Введение к работе
Актуальность темы. В широком круге задач распространения волн в околоземном пространстве реализуется ситуация, когда имеется фоновая плавно-неоднородная среда, содержащая кроме того локальные неоднородности различных пространственных масштабов. Если минимальная пространственный масштаб всех неоднородностей среды превосходит размер главной зоны Френеля ка трассе распространения, задача может быть полностью описана в рамках приближения геометрической оптики или его модификаций в виде интегральных представлений по парциальным волнам геометрооптического типа (интерференционные интегралы). Их альтернативами является интегральные представления полей, возникаицие в методе канонического оператора Иаслова. известны также разложения полей в плавно-неоднороднных средах по гауссовым пучкам. В методах интерференционного интеграла и канонического оператора парциальные волны интегральных представлений строятся, исходя из уравнений геометрической оптики, причем во втором случае уравнения геометрической оптики записываются в смешанном координатно-импульсном пространстве. Гауссовы пучки строятся как из соответствующих параболических уравнений, так и в виде комплексных реаений уравнения эйконала.
Результаты всех методов, исходящих из уравнений геометрической оптики, относятся к случаю неоднородностей, минимальный пространственный масштаб которых превосходит размер главной зоны Френеля на трассе распространения. Такие неоднородности мы будем называть далее очень крупномасштабными.
Вместе с тем условия распространения, например, радиоволн коротковолнового СКВ) диапазона частот в ионосфере таковы, что среди локальных неоднородностей ионосферы имеется значительная доля неоднородностей с пространственными иасатабами иеньвими размера главной зоны Френеля на трассе распространения. В настоящее время mosho считать установленным, что ионосферные флуктуации носят турбулентный характер и промежуточная область пространственных волновых чисел в спектре ионосферной турбулентности (инерционный интервал) имеет степенной вид. Внутренний касета!? турбулентности, как правило, меньше размеров главной зоны Френеля на типичной односкачковой трассе распространения поля KB диапазона. В этом случае
при распространении оказываются существенными дифракционные эдекты. Для их описания необходимы волновые методы теории распространения волновых полей в плавно-неоднородных средах с локальными неодкородностями.
Целыа диссертации является развитие волнового метода описания распространения волн в плавно-неоднородных средах с локальними неоднородности^ и исследовадав с его помоиып роли дифракционных эффектов в ряде конкретных задач распространения волк в околоземном пространстве.
В работе дифракция на локальных неоднородностях описывается с помощью метода комплексной фазы, представляищего собой обобщение классического метода СИ.Рытова (метода плавных возмущеімй - НШ на случай существенно неоднородной фоноеои среды и сосредоточенного излучателя поля. Под суцестванно неоднородной фоновой средой понимается среда, обусловливающая существенные рефракционные явления. Так, если речь идет о распространении радиоволн KB диапазона в ионосфере, то хорово известно, что, благодаря рефракционным явлениям, у»е в невозмущекной регулярной ионосфере формируется достаточно слолная картина поля, вкяочавдая в себя области регулярных геометрооптических полей (где поля могут описываться с помощью лучевых разложений) и области нарушения регулярности лучевых полей -области фокусировок различных порядков. Конкретная геометрия поля лучей задается распределением неоднородности среды и типом источника падающего поля,
Очевидно, что присутствие в плавно-неоднородной среде локальных неоднородностей дополнительна усложняет картину поля. Возмущается регулярное лучевое поле и поле в областях фокусировок, пороиденшх фоновой плавно-неоднородной средой, а также возникай новые эффекты, в том числе многолучевость и фокусировки, обусловленные присутствием локальных неоднородностей. Влияние неоднородностей на структуру поля фоновой среды описывается в работе.
Научная новизна работы состоит в развитии метода, позволяющего одновременно описывать дифракционные явления на локальных неоднородностях и регулярну»! рефракции поля за счет существенно неоднородной фоновой среды. С его помощью описана роль дифракционных эффектов, пропорциональных конечному значению волнового параметра неоднородностей, в задачах ионосферного распространения коротких радиоволн, волноводного распространения высших мод в нерегулярных волноводных структурах, при распространении земной волны над поверхностью с хаотически распределенным приведенным поверхностным импедансом.
Хороиго известно, что классический метод комплексной фазы, развитый для плоской волны, распространяющейся в однородной фонозой среде, применим лишь для значений дисперсии флуктуации уровня поля много менымх единицы. Вместе с тем, как отмечается в известных монографиях В.И,Татарского; С.М.Рытова, Ю.й,Кравцова и В.И,Татарского, расчеты в рамках НТВ хорооо согласуются с экспериментом вплоть до значений дисперсій уровня порядка единицы. В работе показано, что в случае неоднородной фоновой среды метод комплексной фззы позволяет описывать амплитудные изменения поля вплоть до значений дисперсии уровня порядка единицы, т.е. развитый метод дает возможность описывать в том числе заметные изменения амплитуды поля, обусловленные дифракцией на локальных неоднородностях.
С помощью метода комплексной фазы в работе построены возмущенные локальными неоднородностями лучевые поля, а также интегральнее представление поля сосредоточенного источника по парциальным волнам, учитывавшим дифракционные эффекты. С помоев этого аппарата исследовано влияние локальных неоднородностей ионосферы как детерминированного, так и случайного характера, (в том числе влияние дифракционных эффектов) на регулярное лучевое поле и поле в областях фокусировок,
В задачах с дегерминированими неоднородностями описано образование комплексных лучей и комплексных каустик (размытие каустик) при конечных значениях волнового параметра локальных неоднородностей.
8 задачах с флуктуациями электронной концентрации ионосферы исследовано перераспределение в пространстве средней энергии поля по сравнения с энергией поля в фоновой ионосфере и смещение каустики средней энергии по отновенив к невозмущенной каустике и учтен вклад дифракционных эффектов в характерный масштаб, убывания энергии при переходе из освзщенной области в область тени. Описана также дополнительная роль дифракции на случайных неоднородностях в искажении формы импульсных сигналов при распространении в KB радиоканале.
В волноводных задачах известный метод асимптотического
интегрирования волноводных систем уравнений, развитый для двумерных
нерегулярных волноводов обобщен на трехмерный случай для волноводных
систем с двумя продольными и одной поперечной переменной,
нерегулярных по обеим ггродольным переменным. Построены
квазинормальные волны высших типов таких систем, имеющие структуру вида горизонтальные волны-вертикальние моды с учетом взаимодействия вертикальных мод волноводов сравнения. Описана дифракция квазимод на локальных неоднородностях при конечных значениях волнового параметра волноводной неоднородности с учетом взаимодействия вертикальных
иод.
С покоцьв соответствующих интегральных представлений, построенных в работе, опис-шо отражение квазимодо от критического сечения в трехмерном нерегулярной волноводе, в том числе и при налички дополнительных локальних воэмуцшй с конечным значением волнового параметра.
Исследованы статитсические характеристики квазимод в волноводе с флцктуирущий высотой стенки.
Б задаче о распространении земной волни исследован вопрос о возможности введения эффективного импеданса трасси по среднему полю над трассой. Показано, что лішь для пространственной волны в некоторых случаях мояет быть введен настоящий эффективный импеданс, величина которого на зависит от протяженности трассы.
В работе получен также новый результат в теории распространения волн в одномерной среде с флуктуацияда электрических свойств. Здесь найдена Функция распределения модуля коэффициента отражения поля от полупространства с флуктуациями проводимости. Она имеет степенной характер в отличие от функции распределения экспоненциального вида типичной для случая отрагенкя поля от полупространства с флуктуациями вещественной части диэлектрической проницаемости.
Достоверность результатов работы обеспечена обоснованностью использованных приближений при малых значениях отбрасываемых членов. В предельных случаях очень кругашасвтабкых неоднородностей (нулевого значения волнового параметра) из полученных в работе формул следуют известные результаты приблдаенкя геометрической оптики. В тех случаях, когда имелась возможность сравнения с экспериментом, результаты проведенных в работе расчетов хорово согласуется с экспериментальными данными.
Научная и практическая ценность. На основе развитого в работе метода комплексной фазы в работе дано весьма общее описание полей сосредоточенного источника в плавно-неоднородной среде с локальными неоднородностями, учитываяцее в том числе дифракционные эффекты на локальных неоднородностях в случае конечного значения волнового параметра, которое имеет общенаучное значение. С его помощью исследованы новые эффекты в ряде задач распространения волн в околоземном пространстве, наблюдаемые экспериментально и требущие теоретической интерпретации.
В задачах ионосферного распространения KB радиоволн описаны эффекты при дифракции поля на детерминированной локальной неоднородности (многолучевость, дополнительные фокусировки, комплексные лучи, комплексные каустики) важные при интерпретации
воздействия модифицированной области ионосферы типа выброса пяазмо-возмдащих вецеств на KB радиоканал. Исследовано влияние волновых возмущений ионосферы на KB поле и, в частности, влияние на поле в окрестности границы "мертвой" зоны. Эти результаты позволяют интерпретировать данные экспериментальных наблюдений поля в окрестности границы мертвой зоны с помоцыо остронаправленных антенных устройств.
В задачах распространения коротких полн в ионосфере с флуктуациями электронной плотности эффект перераспределения средней энергии поля вален с точки зрения оценки уровня сигнала в канале. Проведенный учет влияния дифракционных эффектов на поле в окрестности каустики уточняет пространственный масштаб масштаб убивания поля при переходе из области света в область тени и важен при интерпретации даншга наблюдений поля в окрестности мертвой зоны. Наконец, результаты работы, относящиеся к распространенна импульсных сигналов, описыващие дополнительные искажения формы импульсов за счет дифракции на флуктуациях электронной плотности, важны с точки зрения передачи информации в ионосферном KB радиоканале.
Результаты исследования свойств высших мод в трехмерных нерегулярных волноводных структурах относятся к общей теории волноводного распространения и могут быть использованы в задачах распространения волн в волноводе Земля - ионосфера и акустических волдноводах.
Понятие эффективного импеданса и результаты исследования распространения земной волны могут быть использованы для совершенствования систем связи, используощих земнув волну.
Построенная в работе функция распределения модуля коэффициента отражения поля от полупространства с флуктуациями проводимости позволяет описывать особенности отражения от . ионосферы полей СДВ диапазона, обусловленные Флуктуациями свойств ионосферы в этом диапазоне частот.
Результаты работы использовались пт.и выполнении ряда хоздоговорных и бюджетных работ в отделе радиофизики НИИ физики СПбГУ, Они входят также а курсы лекций по, основам статистической теории распространения волн и по теории распространения KB радиоволн в ионосфере, читаемые автором на физическом факультете СП6Г9, а также в прочитанный им в Введскок институте космической физики, г; Уппсала, Швеция курс /21/.
Апробация работы. Основное содержание диссертации изложено в 25 публикациях, список которых приведен в заключительной части автореферата. Во всех совместных работах автору принадлежит теоретическая постановка задач и все аналитические результаты.
- 8-Вояедтие в диссертационную работу материалы представлялись на: X1Y Всесоявдой конференции по распространении радиоволн, Ленинград, 1984.
XYI Всесоюзной конференции по распространении радиоволн, Харьков, 1990.
XXIII Генеральной Ассамблее УРСИ (Международного радиосоюза), Прага, Чехословакия, 1990.
Международном геофизическом симпозиуме, Хельсинки, Финляндия, 1991. Международном симпозиуме по антеннам и распространении волн, Саппоро, Япония, 1932.
XXIY Генеральной Ассамблее 9РСИ (Международного радиосокза), Киото, Япония, 1993.
Материалы диссертационной работы докладывались тагае на: Московском городском семинаре С.М.Ритова по статистической радиофизике.
Московском городском сименаре Я.Н.Фельда по дифракции волн. Дне дифракции в ЛОШ им. В.А.Стеклова, Семинарах кафедр радиофизики и математической физики Санкт-Петербургского университета. Семинаре Института космической физики, Уппсала, Швеция. Семинаре института теоретической электротехники Королевской высвей технической школы, Стокгольм, Швеция.
Часть результатов, представленных в диссертации, получека в рамках исследований, проводившихся в 1992-93 г.г, по гранту 2-81-2-16 Государственного Комитета Российской Федерации по Высшему Образовании.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из Введения, пяти глав, Прилохения, Заключения и списка литературы из 147 наименований. Общий объем работы - 2.20 страниц, включая 31 рисунок и список литературы.
