задачи. В диссертационной работе рассматриваются детерминированные задачи реконструкции двумерных сечений ионосферных нводнородностей, которые, соответственно, подразделяются на задачи лучевой радиотомографии крупных нводнородностей, когда можно дифракционными эффектами пренебречь, и дифракционной томографии, в атом случае необходимо учитывать дифракционные эффекты, т.е. размеры реконструируемых объектов сравнимы с зоной Френеля. Лучевая радиотомография вклвча-
ет в своя фазовую (искусственных и естественных локализованных крупных неоднородностей) и фэзоразностную (инфинитных ионосферных структур) рздиотомографию. Задачи лучэвой радиотомографии реализуются на практике с помощью движущегося ИСЗ и нескольких приемников, которые необходимо расположить в плоскости пролета спутника. В математическом м вычислительном аспекте проблема лучевой радаотомографш ионосферы' является непростой задачей. Применение известных и хорошо развитых традиционных методов сейсмотомографии сопряжено с цэлом рядом принципиальных трудностей, обусловленных особенностями ионосфоры, в частности, наличие характерных горизонтальных градиентов электронной концентрации в ионосфера не позволяет точно измерить линейный интеграл, а именно, абсолютную фазу, включая неизвестную постоянную составляющую фазы 2га» Для этого требуются югагопозиционныо и многочасготныэ системы. Поэтому разработка новых подходов к задаче спутниковой радиотомографии ионосферы, создание необходимых алгоритмов и программ являются достаточно актуальными.
Цель работы: Разработка методов и алгоритмов фазовой м фазораэностной лучевой радиотомографии искусственных и естественных неоднородное ей ионосфера. Численное моделирование предложенных алгоритмов лучевой спутниковой радиотомографии и моделирование томографи с учетом дифракционных аффектов. Применение разработанных алгоритмов и программ для практической томографической реконструкции го данным спутникового радиозондирования.'
Научная новизна:
1. Предложен новый метод фазовой лучевой радиотомографии
локализованных искусственных и есгоствешшх ионосферных
возмущений. Ыэтод позволяет путем вычитания фазовых данных свести
задачу к малорахуреной томографии финитного объекта.
-
Проведено систематическое численное моделирование фазовой лучевой радиотомографии. Показана возможность томографической реконструкции искусственных образований несколькими приемниками и практическая нереальность томографической реконструкции инфинитных объектов прн наличии ошибок в измеряемой фазо.
-
Разработан новый метод и алгоритмы фазоразностной радио-томографии. Результаты численных экспериментов показали возмок-ность реконструкции глобальных разрезов ионосферы несколькими приемниками и позволили определить параметры измерительной системы.
4. Разработанные алгоритми и программы позволили впервые
реконструировать по экспериментальным данным двуморішо разрезы
ионосферы по линии Мурманск-Москва.
-
ПроЕэдено численное моделирование влияния шумов и искажений на результати спутниковой дифракционной радиотомографии по данным малоуглового рассеяния.
-
Создан комплекс программ по моделированию систом спутниковой радиотомографии ионосферы.
Практическая ценность работы состоит в том, что на основе разработанных методов и алгоритмов возможно создание радиотомографических систем восстановлешія структури искусственных локализованных образований и реконструкции двумерных глобальных разрезов ионосферы. Разработанные алгоритмы фазоразностной радиотомографии реализованы на практико. Впервые получены меридиональные сечения ионосферы с главным ионосферным провалом. Созданный комплекс программ моделирования спутниковой радиотомографии позволяет выбирать схему эксперимента, оптимизировать алгоритмы обработки данных, оценивать уровень погрешностей результатов.
Экспериментальные результата по лучевой спугникочой радиотомографии получены сотрудниками Полярного геофизического института РАН (Мурманск) и МГУ. Эксперимент проводился под руководством Терещенко Е.Д. и Куницына в.Е.
Апробация работа и публикации. Материалы диссертации докладывались на IV, V Всесоюзных симпозиумах по вычислительной томографии ( Ташкент, 1989; Звенигород, 1991г.); XVI Всесоюзной научной конференции по распространению радиоволн (Харьков,1990г.); X Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Винница,1990т); III Международном симпозиуме "Модификация ионосферы мощным радиоизлучением" (Суздаль,1991 г.); Международном IEEE/AP-S симпозиуме (Канада,1991 г.); Всесоюзном семинаре "Физика полярной ионосферы" (Иркутек,1990г.); Всесоюзном семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере" (Калининград, 1989г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (Смоленск,' 1992г.); 44 Всесоюзной научной сессии НТОРЭС, посвященной Дно радио (1989г.). Результаты работы обсуждались на научных семинарах
ЛГИ РАН, ИПГ Росгидромета, ИЗМИР РАК, физического факультета МГУ. По теме диссертации опубликовано 14 работ. Зйщшдаецаэ полоаенля.
-
Метод и алгоритмы лучевой радиотомографии локализованных искусственных и естественных ионосферных образований, позволяющие путем вычитания фазових данных свести задачу к малоракурсной томографии финитного объекта.
-
Показана возмояность томографической реконструкции локализованных, искусственных и естественных ионосферных неоднородностей несколькими приемниками.
-
Доказана практическая нереальность томографической реконструкции кнфииитных объектов по фазовым данным при наличии характерных ошибок в измеряемых данных.
-
Матод н алгоритмы фазоразяостной радаютомографии, основанные на кусочио-планарлом представлении восстанавливаемой функции.
б. Практическое применение разработанных алгоритмов и программ к реконструкции по экспериментальным данным двумерного разреза ионосферы по линчи Мурманск-йоскаа.
Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она содержит 148 страниц машинописного текста, включая 44 рисунка и 2 таблицы, список цитируемой литературы из 98 наименований, -