Содержание к диссертации
Введение
1 Влияние космической погоды на изменчивость ионосферы. Возможности метода наклонного зондирования ионосферы 22
1.1 Влияние солнечно-земных связей на изменчивость ионосферы. Гипотеза о существовании регулярной и случайной компонент суточных вариаций электронной концентрации 22
1.2 Факторы, формирующие случайную компоненту вариаций электронной концентрации 27
1.3 Основные параметры волновых ионосферных возмущений и основные радиофизические методы их исследования 31
1.4 Метод наклонного зондирования и его возможности в изучении возмущений ионосферы и космической погоды 33
1.5 Цель и задачи диссертационного исследования 43
2 Математическое моделирование влияния перемещающихся ионосферных возмущений на характеристики НЗ ионосферы ЛЧМ сигналом 45
2.1 Выбор моделей для профилей электронной концентрации и перемещающихся ионосферных возмущений 45
2.2 Модель распространения KB на наклонных радиолиниях с учетом сферичности ионосферы и волновых возмущений 55
2.3 Вычислительные эксперименты по исследованию вариаций МНЧ радиолиний. Характеристики вариаций 62
2.3.1 Характеристики математического ожидания остаточной компоненты СХМНЧ 68
2.3.2 Характеристики стандартного отклонения остаточной компоненты СХМНЧ 74
2.4 Связь между вариациями остаточной компоненты суточных ходов МНЧ и характеристиками перемещающихся ионосферных возмущений 84
2.5 Выводы 95
3 ЛЧМ ионозонд - современный инструмент радиофизических исследований ионосферных возмущений методом НЗ 97
3.1 Теоретические основы методики определения МНЧ радиолинии на основе зондирования ионосферы непрерывным ЛЧМ сигналом 98
3.1.1 Теоретическое описание работы ЛЧМ ионозонда 98
3.1.2 Методика формирования ионограмм наклонного зондирования и методика измерения МНЧ 110
3.2 Теоретическое обоснование методики разделения суточных вариаций МНЧ на регулярную и остаточную компоненты 116
3.3 Обоснование методик выделения периодических составляющих в остаточной компоненте вариаций МНЧ 126
3.4 Техника натурного эксперимента по исследованию остаточной компоненты суточных ходов МНЧ на основе ЛЧМ ионозонда МарГТУ. Условия проведения эксперимента и объем экспериментальных данных 131
3.5 Выводы 135
4 Натурные исследования остаточной компоненты суточных ходов МНЧ на широтных и долготных радиолиниях протяженностью 2,6- 5,7 Мм в Западно-сибирском и Европейском регионах России 137
4.1 Исследование обобщенных характеристик остаточной компоненты суточных ходов МНЧ для радиолиний широтного и меридионального направлений 137
4.1.1 Экспериментальные результаты разделения экспериментального ряда МНЧ на регулярную и остаточную компоненты 137
4.1.2 Характеристики вариаций остаточной компоненты СХ МНЧ в зависимости от частоты среза 140
4.1.3 Проверки случайного характера остаточной компоненты СХ МНЧ 142
4.2 Исследование связи между характеристиками остаточной компоненты СХ МНЧ и уровнем геомагнитной активности 148
4.3 Временные эффекты в спектральной области остаточной компоненты СХ МНЧ 155
4.4 Эмпирические характеристики волновых возмущений МНЧ 162
4.5 Выводы 165
Заключение 167
Литература 168
Приложение 179
- Факторы, формирующие случайную компоненту вариаций электронной концентрации
- Модель распространения KB на наклонных радиолиниях с учетом сферичности ионосферы и волновых возмущений
- Теоретическое обоснование методики разделения суточных вариаций МНЧ на регулярную и остаточную компоненты
- Экспериментальные результаты разделения экспериментального ряда МНЧ на регулярную и остаточную компоненты
Введение к работе
Диссертация посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям влияния перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) на наклонное распространение декаметровых радиоволн; разработке радиофизической методики измерения характеристик ПИВ на основе экспериментальных данных о суточных ходах МНЧ, полученных с помощью ЛЧМ ионозон-да; разработке вычислительных экспериментов (созданию дискретной модели наклонного распространения радиоволн с учетом влияния ПИВ) и натурных экспериментов (ЛЧМ зондированию). В ней впервые выделены связи между характеристиками остаточной компоненты суточных ходов МНЧ и амплитудами перемещающихся ионосферных возмущений; представлены результаты натурных исследований связей между характеристиками остаточной компоненты суточных ходов МНЧ радиолиний большой протяженности и уровнем геомагнитной активности; обнаружены временные «восходно-заходные» эффекты в спектральной области остаточной компоненты суточных ходов МНЧ. Разработаны новые методики: интерпретации данных наклонного зондирования ионосферы с помощью ЛЧМ ионозонда, позволяющая в остаточной компоненте суточных ходов МНЧ радиолинии выделять эффекты влияния перемещающихся ионосферных возмущений; измерения характеристик перемещающихся ионосферных возмущений по экспериментальным данным об остаточной компоненте суточных ходов МНЧ. На основе результатов теоретических исследований дана интерпретация экспериментальных данных, на практике проверена адекватность математических моделей и их следствий. Сопоставление полученных экспериментальных данных о характеристиках ПИВ с результатами измерений других авторов, проведенных иными методами, подтвердило достоверность и обоснованность результатов диссертационного исследования.
Актуальность темы. Известно, что ионосфера Земли подвержена влиянию космической погоды. Поскольку ионосфера является средой распространения радиоволн для различных радиотехнических систем, то изменения этой погоды влияют на надежность их работы. Особо важное значение это имеет для систем дальней декаметровой радиосвязи. Одним из важных параметров, определяющих возможности коротковолновой радиосвязи через ионосферу, является максимально наблюдаемая частота (МНЧ). Характеристики ионосферы, в частности электронная плотность, изменяются под влияниями многих факторов космической погоды: интенсивности солнечной лучевой радиации, геомагнитной активности Солнца, напряженности магнитного поля Земли, изменений гравитационных сил Луны, волновых процессов и т.д., которые имеют случайные характеристики. Поэтому для распространяющихся в ионосфере радиоволн среда является неустойчивым каналом, характеристики которого зависят как от времени, так и координат в пространстве.
В настоящее время особый интерес в вопросах переноса энергии в верхней атмосфере представляет мало изученные волновые процессы, возбуждаемые различными геофизическими возмущениями. Одним из их проявлений в ионосфере являются перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ). Поэтому изучение волновых вариаций электронной концентрации на различных высотах актуально для развития геофизики и решения ряда практических задач освоения околоземного космического пространства.
Для исследования проявлений геофизических эффектов на уровнях ионосферы разработано и реализовано много методов, использующих спутники, ракеты, ионозонды и т.д. Среди них важное место занимают наземные радиофизические методы дистанционного зондирования ионосферы. Получение новых геофизических знаний связано с дальнейшим развитием этих методов на основе создания новых высокочувствительных методик измерений, и на передний план выходит проблема создания оптимальных (по помехоустойчивости и времени измерений) методик. Такая возможность предос-
тавляется с использованием для зондирования ионосферы сверхширокополосных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и оптимальных методов их обработки в приемнике. Устройства, использующие такой подход и названные ЛЧМ ионозондами, позволяют с высокой достоверностью в масштабе времени зондирования определять при наклонном зондировании радиолинии МНЧ, которая является индикатором состояния ионизированной компоненты газа в области отражения зондирующей волны. При этом информация о перемещающихся ионосферных возмущениях будет содержаться в суточных ходах МНЧ. Существующие теории физики ионосферы и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что электронная концентрация содержит как регулярную, так и случайную компоненты. Поэтому и суточные ходы МНЧ должны содержать регулярную и остаточную компоненты. Поскольку волновые процессы формируют тонкую структуру ионосферы, то логично предположить, что данные о перемещающихся ионосферных возмущениях будут содержаться в остаточной компоненте суточных ходов МНЧ. В этой связи очевидна существующая проблема разделения суточных ходов МНЧ на составляющие, выделения в остаточной компоненте суточных ходов МНЧ информации о характеристиках перемещающихся ионосферных возмущений, а также научного обоснования методик интерпретации результатов этих измерений. Это позволит решить задачу исследования связи перемещающихся ионосферных возмущений с геофизическими возмущениями.
Цель диссертационной работы состоит в создании радиофизической методики измерения характеристик перемещающихся ионосферных возмущений на основе экспериментальных данных о суточных ходах МНЧ, полученных с помощью ЛЧМ ионозонда, научного обоснования методики интерпретации результатов измерений и исследовании связи процессов с геофизическими возмущениями ионосферы, а также их влияния на наклонное распространение декаметровых радиоволн.
Задачами данной работы являются:
Создание методики измерения характеристик перемещающихся ионосферных возмущений, на основе анализа распространения в ионосфере сверхширокополосных ЛЧМ сигналов, создания алгоритма автоматического определения МНЧ радиолинии, разделения суточных ходов МНЧ на регулярную и остаточную компоненты и выделения эффектов перемещающихся ионосферных возмущений.
Разработка вычислительного эксперимента математического моделирования влияния состояния ионосферы и перемещающихся ионосферных возмущений на суточные ходы МНЧ. Создание методики интерпретации результатов анализа остаточной компоненты суточных ходов МНЧ.
Анализ результатов теоретических исследований влияния вариаций солнечной активности и перемещающихся ионосферных возмущений на характеристики остаточной компоненты суточных ходов МНЧ.
Разработка методики проведения натурных экспериментов с использованием ЛЧМ ионозонда. Развитие методики мониторинга ионосферы в области, расположенной в средней точке дальней радиолинии, путем комбинации метода математического моделирования состояния ионосферы и метода ее ЛЧМ зондирования.
Проведение натурных экспериментов по исследованию влияния перемещающихся ионосферных возмущений на наклонное распространение декаметровых радиоволн, а также по исследованию обобщенных характеристик остаточной компоненты суточных ходов МНЧ для дальних радиолиний широтного и меридионального направлений. Нахождение вероятностных характеристик остаточной компоненты суточных ходов МНЧ (математическое ожидание, стандартное отклонение, закон распределения и корреляционные характеристики).
Доказательство гипотезы существования регулярных и остаточных компонент в суточных ходах МНЧ в соответствии с полученными теоретическими и экспериментальными результатами. Интерпретация данных на-
турных экспериментов на основе совместного анализа результатов теоретического и экспериментального методов разделения суточных ходов МНЧ на регулярную и остаточную компоненты. Получение характеристик перемещающихся ионосферных возмущений.
Методы исследования. Решение поставленных теоретических задач базируется на применении хорошо изученного метода геометрической оптики. Численное моделирование проведено с использованием международной модели ионосферы (IRI). В работе применялись методы математического моделирования и математической статистики. Натурные исследования проведены с применением метода наклонного зондирования ионосферы с использованием ЛЧМ ионозондов, которыми оснащена сеть радиолиний в Западной Европе и Сибири, протяженностью от 2,6 до 5,7 Мм. Для обработки экспериментальных данных использовались спектральные методы, статистические методы анализа данных и методы распознавания образов.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются использованием адекватного математического аппарата, статистически достаточным набором экспериментальных данных, полученных за период с 1990г. по 2005г., хорошим согласием экспериментальных данных с результатами математического моделирования, повторяемостью результатов, а также проверкой на соответствие выводам других авторов.
Положения, выносимые на защиту:
Методика комплексного исследования характеристик суточных ходов МНЧ на основе метода математического моделирования ионосферы и метода ее наклонного зондирования с помощью ЛЧМ ионозонда.
Результаты исследования влияния геомагнитной и солнечной активностей на характеристики остаточной компоненты суточных ходов МНЧ.
Методика измерения характеристик перемещающихся ионосферных возмущений, на основе анализа распространения в ионосфере сверхширокополосных ЛЧМ сигналов, алгоритма автоматического определения МНЧ радиолинии, и алгоритма разделения суточных ходов МНЧ на регулярную и остаточную компоненты и выделения эффектов перемещающихся ионосферных возмущений.
Экспериментальные характеристики остаточной компоненты суточных ходов МНЧ и их корреляционные связи с амплитудой перемещающихся ионосферных возмущений.
Характеристики обнаруженных в спектральной области «восход-но-заходных» эффектов в остаточной компоненте суточных ходов МНЧ.
Научная новизна работы
Разработана новая методика интерпретации данных наклонного зондирования ионосферы с помощью ЛЧМ ионозонда, позволяющая в остаточной компоненте суточных ходов МНЧ радиолинии выделять эффекты влияния перемещающихся ионосферных возмущений.
Разработана новая методика измерения характеристик перемещающихся ионосферных возмущений по экспериментальным данным об остаточной компоненте суточных ходов МНЧ.
Впервые выделены связи между характеристиками остаточной компоненты суточных ходов МНЧ и амплитудами перемещающихся ионосферных возмущений; представлены результаты натурных исследований связей между характеристиками остаточной компоненты суточных ходов МНЧ радиолиний большой протяженности и уровнем геомагнитной активности; обнаружены временные «восходно-заходные» эффекты в спектральной области остаточной компоненты суточных ходов МНЧ.
Предположен новый подход в исследовании одновременного влияния на дальнее распространение декаметровых радиоволн перемещаю-
щихся ионосферных возмущений на основе анализа остаточной компоненты суточных ходов МНЧ.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Результаты исследования характеристик остаточной компоненты суточных ходов МНЧ в зависимости от геомагнитной, солнечной активностей и времени суток могут быть использованы в методе краткосрочного прогнозирования условий распространения декаметровых радиоволн.
Результаты исследования характеристик вариации остаточной компоненты суточных ходов МНЧ могут быть использованы для улучшения алгоритма радиомониторинга декаметровых радиоканалов.
Результаты исследования корреляции между вариацией остаточной компоненты суточных ходов МНЧ и амплитудами перемещающихся ионосферных возмущений, уровнями геомагнитной и солнечной активностей могут служить предметом для дальнейшего развития теории физических процессов на уровнях верхней атмосферы.
Личный творческий вклад автора. Работа носит преимущественно экспериментальный характер. Натурные экспериментальные работы по наклонному зондированию ионосферы, включенные в диссертацию, выполнены в кооперации с учеными МарГТУ. Автор принимал непосредственное участие в обработке и анализе данных, а также их интерпретации. Автор принимал непосредственное участие в проведении вычислительных экспериментов для моделирования ионограмм на сети радиолиний, протяженностью от 2,6 до 5,7 Мм, на территории Западной Европы и Сибири. Автором разработан алгоритм для дискретной модели наклонного распространения, основанной на теоремах эквивалентности. Автором разработаны методика разделения суточных ходов МНЧ на регулярную и остаточную компоненты, методика выделения периодических составляющих в остаточной компоненте суточных ходов МНЧ, проведен анализ вариаций остаточной компоненты суточных ходов МНЧ в зависимости от геомагнитной и солнечной активности,
а также от времени суток, сезона и года. Автором сформулированы научные выводы и положения, которые выносятся на защиту.
Апробация работы и публикация. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены в научно-техническом журнале «Георесурсы» (2006); на X, XII международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь - RLNC» (Воронеж, 2004; Воронеж, 2006); на XXI Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2005); на XVIII международной конференции «Прикладной электромагнетизм и коммуникация - IEEE ICECOM 2005» (Хорватия, Дубровник, 2005); на XI конференции северо-западного региона России "Распространение радиоволн" (С. Петербург, 2005); на III международной конференции «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, 2005); на 60-й научной сессии НТО РЭС им. А.С. Попова (Москва, 2005); на VII международной конференции молодых ученых БШФФ «Взаимодействие полей и излучения с веществом» (Иркутск, 2004); а также на научных конференциях Казанского государственного университета и Марийского государственного технического университета.
По материалам диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 178 страниц основного текста, 65 иллюстраций, 21 таблиц, список цитируемой литературы из 116 наименований и 1 приложение.
Основное содержание диссертации
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна и практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследований, приведены краткая характеристика и содержание работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе дается критический анализ современного состояния исследований ионосферных возмущений в рамках решения проблемы исследования космической погоды, а также возможностей метода наклонного зондирования (НЗ) с применением сверхширокополосного ЛЧМ сигнала в рамках проблемы развития радиофизических методов дистанционного зондирования ближнего космоса. Рассмотрены основные факторы, влияющие на вариации суточных ходов МНЧ. Главным из них является пространственно-временная изменчивость среды распространения сигналов - ионосферной плазмы. Показано, что изменчивость и неоднородность ионосферы обусловлена различными процессами. Один из них связан с прохождением внутренних гравитационных волн, вызывающих эффект перемещающихся ионосферных возмущений. Последние, наряду с другими эффектами, приводят к вариациям МНЧ радиолиний. Рассмотрены основные параметры и характеристики перемещающихся ионосферных возмущений. Высказана гипотеза о существовании регулярной и остаточной компонент суточных ходов МНЧ, позволяющая на ее основе разработать методику разделения этих компонент и методику определения параметров перемещающихся ионосферных возмущений.
Показано, что в настоящее время наибольшее распространение в мировой практике диагностики ионосферы получили ионозонды со сверхширокополосным ЛЧМ сигналом, обладающим сверхбольшой базой. В настоящее время слабо изучено влияние слабых перемещающихся ионосферных возмущений на ионограммы НЗ и практически не развиты методики измерения характеристик таких возмущений при ЛЧМ зондировании ионосферы. Для решения этой задачи требуется проведение научного обоснования предлагаемых методик измерений с привлечением методов математического моделирования. Это также необходимо для интерпретации экспериментальных суточных ходов МНЧ, подверженных случайным вариациям, вызванным изме-
нениями космической погоды, в частности - солнечной и магнитной возму-щенности.
Информация об использованной в экспериментах диссертационного исследования сети наклонного зондирования ионосферы, покрывающей радиолиниями Западную Европу и Сибирь, приведена в табл. 1.
Таблица 1 Сеть радиолиний наклонного зондирования ионосферы
Вторая глава посвящена научному обоснованию методики интерпретации экспериментальных данных НЗ ионосферы ЛЧМ сигналами на основе математического моделирования влияния геомагнитной активности и перемещающихся ионосферных возмущений на суточные ходы МНЧ. Для этого задавалась модель профиля электронной концентрации ионосферы в виде двух составляющих и модель перемещающихся ионосферных возмущений и рассчитывались МНЧ заданных радиолиний.
Модель профиля электронной концентрации, учитывающая как регулярную, так и нерегулярную составляющие, задавалась в виде:
Ne(h) = Np(h)-(l + NH(h)), (1)
где Np(h) - регулярная составляющая профиля,
NH(h) = ехр(-(/г -hc)2 I zl\ ьт{2лк І І) - его нерегулярная составляющая,
SN = AN/N - вариация электронной концентрации, hc - высота стратификации перемещающихся ионосферных возмущений, ^-диапазон стратификации, / -вертикальный масштаб перемещающихся ионосферных возмущений.
Параметры ионосферы получены из международной статистической модели IRI, позволяющей рассчитывать профиль электронной концентрации для любой точки на Земле при заданных: сезоне, времени суток, активности Солнца и геомагнитной активности.
Для расчета МНЧ радиолинии решалось волновое уравнение в приближении геометрической оптики для сферически симметричной ионосферы. Использовались теоремы эквивалентности, когда за основу брались результаты расчетов характеристик вертикального зондирования, которые затем по полученным формулам, положенным в основу алгоритма расчета МНЧ, пе-ресчитывались на наклонное распространение:
D 2Д.
1-cos
J н J 6
1 +
2RS sin
cre+2Rs
s J )
(2)
1-cos
2R.
(3)
где fe- критическая частота вертикального распространения, тв- задержка вертикального распространения, D - протяженность трассы, fH - МНЧ. эквивалентного наклонного распространения, тн - задержка эквивалентного наклон-
ного
распространения,
0*D/2RC
и
dq>
2\d
dco с JQdco с J0n(h,f)
Вычислительные эксперименты по исследованию вариаций МНЧ радиолиний были проведены для сети радиолиний, представленных в табл. 1. Расчеты охватывали разные сезоны одного периода активности Солнца (11
лет) с 1994 по 2005 годы. Исследовался главный (односкачковой) мод распространения декаметровых радиоволн в ионосфере (мод IF).
Предполагалось, что суточные ходы МНЧ заданы последовательностью, содержащей как регулярную, так и остаточную компоненты:
u(t) = ur(t) + u(t) (4)
где ur(t) - регулярная компонента суточных ходов МНЧ; u{t) - остаточная
компонента суточных ходов МНЧ.
Суточные ходы МНЧ разделялись методом фильтрации низких частот, с частотой среза 8-10 F^, на регулярную и остаточную компоненты. Остаточная компонента анализировалась по критериям случайности процесса. В работе показано, что при фильтрации суточных ходов МНЧ низкочастотным фильтром с частотой среза 8-10 F^, остаточную компоненту на периоде суток можно считать случайным процессом. Для исследования зависимости вариаций остаточной компоненты суточных ходов МНЧ от времени суток использовался метод скользящего временного окна с перекрытием 50% (STW =0.5) и апертурой, равной 3 часам (Tw = Зч.). Исследовалась зависимость вариаций
остаточной компоненты суточных ходов МНЧ от времени суток. В качестве характеристик использовались математическое ожидание (//) и стандартное отклонение (<т).
Результаты исследования характеристик стандартного отклонения остаточной компоненты суточных ходов МНЧ (<т{и(/)}) на всех радиолиниях для разного времени суток, сезона и года позволяют сделать следующие обобщающие заключения:
весной, осенью и зимой суточные вариация остаточной компоненты суточных ходов МНЧ выше днем, чем ночью.
летом разница между вариациями остаточной компоненты суточных ходов МНЧ в течении суток менее выражена;
вариация остаточной компоненты суточных ходов МНЧ достигает максимума в периоды около полудня, восхода и захода Солнца. Минимум
вариации имеет место в моменты времени 22:00-4:00 LT, т.е. сразу после захода и до восхода Солнца.
Результаты моделирования суточных ходов МНЧ за период 1994-2005г обнаруживают почти линейные зависимости &{u(t)} от среднего числа солнечных пятен (R12), среднего значения солнечной радиации (Fl07). Аналитически их можно представить следующими формулами:
- для радиолинии Кипр - Йошкар-Ола
о-е(//л) = 2,55.10-3//Л+0,87, (0Л 150) (5)
- для радиолинии Иркутск - Йошкар-Ола
0в(мя) = 3,15Ж3MR+0,7S, (0<Mr 150) (7)
cr(MF) = 3,04.10-3 fiF +0,59, (50 й/up <200) (8)
ГДЄ Ge = V{u(t)} ,JUR=R12,HJUF= %7
Исследовалась связь между вариациями остаточной компоненты суточных ходов МНЧ и характеристиками перемещающихся ионосферных возмущений. Результаты исследований, проведенных для всех радиолиний в разное время суток, указывают на линейную возрастающую зависимость вариации остаточной компоненты суточных ходов МНЧ от амплитуды перемещающихся ионосферных возмущений. Кроме этого, вариация остаточной компоненты суточных ходов МНЧ из-за перемещающихся ионосферных возмущений днем (7:00-19:00 LT) выше, чем ночью (19:00-07:00 LT). Это объясняется более высокой дневной электронной концентрацией в ионосферном F-слое.
Показаны функциональные зависимости вариации остаточной компоненты суточных ходов МНЧ с амплитудой перемещающихся ионосферных возмущений в разное время суток, сезона и года. Результаты исследования показывают, что вариации остаточной компоненты суточных ходов МНЧ, вызванные влиянием перемещающихся ионосферных возмущений выше в
полуденное время (10:00-14:00 LT) и ниже ночью. Такая зависимость от времени суток проявляется в большей степени в периоды высокой солнечной активности (1999-2003г.).
Математический анализ позволил установить связь между вариацией остаточной компоненты суточных ходов МНЧ (a{u(t)}) и амплитудой перемещающихся ионосферных возмущений (SN) в форме полинома четвертой степени:
<т{ВД} = F(SN) = Zan.(SN)n , (0,01 < SN < 0,5) (9)
Таким образом, полученные теоретические результаты представляют основу методики интерпретации результатов наклонного зондирования радиолиний большой протяженности и позволяют сформулировать методику измерения характеристик перемещающихся ионосферных возмущений по данным об остаточной компоненте суточных ходов МНЧ, определенным из результатов НЗ радиолиний с помощью ЛЧМ ионозонда.
В третьей главе представлено обоснование оптимальной методики измерения остаточной компоненты суточных ходов МНЧ при использовании для зондирования ионосферы сверхширокополосного ЛЧМ сигнала: теоретические аспекты работы ЛЧМ ионозонда, методика формирования ионограмм НЗ и методика выделения остаточной компоненты в суточных ходах МНЧ.
Сверхширокополосный зондирующий ЛЧМ сигнал с полосой 2-ЗОМГц распространяется на радиолинии по М различным лучам и поступает на вход приемника вместе с комплексом помех: флуктуационных и сосредоточенных, преобладающих в декаметровом диапазоне. В приемнике он сжимается в частотной области. В результате на его выходе имеем последовательность спектров сигнала разностной частоты, отнесенных к разным рабочим частотам из диапазона зондирования, заданным на сетке с шагом ЮОкГц. В работе показано, что произвольный к - ый амплитудный спектр сигнала разностной частоты можно представить в виде:
sin [яД/э (г -г,)]
лА/э^-г,)
(10)
где fk - текущее значение зондирующей частоты, соответствующей данному спектру, rt - время группового запаздывания на данной частоте, Д/~э = Тэ/, Тэ - длительность элемента сигнала разностной частоты, А/э - соответствующая ему полоса частот.
Показано, что сжатие сигнала в частотной области приводит к тому, что спектральная плотность мощности сигнала на выходе согласованного приемника возрастает в5э= А/ЭТЭ раз по сравнению с плотностью на входе.
Это приводит к росту отношения сигнал/шум примерно в 105 раз. Поэтому методика измерения, реализованная с использованием сверхширокополосного зондирующего сигнала, обладает повышенной помехоустойчивостью.
Спектр разностного сигнала, полученный с помощью метода БПФ, представляет собой последовательность отсчетов, а ионограмма - матрицу. Элементами матрицы могут являться смесь сигнала и шума, либо только шум. Поэтому в разработанной методике автоматического измерения МНЧ была решена задача обнуления элементов, содержащих только сигналы шума. При этом использовались пороговые методы и методы пространственной фильтрации изображений.
Для выделения остаточной компоненты в суточных ходах МНЧ использовались методы фильтрации. При этом остаточная компонента относилась к высокочастотной составляющей. Дано обоснование такого разделения суточных ходов и методики выделения периодических составляющих в остаточной компоненте суточных ходов МНЧ в частотной области.
Описана экспериментальная установка Марийского государственного технического университета, основу которой составляет ЛЧМ ионозонд, имеющий следующие характеристики: диапазон рабочих частот 1,6-30 МГц; скорость изменения частоты 100 кГц/с; диапазон наблюдаемых задержек сигнала 5 мс; излучаемая мощность 100 Вт. Описаны техника натурного экс-
перимента по исследованию возмущений МНЧ на основе ЛЧМ ионозонда МарГТУ, условия проведения эксперимента и указан объем экспериментальных данных.
В четвертой главе представлены результаты натурного исследования средне и коротко периодических вариаций МНЧ. В ней приведены результаты исследования обобщенных характеристик остаточной компоненты суточных ходов МНЧ для радиолиний широтного и меридионального направлений, представленных в табл. 1. Представлена интерпретация результатов натурного эксперимента путем сопоставления их с данными проведенных в работе теоретических исследований. С использованием критериев Стьюдента, Дарбина-Уотсона, Пирсона доказан случайный характер остаточной компоненты натурных суточных ходов МНЧ для радиолиний с протяженностью 2,6-5,7 Мм.
Обнаружена корреляция мощности остаточной компоненты суточных ходов МНЧ разных модов (IF и 2F) распространения радиоволн в ионосфере с уровнем геомагнитной активности. Показана зависимость мощности (дис-
персии - g {u(t)}) остаточной компоненты суточных ходов МНЧ мода IF от уровня геомагнитной активности. В области частот 5-^28 F^ с ростом возму-щенности увеличивается мощность остаточной компоненты. Результаты анализа показали, что для спокойных дней полоса частот остаточной компоненты, имеющей связь с уровнем геомагнитной активности, превышает 40 F^, а для возмущенных дней меньше 40 F$. В частотных областях 10-И 6 F^, и 22-К28 Рф были выделены периодические составляющие остаточной компоненты суточных ходов МНЧ с амплитудами -0.2-И МГц, которые согласно полученным результатам теоретических исследований обусловлены перемещающимися ионосферными возмущениями с периодами -1-3 часа. Исследование вариаций текущего спектра остаточной компоненты суточных ходов МНЧ позволили выделить «восходно-заходные» эффекты, которые выражаются в значительных изменениях спектральных амплитуд и расширении по-
лосы в область высоких частот в периоды восхода (4:00 - 8:00 LT) и захода (16:00 - 20:00 LT) Солнца по местному времени (LT).
Представлены спектры остаточной компоненты суточных ходов МНЧ на среднеширотных радиолиниях и высокоширотной радиолинии в периоды разной геомагнитной активности. С увеличением геомагнитной возмущенно-сти амплитуда синусоидальных составляющих растет, а занимаемый ими диапазон расширяется в область высоких частот. Это означает, что в области терминатора возбуждаются перемещающиеся ионосферные возмущения, амплитуда и частотный диапазон которых увеличиваются с ростом геомагнитной активности. Оценены амплитуды перемещающихся ионосферных возмущений для восходного и заходного времени.
Результаты проведенных комплексных исследований свидетельствуют о том, что остаточная компонента суточных ходов МНЧ является чувствительным индикатором состояния космической погоды на уровнях верхней атмосферы Земли. В этой связи в работе предположен подход в исследовании одновременного влияния на дальнее распространение декаметровых радиоволн перемещающихся ионосферных возмущений, а также методика мониторинга ионосферы в областях отражения сверхширокополосных зондирующих ЛЧМ сигналов на дальних декаметровых радиолиниях.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Факторы, формирующие случайную компоненту вариаций электронной концентрации
Ионосферой называется часть верхней атмосферы Земли, которая простирается от высоты 50 км до высот порядка 1000 - 1500 км и заполняется частично ионизированным газом-плазмой. Ионосфера возникла в результате воздействия ионизирующего волнового и корпускулярного излучения Солнца на различные газы, содержащиеся в ионосфере. Структура и свойства ионосферы существенно зависят от процессов, протекающих на Солнце (солнечная активность), вариаций магнитного поля Земли, движений в верхней атмосфере, плотности и состава атмосферного газа на разных высотах и географических широтах и т.д. [1].
Ионосферу условно разделяют на пять характерных областей. Нижнюю область ионосферы, расположенную на высоте h = 50-80 км, обычно называют слоем D. Область на высоте 80-130 км называют слоем Е, свыше 150 км -слоем F. Слой F часто подразделяют на слой Fj от 150 до 200-250 км и слой F2 - свыше 250 км. Кроме указанных слоев в ионосфере на высоте 90-120 км часто наблюдают резко выраженный слой - спорадический слой Е (Es), имеющий малую протяженность по высоте. Его появление связывают с влиянием ветра нейтрального газа на заряженные частицы плазмы, приводящим к «сгонке» плазмы при наличии стратифицированных по высоте ветровых структур [2, 11].
Солнечная активность характеризуется числом солнечных пятен, которые порождаются вспышками и вызывают повышение уровня излучения и, как следствие, повышение степени ионизации атмосферы Земли. Измерения, проводимые рядом обсерваторий, позволяют найти число солнечных пятен R и, таким образом, судить об их размерах и числе. Величина R изменяется от О до 200 с квазипериодом примерно 11 лет. Такой период называется циклом солнечной активности. Точнее говоря, средняя продолжительность цикла солнечной активности составляет 10,7 года, но существуют также короткопе-риодические (7,3 года) и длиннопериодические (17,1 года) циклы [2, 13].
Определяющее влияние на характеристики ионосферных линий связи (радиолиний) оказывает солнечное излучение, состоящее из электромагнитной и корпускулярной составляющих. Каждая из частей солнечного излучения воздействует на различные области атмосферы Земли и приводит к их ионизации [2, 50, 54, 85].Солнце излучает электромагнитные колебания в широком диапазоне длин волн в интервале от 1000 нм (инфракрасная область) до 10 нм (рентгеновская область). Большая часть энергии заключена в интервале длин волн от 200 до 1200 нм, где средняя спектральная плотность энергии излучения порядка 1,2 Вт/(м .нм), а полный поток равен 1,2.10 Вт/(м ). Хотя большая часть энергии видимой части спектра исходит от источников, которые распределены равномерно по солнечному диску, некоторые спектральные линии - такие, как На и линии кальция, - излучаются в основном небольшими, неравномерно распределенными областями. Коротковолновое, особенно рентгеновское, излучение происходит из подобных небольших участков, обычно расположенных вблизи областей, излучающих линии водорода и кальция в видимом диапазоне. Источниками рентгеновского излучения часто являются области, расположенные за краем видимого диска. Поэтому во время полного оптического затмения Солнца отсутствует прямая связь между интенсивностью видимого света и общим количеством электронов в ионосфере. Линия водорода La с длиной волны 121,6 нм, находящаяся в ультрафиолетовой области, гораздо интенсивнее, чем излучение в прилегающей к ней части спектра. Действительно, энергия этого излучения примерно равна полной энергии, излучаемой в остальной части спектра с длинами волн короче 100 нм, и оно вносит существенный вклад в ионизацию нижней части ионосферы. Подобно некоторым линиям в видимой области спектра, излучение La исходит из участков, неравномерно распределенных по солнечному диску [13].
В течение цикла солнечной активности поток энергии в ультрафиолетовой области спектра приблизительно пропорционален (1 + 0,01.К); таким
образом, он возрастает примерно в два раза при увеличении R от 0 до 100. В области спектра с длинами волн короче 10 нм (рентгеновское излучение) в продолжение цикла солнечной активности наблюдаются более значительные изменения, а именно: при изменении R от 0 до 100 поток энергии в интервале длин волн от 5 до 10 нм возрастает примерно в три раза, а в области короче 10 нм - примерно в 30 раз. В противоположность этому интенсивность линии La в течение цикла солнечной активности изменяется лишь на 50%, а в видимой области спектра интенсивность вообще почти не изменяется [13, 14]. Часто случается, что интенсивность коротковолнового излучения быстро изменяется за несколько суток или часов. Большие (или малые) всплески интенсивности могут повторяться приблизительно через 27 суток. Это значение совпадает с периодом вращения Солнца, т.е. можно предполагать, что излучение испускается относительно узкими пучками [13,14].
Солнечная корона, состоящая из полностью ионизованной плазмы, главным образом протонов и электронов, испытывает воздействие как гравитационных сил, так и сил, связанных с градиентами давления и зависящих от температуры. Благодаря тому что уменьшение температуры в радиальном направлении (вдоль радиуса г) происходит медленнее чем 1/г, плазма короны имеет направленное наружу ускорение. В результате создается поток протонов и электронов, движущихся со скоростями порядка 105 м/с. Этот как называемый солнечный ветер был обнаружен с помощью искусственных спутников на геоцентрическом расстоянии более 15 земных радиусов [13].
Иногда возмущения на Солнце сопровождаются усилением электромагнитного излучения в отдельных частях спектра либо увеличением скорости и концентрации частиц солнечного ветра до такой степени, что эти частицы ведут себя подобно облаку более плотной плазмы. Может происходить также испускание более энергичных протонов и электронов в таких малых концентрациях, что они ведут себя не как плазма, а как независимые заряженные частицы. Эти три типа возмущений происходят иногда одновременно, а иногда раздельно. Когда фотоны или частицы достигают окрестностей Земли они вызывают т.н. как внезапные ионосферные возмущения (ВИВ), ионосферные и магнитные бури. Излучения, сопровождающие возмущения на Солнце, условно разделяют на следующие виды [13, 14, 76]: Внезапное увеличение интенсивности видимой линии На. Это явление обычно называют солнечной вспышкой. Внезапное усиление интенсивности рентгеновского излучения, называемое рентгеновской вспышкой. Испускание группы протонов и электронов настолько высокой концентрации, что взаимодействие между частицами придает ей свойства плазменного облака. Оно усиливает обычный солнечный ветер и достигает Земли примерно через 36 ч. Это явление принято называть всплеском солнечного корпускулярного излучения. Эмиссия энергичных протонов и электронов столь малых концентрации, что они движутся как независимые заряженные частицы и достигают Земли за несколько часов. Это явление называется протонной вспышкой или солнечными космическими лучами.
Модель распространения KB на наклонных радиолиниях с учетом сферичности ионосферы и волновых возмущений
Цель математического моделирования ионосферы состоит в создании методики интерпретации основных экспериментальных характеристик суточных ходов (СХ) максимально наблюдаемых частот (МНЧ), которые адекватно отражали бы реальную ситуацию в ионосфере в тех или иных геофизических условиях. Кроме этого, нахождение связи между характеристиками СХ МНЧ и уровнем солнечной и геомагнитной активности является важной задачей исследования характеристик СХ МНЧ. В этой связи, нами предложена гипотеза о том, что перемещающиеся ионосферные возмущение (ПИВ), возбуждаются под действием терминатора, зависят от уровня геомагнитной активности и оказывают значительное влияние на вариации СХ МНЧ.
Суточный ход МНЧ путем фильтрации низких частот (ФНЧ) можно разделить на регулярную и остаточную компоненты. Для объяснения остаточной компоненты СХ МНЧ и исследования ее характеристик нами была высказана гипотеза о том, что причина ее проявления связана с процессами, проходящими в ионосфере, и результаты которыми является стратификация (расслоение) электронной концентрации перемещающимися ионосферными возмущениями (ПИВ). Проведенный нами анализ показал, что интерпретация характеристик остаточной компоненты может быть дана лишь на основе вычислительного эксперимента. Это явилось причиной его разработки, для чего потребовалось выбрать модель для профиля электронной концентрации, модель распространения радиоволн, позволяющую с высокой точностью находить математические следствия из уравнения эйконала, в частности частотную зависимость времени группового запаздывания. При выборе модели для профиля электронной концентрации в основу были положены следующие рассуждения.
Функция зависимости электронной концентрации от высоты N(h) определяется, как правило, при интерпретации экспериментальных данных вертикального многочастотного зондирования ионосферы короткими волнами и задается в виде таблицы или графика. Реальные профили электронной концентрации N(h) характеризуются многообразием форм. Однако, функция N(h) для различных профилей обладает следующими общими свойствами: она имеет несколько максимумов, всюду положительна, ее начальное значение равно нулю. Для вычислений желательно иметь дело с функцией, заданной аналитически. При таком способе задания модель N(h) - профиля должна в достаточной степени адекватно отображать основные закономерности ионосферы. Сформулируем основные требования, которым они должны удовлетворять [17, 60, 74].
Поскольку модели будут использоваться для расчета характеристик радиолиний [100], они должны включать функции, которые везде по координатам должны быть непрерывны. Модели должны охватывать высотный интервал в диапазоне 90-500 км, т. е. описывать слои Е, F, а также долину между Е и F - слоями. Удовлетворяя этим требованием, аналитические модели должны быть по возможности не слишком сложными (т.е. описываться такой системой функций, вычисление которой на ЭВМ занимает не слишком большое время), так как модель должна применяться как составная часть в более сложной программе расчета МНЧ.
Можно было бы, например, использовать для задания N(h) интерполяционные многочлены [25]. Однако, это требует выбора большого числа узлов в интерполяционной формуле, что приводит к ошибкам при определении интерполяционных коэффициентов. При дифференцировании интерполяционного многочлена ошибки еще более возрастают. Заметим, что ошибки во входной информации в ряде случаев могут привести к непредсказуемым результатам. Однако, это не главный недостаток интерполяционных формул.
При математическом моделировании возникает необходимость в вариации параметров модели, что подразумевает возможность их оперативного изменения [10, 30]. Но интерполяционные формулы для N(h) не позволяют этого сделать, т.к. даже при незначительном изменении профиля электронной концентрации требуется пересчитывать интерполяционные коэффициенты. Эти чисто технические трудности моделирования можно преодолеть, если реальному профилю N(h), заданному таблично или в виде графика, удастся поставить в соответствие некоторую многопараметрическую функцию электронной концентрации от высоты [32, 45-48]. Причем число параметров должно быть минимальным [60, 65].
В результате проведенного анализа была выбрана и построена модель, удовлетворяющая перечисленным выше требованиям и учитывающая как регулярную, так и нерегулярную составляющие в виде [56]: где Np(h) - регулярная составляющая профиля, NH(h) - нерегулярная составляющая профиля.
Несмотря на неоднократные попытки обобщить данные измерений N(h) - профилей слоя Д выполненных различными методами, в виде некоторых эмпирических моделей, в модельных значениях N(h) для этих высот в настоящее время имеются значительные неопределенности. По-видимому, это связано, во-первых, с изменчивостью состояния слоя D и, во-вторых, с разными точностями различных методов измерений N(h). В силу указанных причин, а также из-за недостаточного количества исходных данных, имеющихся в настоящее время, эмпирические модели N(h) для этих высот сдержат большие неопределенности, чем для более высоких уровней в ионосфере (слоя Е и F). В настоящее время нет моделей, которые адекватно описывали бы суточные, широтные, высотные, циклические и т.п. вариации N(h) на высотах слоя D [15]. Кроме того, D слой оказывает влияние на поглощение радиоволн, т.е. на наименьшую наблюдаемую частоту (ННЧ). Поэтому в результате анализа были выбраны две модели для регулярной составляющей профиля: профиль в виде суммы чепменовских слоев, соответствующих областям Е и F ионосферы и профиль в виде суммы параболических слоев, соответствующих областям Е и F ионосферы, с постоянной долиной между этими областями, концентрация электронов в которой равна концентрации в максимуме Е области.
Солнечное излучение, поглощаясь атмосферой, нагревает ее, производит диссоциацию молекул и создает свободные электроны. Скорость, с которой происходит диссоциация или ионизация на любой высоте пропорциональна произведению концентрации газа на интенсивность излучения. Каждый газ распределен с высотой приблизительно экспоненциально, и его сечение поглощения для широкого интервала длин волн можно считать не зависящим от длины волны. Исходя из этого, полезно определить вид функции новообразования для случая, когда ионизующее излучение падает (возможно, наклонно) на горизонтально стратифицированный газ, распределенный по вертикали с постоянной высотой однородной атмосферы и обладающий не зависящим от длины волны сечением поглощения. Профиль такого типа был исследован в классической работе Чепмена и известен как чепменовский слой [13].
Теоретическое обоснование методики разделения суточных вариаций МНЧ на регулярную и остаточную компоненты
Отсюда можно сказать, что солнечная активности оказывают влияние на вариацию суточных ходов МНЧ, в особенности на вариацию остаточной компоненты СХ МНЧ. Набор формул (2.30) - (2.43) позволяет определить вариации остаточной компоненты (вариации суточных ходов МНЧ) при известном уровне солнечной активности.
Результаты исследования позволяют сделать вывод, что солнечная активность оказывает влияние на характеристики вариаций остаточной компоненты СХ МНЧ. В течение суток под влиянием Солнца на состояние ионосферы в средней точке радиолинии вариация остаточной компоненты СХ МНЧ высокая в период около полудня, восхода и захода Солнца. Такая вариация низкая в ночное время и до восхода Солнца. Вариация остаточной компоненты СХ МНЧ увеличивается при росте уровня солнечной активности. Таким образом, можно предположить наличие связи между вариацией остаточной компоненты СХ МНЧ и уровнем солнечной активности в течение суток и в разное время сезонов и года.
В этой работе параметры ионосферы заданы моделью ПИ. Уровень геомагнитной активности определен глобальными Кр, Ар, и Dst индексами (получены от SPIDR-NGDC). Эксперименты проводились с 1994г. до 1995г., в различных сезонах с различным уровнем солнечной и геомагнитной активности. Для исследования связи между вариациями МНЧ и характеристиками средне и коротко периодических возмущений суточные ходы МНЧ на сети радиолиний, представленных в табл. 3.3, были построены путем моделирования ионосферы. Здесь использована модель профиля электронной концентрации в виде суммы чепменовских слоев, соответствующих областям Е и F ионосферы. В разделе 2.3 показано, что остаточная компонента СХ МНЧ имеет характеристики вариаций МНЧ в суточных ходах. Поэтому главная цель этой работы состоит в том, чтобы найти связь между параметрами ПИВ и вариацией остаточной компоненты СХ МНЧ. Известно, что вариацию любого процесса можно исследовать через стандартное отклонение (о) [7]. Поэтому с целью исследования связи между вариациями МНЧ и характеристиками средне и коротко периодических возмущений далее анализируется стандартное отклонение остаточной компоненты СХ МНЧ ( т{и(7)}) под влиянием ПИВ на разных радиолиниях в разное время суток и года.
Главными параметрами ПИВ для модели, представленной уравнением (2.8), являются: вариация электронной концентрации или амплитуда ПИВ {SN = &NIN), высота стратификации (hc), диапазон стратификации (zm), и вертикальный масштаб (/). Результаты анализа показывают, что существует связь между амплитудой ПИВ (SN) и вариацией остаточной компоненты СХ МНЧ. Это объясняется тем, что амплитуда ПИВ оказывает влияние на вариацию остаточной компоненты СХ МНЧ больше, чем остальные параметры модели, представленной в (2.8). В рамках этой работы была использована модель ПИВ, представленная в (2.8), и амплитуда которой меняется в диапазоне от 0,01 до 0,50 в соответствии с амплитудами ПИВ, представленными в разделе 2.1.
Результаты исследования на всех радиолиниях в разное время показывают, что вариация остаточной компоненты СХ МНЧ линейно зависит от амплитуды ПИВ, т.е. вариация остаточной компоненты СХ МНЧ увеличивается при росте амплитуды ПИВ. Кроме этого, вариация остаточной компоненты СХ МНЧ под влиянием ПИВ днем (7:00-19:00 LT) больше чем ночью (19:00-07:00 LT). Это объясняется тем, что электронная плотность в ионосфере и в F-слое высокая в дневное время и низкая в ночное время, поэтому ПИВ оказывает большое влияние на изменение электронной плотности в дневное время. На рис. 2.17 показаны связи между амплитудой ПИВ и вариацией остаточной компоненты СХ МНЧ в разное время и разными сезонами в период 1994-2005г. для радиолинии Кипр - Йошкар-Ола (2600км). Такая связь также была обнаружена на радиолинии Иркутск - Йошкар-Ола (3500км) и на других радиолиниях в период с 1994г. до 2005г.. Зависимость вариации остаточ-ной компоненты СХ МНЧ от влияния ПИВ на радиолинии Иркутск - Йошкар-Ола представлена т. рис. 2.18. Такая зависимость также была обнаружена на всех радиолиниях.
Результаты исследования позволяют установить экспериментальные функциональные зависимости между вариацией остаточной компоненты СХ МНЧ и амплитудой ПИВ в течение суток. Такие экспериментальные функциональные зависимости показаны нарис. 2.19 ирис. 2.20 для радиолинии Кипр - Йошкар-Ола и Иркутск - Йошкар-Ола, соответственно (для других радиолиний см. приложение).
Экспериментальные результаты разделения экспериментального ряда МНЧ на регулярную и остаточную компоненты
На ионограмме отображаются сигналы, распространяющиеся от передатчика к приемнику за счет различных механизмов (в основном за счет скачков). Диапазон прохождения сигнала (полоса пропускания линии связи) является важным параметром радиолинии, и он определяется наименьшей наблюдаемой и максимальной наблюдаемой частотами (ННЧ и МНЧ). Таким образом, ионосферная радиолиния играет роль полосового фильтра, пропуская на выход частоты от ННЧ до МНЧ. Благодаря автоматическому определению крайних частот диапазона прохождения сигнала мы можем исследовать различные процессы, проходящие в ионосфере. Верхняя частота этого диапазона чувствительна к геомагнитным и волновым возмущениям, протекающим в ионосфере. Нижняя, реагирует на изменения потерь при распространении и чувствительна к внезапным ионосферным возмущениям. Поскольку диссертация посвящена исследованию волновых процессов в ионосфере, то основное внимание было уделено нами вопросам автоматического измерения МНЧ.
Отметим, что для определения оптимальных рабочих частот радиосистем можно рассматривать только частоты из диапазона от ННЧ до МНЧ. Зондирование позволяет определить также не только отдельный оптимальный радиоканал, а и диапазон оптимальных рабочих частот (ДОРЧ), т.е. диапазон частот, для которого средняя вероятность ошибки меньше некоторого допустимого для данного вида связи уровня. Диапазон межмодовых задержек, равный максимальной разности задержек между следами принимаемых мод на заданной рабочей частоте, определяет память канала и максимальную скорость передачи информации в нем.
На ионограмме отображаются все принимаемые за время зондирования сигналы: смесь сигнала с шумом, флуктуационные помехи и антропогенные, в основном сосредоточенные (станционные) помехи. При ручной обработке ионограмм глаз оператора при определенных навыках различает полезные зондирующие сигналы на фоне помех, и путем скалывания оператор может определить необходимые характеристики для систем связи. Однако такой подход требует квалифицированных операторов и продолжительного времени для обработки данных зондирования. Эти же проблемы возникают и при проведении геофизических исследований радиофизическим методом наклонного зондирования ионосферы. В диссертации для решения поставленных задач была разработана методика автоматического определения МНЧ. Процедура определения ННЧ и МНЧ в автоматическом режиме проводится после операций обнаружения и удаления шумовых спектров или после завершения полной процедуры выделения полезного сигнала на фоне помех. Эти процедуры называются очисткой ионограммы от помех. Далее предусмотрено выделение сигналов в каждом частотном канале с целью повышения достоверности определения МНЧ. Для этого методика содержит два условия: 1. Граница диапазона прохождения сигнала должна содержать не менее трех смежных каналов, содержащих полезный сигнал, 2. Считается, что спектр (канал) содержит сигнал, если в нем есть не менее трех смежных ненулевых точек (спектральных элементов). Суть методики состоит в последовательной проверке всех спектров ионограммы на выполнение условий 1 и 2 и фиксировании частоты, где условие 1 выполняется в последний раз (МНЧ). На очищенной ионограмме находится последний по частоте спектр, содержащий полезный сигнал. Эта частота принимается за МНЧ радиолинии для момента измерения. Измеряемые МНЧ записываются в банк данных для анализа суточного хода (СХ) МНЧ. Таким образом, разработанная методика позволяет измерить МНЧ радиолинии в масштабе времени проводимого эксперимента (в реальном времени). Для апробации методики измерения МНЧ использовались данные эксперимента, проведенного с 3.09.2001г. по 14.09.2001г. на трех радиолиниях: 1. Инскип (Англия) - Йошкар-Ола (3100 км), 2. Шпицберген - Йошкар-Ола (2800), 3. Кипр - Йошкар-Ола (2600 км). Оценка ошибок автоматического измерения МНЧ производилась путем сравнения результатов автоматической обработки с результатами метода экспертных оценок, результаты которого принимались за эталон. На рис. 3.9 показаны гистограммы распределения отклонений при автоматическом определении МНЧ (вычисляется как МНЧавт -МНЧэксп).
