Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования процессов распространения и рассеяния волн в неоднородных средах стимулируются все увеличивающимся количеством прикладных практических задач, возникающих в радиофизике, оптике, исследованиях плазмы и многих других областях не только физики, но и ряда других естественно научных и технических дисциплин.
Круг вопросов, рассматриваемых в настоящей диссертации, ориентирован в соответствии с научными интересами автора в первую очередь на развитие теории распространения коротких радиоволн в ионосферной плазме. По своим важнейшим характеристикам и свойствам ионосфера относится к числу наиболее сложных случайно-неоднородных сред с точки зрения их описания и анализа. Поэтому многие мтоды п подходы, разрабатываемые применительно к решении ионосферных задач, в дальнейшем становятся составными олементами общей теорій распространения волн в неоднородных средах и успешно применяются в самых различных приложениях.
При всем многообразии и многогранности задач, связанных с распространением электромагнитных волн в ионосферной плазме,- моано выделить два основных аспекта исследований: радиофизический и геофизический.
При радиофизическом подходе радиоволны используются как средство передачи информации, а ионосфера рассматривается как среда распространения. Нерегулярность ее свойств приводит к объективно кеизбеяігим искажениям а потерям передаваемой информации, которые необходимо учитывать при разработке и создании систем навигации и локации, систем практической ионосферной связи и т.д. Существенное влияние на распространяющееся излучение оказывают локальные возмущения, которые могут иметь как естественное (следствие землетрясений, извержения вулканов, солнечная активность), тзк и искусственное происхождение (взрывы, выбросы, старты космических
аппаратов). Поэтому разработка вопросов учета и коррекции ионосферных исканоний радиосигналов чрезвычайно актуальна и вакна для улучшения работы систем связи и навигации, повышения точности геодезических измерений при помощи ИСЗ, повышения эффективности локационных систем (разделение целей, устранение ложных срабатываний и т. д.).
В последние годы все более пристальное внимание уделяется геофизическому направлению исследований. Главным образом вто связано с вкологическими проблемами, требующими разработки и создания систем мониторинга околоземного пространства (ОКП). Предполагается, что создание подобных глобальных систем позволит решать такие задачи как:
контроль влиянчя на состояние верхней атмосферы и ионосферы антропогенных факторов (выбросы химических реагентов, радиоактивное загрязнение ОКП, взрывы, старты ракет и т.д.);
прогноз и контроль текущего состояния Солнца, его влияния на ОКП, радиационной безопасности;
поиск и регистрация предвестников природных катастроф (землетрясений, цунами, извержений вулканов) и их последствий;
- проведение фундаментальных исследований, включая изучение
солнечно-земных связей, физики плазмы, динамики системы магнито
сфера-ионосфера, физики процессов возмущений в околоземной плазме
и их взаимодействие с возмущениями других оболочек Земли.
Основную роль в исследованиях ионосферы играют методы дистанционного зондирования, позволяющие получать информацию в реальном времени. Особое место среди этих методов занимают методы радиозондирования, имеющие достаточно развитую техническую базу и хорошо разработанную методику измерений. С помощью радиозондирования получена основная доля информации о строении ионосферы. Развитие спутниховых систем радиозондирования открыло новые возможности и перспективы исследования ионосферной плазмы и происходящих в ней процессов. С етой точки зрения не вызывает никаких сомнений акту-
альность развития новых методов описания рассеяния волн в неоднородной среде типа ионосфера, позволяющих получать по рассеянному излучению более полную и более достоверную информация о характеристиках зондируемой среды.
Целью диссертации являлось:
-
Разработка новых теоретических методов рекекия задач распространения излучения в регулярно-неоднородных и случайно-неоднородных средах типа ионосферы, т.е. при учете влияния таких факторов как кестационараость среди, ее гиротропия, наличие регулярной рефракции, анизоиеркк рассеивающих неодкородкоотей и их разномас-итабность;
-
Исследование влияния крупномасштабных (по сравнения с длиной волны зондирущего излучения) неодкородкоотей среды на параметры лучевых траекторий и разработка алгоритме:, расчета наиболее вероятных траекторий лучей в изотропной рассеивающей среде прп наличии регулярной рефракции;
-
Изучение вероятностных законов распределения распространяя-щегося в свободном пространстве рассеянного поля з месте приема излучения, знание которых позволяет восстанавливать информации о параметрах неоднородной среда по статистическим характеристикам принятого излучения.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации: I. Сформулировано и обосновано новое научное направление в коетлексной проблеме распространения волі, которое базируется ка новой концепции кодифицированных бегущих волн. Основное содержание нового направления заключается в следующей:
- Разработана концепция модифицировании бегущих волн, которые в отличии от стандартных бегущих волн определяются не локальным, а эффективным показателем преломления среды. Разработаны теория нелокального эффективного показателя преломления неоднородной среды и связанный с ней метод модифицированных бегущих волн, который яв-
ляется новьаі подходом к решению задач распространения волн в неоднородных средах.
- Разработана процедура перехода от краевой задачи распространения волн в неоднородной среде к задаче вволзционного типа с начальными условиями, что устраняет принципиальные затруднения, характерные для краевых статистических задач.
В рамках нового научного направления открывается возможности решения большого класса малоисследованных в литературе задач распространения волн в случайно-неоднородных средах при наличии регулярной рефракции, в частности, описания волнового поля в области отражения от рефрагирущего рассеивающего слоя. С помощью метода ыодифированных. бегущих волн проведено исследование поляризационных аффектов при отражении электромагнитных волн от плоскослоистых периодически-неоднородного и случайно-неоднородного слоев, при етом впервые показана возможность полной поляризации излучения при отражении от таких слоев.
-
Предложен ноеый подход к обоснованию применимости марковского диффузионного приближения для описания статистики пространственно-временных лучей в случайно-неоднородной среде, не требующий необходимости выполнения условии малоуглового приближения. В рамках этого подхода получено 8-мерное уравнение оккера-Планка (УФП) для описания диффузии квазимонохроматических волновых пакетов, включающее в себя использовавшиеся ранее при решении этой задачи УФП как частные случаи. Это обобщение позволило, в частности, впервые исследовать статистику флуктуации группового времени распространения волновых пакетов в холодной изотропной плазме при наличии случайных неоднородностей.
-
Впервые исследован эффект анизотропии рассеяния, т.е. зависимость флуктуационных характеристик волны от азимута радиотрассы, в рефрагирующей среде с анизомерными неоднородностями, а такте зависимость величины этого аффекта от дальности и геомагнитных координат радиотрассы;
-
Разработана новая теория расчета лучевых траекторий з изотропной среде, учитывающая влияние случайных неоднородностей на параметры траекторий. Предсказан эффект возникновения эффективной рефракции в среднем однородной среде с внизомерными кеодкороднос-тями. Для рефрагирующей среды с изомерными нзодкородностями впервые разработаны ая^ритмы вычисления отклонений наиболее вероятных траекторий лучей от невозмущенных траекторий в среде без рассеяния. В рамках этой теории, в частности, дано обоснование различия интерпретации данных наземной сейсморазведки с данными бурения.
-
Впервые исследовано 2п-мерное асимптотическое распределение рассеянного поля за хаотическим экраном. Предлокено объяснение експериментальних данных, показывающих достаточно многочисленные отклонения от нормального закона распределения флуктуации рассеянного излучения в дальней зоне. Сформулированы новые критерии для определения в свободном пространстве за хаотическим екраном области лучеЕых представлений (области бегущих волн) и области нормализации излучения.
Научная обоснованность и достоверность результатов и выводов работы подтверждаются тем, что они получены в рамках математически корректных методов. В процессе проведения исследований осуществлялся контроль за соответствием рассматриваемых моделей и накладываема! ограничений реальным условиям. Во всех предельных случаях результаты работы согласуются с результатами, полученными с помощью других известных приближенных методов. Ряд теоретических результатов подтвержден сравнением с известными експериментальними данными.
Практичбскэя значимость. Разработанные метода и результата проведенного на их основе анализа процессов распространения и рассеяния волн в неоднородной среде дают возможность учета влияния случайных неоднородностей среда на характеристики распространяющихся сигналов. Таким образом,становится возможной последующая
разработка и создание систем коррекции сигналов, искаженных при прохождении через нерегулярную среду типа ионосферы. Такие системы, направленные на повышение надежности передачи информации и точности проводимых измерений, должны неминуемо стать составными элементами современных локационных станций, систем спутниковой навигации и ионосферной радиосвязи, спутниковых геодезических измерений.
С другой стороны результаты, полученные при исследовании рассеяния волн в среде и законов распределения рассеянного излучения в месте его приема, оказываются весьма существенными при решении обратных задач восстановления свойств неоднородной среды и параметров ее локальных неоднородных образований методами дистанционного зондирования. Учет эффекта анизотропии рассеяния в среде с анизо-мерными неоднородностями, зависимости параметров индикатрисы рассеяния от частоты зондирующего излучения, увеличения дальности трассы, изменения ее угла наклона и максимально применимой частоты волны в рефрагируицей среде под влиянием случайных неоднороднос-тей, а также ряда других обоснованных в работе еффектов, позволяет устранить погрешности восстановления информации о структуре неоднородной среды по статистическим характеристикам принятого рассеянного излучения. Например, разработанные алгоритмы расчета наиболее вероятных траекторий дозволяют оценивать систематические ошибки в определении детерминированной компоненты скорости сейсмоволн при использовании существующих методик измерения этой величины.
Личный вклад автора. Диссертация является обобщением работ автора за период с 1976 по 1993 год. Основная часть результатов получена автором лично. В совместных работах с научным консультантом В.Д.Гусевым оба соавтора в равной мере участвовали в постановке задачи, а в последующих исследованиях основной вклад принадлежит автору диссертации. Другие совместные работы выполнялись по инициативе автора и под его руководством.
Апробарія рабо?ц и публикации. Материалы, воиеддаїе в диссертацию, докладывались на VII, VIII, X Всесоюзных симпозиумах по дифракции и распространению волн (Ростов-на-Дону, 1977; Львоз, 1981; Винница, 1990); XV, XVI Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987; Харьков, 1990); Международных конференциях "Дій динамики" (Экшеды, Нидерланды, 1904; Дюссельдорф, ФРГ, 1988, 1989); мекдународноп конференции немецкого физичеокого общества (Мюнстер, ФРГ, 1S84); XXIII Генеральной ассамблее международного радиосоюза -URSI (Прага, 4CJP, 19S0); международном симпозиуме по геофизике и дистанционному зондирования (Эепоо, Финляндия, 1991); международной конференции "Атмосферноэ, объемное и поверхностное рассеяние и распространение" (Флоренция, Италия, 1991); III международном симпозиуме "Модификация ионосферы мощным радиоизлучением" (Суздаль, 1991); мекдународной конференции по средствам коммуїнкации и среде распространения излучения (Херцлкя, Израиль, 1991); международном симпозиуме "Рефракция трансатмосферикх сигналов в геодезіга" (Гаага, Нидерланды, 1992); мег-дународі.ой конференции радиосоюза (Чикаго, США, 1992); международной конференція по распространению волн в случайных средах (Сиоттл, США, 1S92); Всесоюзных семінарах: "Распространение радиоволн в ионосфере" (Калининград, 1989); "Математическое моделирование и применение явлений дифракции" (Москва, 1990); "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (Смоленск, 1992), а так?» обоундалксь на научных семинарах ИЗМИРАН СССР, кЗА АН СССР, ВНКЩ проблем вакуума, КШФТРИ, ряда зарубежных университетов, московских институтов и различных кафедр физического факультета.
По теме диссертации опубликовано более 70 печатних работ, список основных работ приводится в конце автореферата.
Сснсвнке псшгаїш. выносимые на защиту:
1. Новое научное направление в комплексной проблеме распросг-ранения волн, которое базируется на новой концепции модифицирован-
ных бегущих волн. Метод описания процессов распространения и рассеяния волн в неоднородной . среде (метод модифицированных бегущих волн), общие положения которого не имеют априорных ограничений на размеры и "интенсивность" рассеивающих неоднородностей. Теория нелокального ефективного показателя преломления случайно-неоднородной среды, определяющего волновое поле в области существования модифицированных бегущих волн как внутри рассеивающего слоя, включая область отражения, так и вне его.
-
Теория марковского диффузионного приближения, описывающая статистику пространственно-временных лучей в случайно-неоднородной среде при учете регулярной рефракции, анизомерии рассеивающих неоднородностей .с конечным радиусом корреляции, гиротропии среды распространения.
-
Концепция наиболее вероятных инвариантных траекторий лучей в случайно-неоднородной среде. Алгоритмы расчета наиболее вероятных траекторий и характеристик их отклонений под влиянием рассеивающих неоднородностей от невозмущенных тректорий в среде без рассеяния, таких как: смещение точки выхода лучей, положения и высоты области отражения от неоднородного слоя, изменения углов выхода лучей из слоя и максимально применимой частоты излучения.
-
Новые критерии определения области бегущих волн и области нормализации излучения в овободном пространстве, в котором распространяется рассеянное поле после прохождения через неоднородную среду. Эти критерии позволяют: а) существенно расширить область лучевого описания рассеянного поля в свободном пространстве по сравнению со стандартным определением зоны геометрической оптики; б) установить применимость нормального закона распределения фазо-квадратурных компонент рассеянного поля в месте приема излучения.
Структуре и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Она содержит 326 страниц машинописного текста, включая 22 листа с рисунками и таблицами, а также список цитируемой литературы из 270 наименований.
I I
