Введение к работе
Расширение круга задач, решаемых с помощью радиосистем различного назначения, требует развития более детального знания особенностей процесса распространения декаметровых радиоволн. Существенное значение при этом имеет решение задачи распространения радиоволн в постепенно усложняющихся моделях среды.
В сложных моделях среды удается получить лишь приближенное решение. Поэтому актуальным является развитие решения задачи распространения с позиций различных математических подходоь. Это взаимообогащает различные методы решения задачи и формирует более детальное знание о процессе распространения радиоволн. Актуальной также является задача раяработки новых методов расчета параметров поля радиосигнала, позволяющих учитьшать сложный характер изменения электрических свойств ионосферы л обладающих высокой оперативностью с тем, чтобы выполнять расчеты в больших пространственных областях и интервалах рабочих частот.
Именно с целью получения более д&тального знания о распределении поля радиосигнала и повышения оперативности вычислений в последние годы разработан ряд новых методов решения задачи распространения. Развитие численного решения задачи на основе приближенного метода параболического уравнения /?/ позволило выработать методики расчета коротковолнового поля с учетом дифракционных эффектов вблизи каустик, в нелинейных средах и в средах с крупномасштабными случайными неоднородностями. Численный канонический метод, основанный на применение оператора Маслова, позволил проводить расчеты поля в сложных каустиках и учитывать праістически все дифракционные эффекты /3/. Метод адиабатического инварианта /2/ и его обоснование на основе асимптотического интегрирования лучевых уравнений /1/ позволили существенно повысить оперативность анализа поля сигнала на длинных радиотрассах. метод интерференционного интеграла позволил проводить анализ распределения поля в среде с крупномасштабными случайными неоднородностями /11/. Значительное развитие полнил /4/ ме-
- 4 -год нормальных волн (МНВ). Тем яе менее, задача создания универсальных оперативных методик расчета поля декамзтровых сигналов до сих пор остается актуальной.
Среди названных подходов к решению задачи распространения выделяется МНВ. Он основан на строгой математической схеме решгния полной электродинамической задачи; реализует представление поля в виде набора собственных мед волновода, в отличие от большинства существующих методов, использующих лучевые представления; удобен при организации вычислений и особенно аффективен при расчете поля в больших областях пространства. Последнее обнаружилось лишь в недавних исследованиях. А в начале развития волноводного подхода в дека-метровом диапазоне МНВ долгое время считался неперспективным в связи с необходимостью суммирования большого числа (-10 ) нормальных еолн (НВ), скрывающих истинную структуру поля сигнала. Именно поэтому последовательная разработка применения МНВ в КВ-диапазоне, начатая авторами /5/, первоначально развивалась в рамках некогерентного суммирования. Эти первые исследования позволили объяснить некоторые закономерности сверхдальнего распространения, показали перспективность дан-ч -ного подхода. Однако для дальнейшего развития требовалось решение проблемы когерентного суммирования ряда ИВ.
Численное суммирование ряда НВ /6/, асимптотическое суммирование с помощью преобразования ряда НВ к ряду скачков /В/, аналитическое прямое суммирование ряда НВ /10/ в одно-канальных моделях регулярного и аэимутально-симметричного волноводов показали возможность эффективного когерентного суммирования ряда НВ. Развитие когерентного суммирования ряда НВ привело к созданию эффективных методик анализа и расчета крупномасштабной структуры поля декаметрового сигнала /6,8,10/, которые показали универсальность и эффективность данного подхода при расчете поля в больших областях пространства. На пути к широкому применению МНВ в КВ-диапазоне, тем не менее; стоит проблема корректного учета нерегулярности й многоканайьности реального волновода.
Целью диссертационной работы является:
1) обобщение ЫНВ на трехмерно-неоднородный изотропный ионосферный волновод и последовательное получение- приближен-
-' 5 -ных решений с учетом многоканальнооти и нерегулярности реального волновода;
-
развитие асимптотического метода суммирования ряда IB посредством преобразования последнего по формуле Пуассона дли получения оперативных методик расчета пространственно-частотных распределений параметров КВ-сигнала и установления связи МНЗ с лучевым подходом;
-
разработка и реализация на ЭВМ оперативных алгоритмов расчета пространственных и частотных распределений физических параметров модозого состава КБ-сигнала.
Научная новизна состоит в следующем:
-
впервые построено решение задачи распространения в виде разложений по НВ трехмерно-неоднородного изотропного волновода, непосредственно для компонент электромагнитного поля; схема построения решения задачи распространения допускает обобщение на случай анизотропной неоднородной среды и составляет осьову для дальнейшего исследования процесса распространения радиоволн б сложных средах с позиции волно-всдного подхода /9/;
-
исследованы свойства спектра KB в многоканальном волноводе, рассмотрены основные закономерности возбуждения поля е слабосвязанных каналах, а также влияние слабого над-барьерного отражения на свойства поля сигнала;
-
разработана оперативная методика анализа и расчета пространственных распределений углов выхода и прихода, задержек и амплитуд (с учетом дифракционных э( )ектов) отдельных модов КВ-сигнала, Формирующих полный сигнал; в рамках адиабатического приближения установлена связь между элементами волноводного и геометрооптического способов описания поля радиосигнала.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный метод анализа, алгоритмы и программы расчета пространственных и частотных распределений физических параметров модового состава KB-сигнала открывают новые воэмоянсти для сравнения различных моделей ионосферы, для прогноза качества радиосвязи, для автоматизации функционирования радиосистем различного пазначения.
Внедрение результатов. Результаты исследований, пред-
- б -
ставленных в диссертационной работе, использованы и НКР "Триангуляция-КАЗН", "Табулятор-ШСС", "Тайфун-СО", выполненных в Ленинградском НПО "Вектор' и "Софит-ООН", выполненной в Воронелюком ЦКБ ПО "Полое". На защиту выносятся:
-
Схема разложения поля сигьала в ряд НВ в модели трехмерно-неоднородного изотропного волновода Земля-ионосфера и решение задачи распространения на этой основе.
-
Результаты исследования свойств НВ и поля сигнала и многоканальном волноводе.
-
Метод расчета пространственных и частотных распределений модового состава KB-сигнала в трехмерно-неоднородном изотропном волноводе.
Апробация работы. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались: на расширенном семинаре по проблеме распространения радиоволн в условиях неоднородной среды высоких и средних широт (Звенигород, 1982 г. , 1986 г.); на отраслевой научно-технической конференции "Состояние, перспективы и результаты использования научно-технических достижений фундаментальных исследований институтов АН СССР и Минвуза СССР в разработках АШИ" (Мзсква, 1984 г.); на региональной научно-технической конференции НТО им. А. С. Попова, секции "Ионосфера и распространение радиоволн" (Новосибирск, 1985 г.); на конкурсе програшних разработок СибИЗМИР (Иркутск, 1985); на конференции молодых ученых СибИЗМИР (Иркутск, 1986); на конкурсе работ по фундаментальным исследованиям СибИЗМИР (Иркутск, 198? г.); на семинарах отдела распространения оадиоволн СибИЗМИР и секции НТС НПО "Вектор".
Лячное участие. Автор внес основной вклад в разработку специального варианта метода поперечных сечений и в решение задачи распространения КВ-сигнала в модели трехмерно-неоднородного изотропного волновода Земля-ионосфера на этой основе. Автору принадлежит теоретический анализ свойств НВ многоканального волноводав, а также основных эффектов ptao-нансного возбуждения поля в слабо связанных каналах и над-барьерного отражения поля сигнала в модели трехканалыюго регулярного волновода. Автор являемся одним из основных раз-
- 7 -работников алгоритма и вычислительных, программ расчета, пространственного распределения физических параметров КЬ-сигнала на основе асимптотического суммирования ряда НВ.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах. Материалы диссертации использованы в научно- иссхедовательских отчетах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения, содержит 232 страницы, 29 рисунков, 2 таблицы, список литературы иэ 128 наименований отечественных и зарубежных авторов.
