Введение к работе
Актуальность проблем радиоволновой диагностики неоднородного слоя плазмы подтверждается продолжающейся, несмотря на уменьшение финансирования науки в настоящее время не только в России, публикацией работ, посвящаемых этой проблеме. Актуальной в фундаментальных исследованиях остается разработка методов уменьшения погрешности радиоволновых измерений.
Актуальность проблем диагностики неоднородного слоя плазмы на нынешнем этапе развития ионосферных исследований и KB связи подтверждается также наметившимся, выходом из кризиса, поразившим было эти области науки и практики в 70-х годах. Выход из кризиса обусловлен наступлением эпохи мощных и компактных компьютеров, обеспечивших обработку больших объемов информации по ионосферной обстановке в реальном масштабе времени. Возрождение ионосферных исследований связано также с тем фактом, что плазменная оболочка Земли чувствительна к процессам не только на Солнце, но и в атмосфере, на поверхности и в недрах планеты. KB радиосвязь продолжает играть также важную роль, особенно в качестве важнейшего резервного вида связи. Трудности прогноза и в какой-то части непредсказуемость изменения параметров ионосферы приводят технологию современной KB радиосвязи к необходимости практически непрерывного отслеживания условий распространения на ионосферной радиолинии. Это, в свою очередь, требует более высокой точности и большей оперативности измерения параметров ионосферы.
Наиболее важными измеряемыми параметрам! ионосферы традиционно остаются критическая частота f0F2 и действующая высота п' вблизи максимума электронной плотности слоя F2. Однако окрестность f0F2, являясь самой значимой, оказывается и одним из самых узких мест измерения параметров ионосферной плазмы. Оба важных в данной работе вопроса: выявление структуры и источников погрешности измерения действующей высоты h' (1) и уменьшение погрешностей определения h* и критической частоты f0F2 (2), относятся прежде всего к сложной в диагностике и самой информативной области Nemax.
Основные цели работы:
выявление структуры и источников погрешности радиоволнового принципа измерения неоднородного слоя плазмы;
поиск методов уменьшения погрешностей измерения параметров слоя F2...
Защищаемые научные положения
-
Погрешность принципа радиоволновых измерений параметров неоднородного слоя плазмы включает наряду с известной случайной погрешностью измерения ещё и систематическую погрешность. Наличие систематической погрешности является следствием усреднения значений измеряемого частотно-зависимого параметра слоя, проводимого по ширине полосы частот канала зондирования.
-
Предложенный модифицированный метод импульсного радиозондирования ионосферы позволяет уменьшить погрешность измерения действующей высоты. Метод осуществляется путем адаптации ширины полосы частот канала зондирования 5f* (і) к величине dh'(f)/c-df, пропорциональной локальной крутизне определяемой ионограммы, а также - к отношению мощностей сигнал/шум ji(f) зондирующего сигнала на каждой рабочей частоте Г. При этом рабочая частота меняется с шагом, который приравнивается адаптируемой ширине полосы частот канала зондирования 5f*(f).
-
Предложенный метод радиозондирования позволяет уменьшить погрешность измерения критической частоты нестационарного слоя плазмы fc на основе нетрадиционного использования эффекта Доплера. Метод осуществляется посредством измерения доплеровского смещения частоты Af(fj) на совокупности частот зондирования {ft} в окрестности критической частоты слоя fс. В качестве критической частота fc зондируемого слоя принимается частота зондирования, соответствующая экстремальному значению доплеровского смещения частоты.
Научная новизна работы состоит в том. что впервые: 1. Предложен подход к определению структуры и источников полной погрешности принципа радиоволновых измерений параметров неоднородного слоя плазмы. Подход развит и обоснован при постановке и решении задачи нахождения оценки погрешности измерения действующей высоты слоя F2 ионосферы. Оценка пол-
ной погрешности измерения действующей высоты получена с учетом высотной и частотной зависимости запаздывания спектральных составляющих отраженного радиоимпульса. (Совокупность высотной и частотной зависимости запаздывания спектральных составляющих отраженного радиоимпульса называется далее частотно-временной дисперсией.)
-
Показано, что перенос результатов теории погрешностей из области применимости классической радиолокации на область диспергирующей среды приводит к занижению оценки погрешности измерения пространственной локализации электронной концентрации.
-
Предложен модифицированный метод импульсного панорамного радиозондирования слоя ионосферы, ведущий к уменьшению погрешности измерения действующей высоты до потенциальной. Уменьшение погрешности достигается в результате адаптации полосы частот канала зондирования на каждой рабочей частоте к величине dt(f)/df, где т(П = h'(f)/c - групповое время распространения сигнала зондирования до области отражения. При этом рабочая частота меняется с шагом, который приравнивается переменной ширине полосы частот канала зондирования 5і*(Л. Неравномерная сетка рабочих частот со сгущением в областях наибольшей крутизны dt(i)/df обеспечивает достижение потенциальной точности определения ионограммы не только в узлах сетки рабочих частот, ко также и в междоузлиях.
-
Доплеровское смещение частоты в частной задаче электродинамики получено из законов сохранения импульса и энергии и является следствием обмена энергией волны и движущегося зеркала.
-
При радиозондировании предложено определять критическую частоту слоя плазмы как частоту, соответствующую экстремальному значению доплеровского смещения частоты и/или максимального значения времени задержки зондирующего сигнала.
Практическая ценность работы состоит в следующем. Развитый в диссертации подход выявляет существование неустранимой погрешности принципа радиоволновых измерений параметров неоднородного слоя плазмы. Результаты данного подхода позволили предложить методы диагностики неоднородного слоя плазмы. Предложенные методы сопровождены техническими решениями по
уменьшению погрешностей измерения действующей высоты и критической частоты слоя F2.
Результаты исследования структуры и источников погрешностей радиоволновых измерений могут служить основой для разработки и модификации способов диагностики неоднородных сред радиоволновыми методами.
Существование неустранимой погрешности радиоволновых измерений необходимо принимать во внимание при разработке методов "очистки" ионограммы с целью сохранения объективной информации о погрешности проводимых измерений.
Обоснование и достоверность выдвинутых научных положений подтверждается качественным и количественным соответствием расчетных результатов с экспериментальными.
Апробация работы. В 1970-1996гг. результаты работы докладывались на XVllI-й н.-т. конф. по радиоэлектронике. Томск. 1970; Всес. конф. по физике ионосферы, Львов. 1970; ХХ-й н.-т.конф. по радиоэлектронике, Томск. 1972; Юбилейной н.-т.конф. радиофизического ф-та ТГУ, Томск, 1973; XXV-й per.н.-т. конф.. посвященной Дню Радио. Новосибирск, 1982; 4-й Омской областной математической конф.. Омск, 1984; Per. н.-т. конф. НТОРЭС им. А.С. Попова, Новосибирск, 1985; Всес.научном семинаре "Исследование влияния неоднородностей ионосферы на распространение радиоволн", Душанбе, 1986; Обл. н.-т. конф. "Радиофизическое исследование свойств сред". Омск. 1987; Всесоюзном семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере", Калининград, 1989; ECO Conference "New Challenges to Environmental Protection", The Friedrich Ebert Stif-ting. Алма-Ата. 1993; Первой международной н.-пр. конф. "Информационные технологии и радиосети - 96", Омск, 1996г.; Междунар. симпозиуме "Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики", посвященном 60-летию регулярных ионосферных исследований в России, 18-21 июня 1996г., -Томск, СФТИ, 1996; а также на семинарах: каф. радиофизики Томского гос. университета, лабораторий РРВ, ионосферной и космической геофизики СФТИ (г.Томск), отдела ОНИИПа (г.Омск), Гео-физ. обсерв. "Боровое" (Нац. Ядерный Центр Респ. Казахстан), каф. общей физики Омского гос. университета, отделах ШТПМ СО РАН (г.Омск).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 132 наименований, содержит 184 страницы машинописного текста, 10 рисунков. 1 таблицу.
