Введение к работе
І..
Актуальность темы.
В основе различных способов диагностики ионосферы (метод некогерентного рассеяния радиоволн [1], рассеяние радиоволн на искусственных неодно-родностях [2]), атмосферы (мезосферно-стратосферно-тропосферное зондирование [3], лидарная диагностика атмосферы [4], радиоакустическое зондирование атмосферы [5]) и других сред лежит метод обратного рассеяния электромагнитных волн на флуктуациях диэлектрической проницаемости среды. Теоретическую основу этих способов составляет радиолокационное (радарное, лидарное) уравнение - аналитическое выражение, связывающее рассеянный сигнал с флуктуациями диэлектрической проницаемости среды.
Существующие методы получения радиолокационного уравнения, как правило, используют приближение однократного рассеяния, которое может применяться, когда рассеянное поле мало по сравнению с падающим [6],[7]. Область применимости приближения однократного рассеяния определяется выполнением условия eL/Хц « 1[6] (аналогичное условие приводится в [7]), где є - амплитуда флуктуации диэлектрической проницаемости, L - характерные размеры рассеивающего объема, Ао-длина волны зондирующего сигнала.
Обычно, приближение однократного рассеяния применимо и используется при интерпретации сигналов обратного рассеяния на турбулентностях атмосферы [8], некогерентного рассеяния и обратного рассеяния на неустойчивос-тях ионосферной плазмы [1], радиоакустическом зондировании атмосферы
[5].
Обычно, удобным видом является спектральное представление радиоле кационного уравнения, в котором явно выделена связь рассеянного сигнал с пространственно-временным фурье-спекгром флуктуации диэлектрическо проницаемости, в связи с селективными свойствами рассеяния, которые 6} дут рассмотрены ниже.
Традиционно, при построении радиолокационных уравнений в спектралі ном представлении используют, кроме приближения однократного рассеяна дополнительные предположения о свойствах среды - предполагается либ малость рассеивающего объема [9], либо малость радиуса пространственно корреляции неоднородностей [8]. В этих приближениях можно получить удо( ные выражения, в которых явно выделена селективность процесса рассеяни и которые могут быть использованы для интерпретации эксперимента.
Задача однократного рассеяния электромагнитной волны достаточно х< рошо изучена, когда приемник и передатчик находятся в дальней зоне раї сеивателя. В этом случае можно заменить в пределах рассеивающего объем фронт падающей сферической волны на плоский. Тогда амплитуда рассі янного сигнала будет пропорциональна амплитуде пространственной гарм< ники с волновым вектором, определяющимся условием Вульфа-Брэгга [6] [7 Таким образом, условие Вульфа-Брэгга определяет селективность процесс рассеяния.
Однако, условие малости рассеивающего объема выполняется не всегд; Это требование (которое можно выполнить в лабораторных условиях), кг правило не выполняется при дистанционном зондировании таких сред, кг
ионосфера и атмосфера (поскольку в этом случае рассеивающий объем определяется диаграммами направленности источника и приемника, и растет с увеличением радиолокационной дальности). Это не позволяет использовать стандартную технологию получения радиолокационного уравнения: замену сферической волны на плоскую и переход к спектральному представлению. Обычно, при получении радиолокационного уравнения для таких сред используется статистический подход и приближение малости радиуса пространственной корреляции, что позволяет обобщить результаты решения классической задачи рассеяния волны на малом рассеивателе на задачу рассеяния от случайных неоднородностей, с радиусами корреляции меньшими радиуса зоны Френеля [8]. Предположение о малости радиуса пространственной корреляции может быть не всегда правомерно. В частности, оно не всегда выполняется в возмущенных условиях при рассеянии от неустойчивостей полярной и экваториальной ионосферы, при радиоакустическом зондировании атмосферы, при рассеянии от искусственных неоднородностей ионосферы.
Поэтому, важной как с теоретической, так и с практической точки зрения, является задача получения радиолокационного уравнения в спектральном представлении для сигналов (а не их среднеквадратичных характеристик) без ограничения на размеры рассеивающего объема. Оно необходимо для описания сигнала, полученного при дистанционном зондировании сред методом обратного рассеяния без статистического усреднения.
Также, важной является задача получения статистического радиолокационного уравнения, связывающего среднюю мощность рассеянного сигна-
ла с спектральной плотностью флуктуации диэлектрической проницаемости без классического приближения малости радиуса пространственной корреляции. Получение такого уравнения необходимо для установления связи среднестатистических характеристик сигнала (средняя мощность или средняя спектральная мощность) со спектральной плотностью флуктуации (которая обычно связывается с важными геофизическими параметрами - температурой, скоростью ветра и т.д.) в случае, когда радиусы пространственной корреляции неоднородностей нельзя считать малыми.
Цель работы
Расширение диагностических возможностей метода обратного рассеяния радиоволн на основе изучения как отдельных реализаций рассеянного сигнала, так и их статистических характеристик. Для этого решались следующие основные задачи:
- построение и анализ радиолокационных уравнений в спектральном пред
ставлении для сигнала в рамках задачи однократного обратного рассеяния
радиоволн на флуктуадиях диэлектрической проницаемости среды, без тра
диционных ограничений на величину рассеивающего объема.
- построение и анализ статистических радиолокационных уравнений при
однократном рассеянии, без стандартных ограничений на малость радиуса
пространственной корреляции по сравнению с радиусом зоны Френеля.
- разработка методик линейной обработки реализаций рассеянного сигнала
и их апробация на экспериментальных данных Иркутского радара некоге
рентного рассеяния.
Научная и практическая значимость работы.
Впервые получены радиолокационные уравнения в спектральном представлении, связывающие линейную по нолю величину - спектр рассеянного сигнала с пространственно-временным спектром неоднородностей для случая дистанционного зондирования атмосферы и ионосферы. Построенные уравнения позволяют анализировать связь спектра рассеянного сигнала со спектром неоднородностей без статистического усреднения.
Показано, что в отличие от рассеяния на малых рассеивателях, основной вклад в рассеянньш сигнал дает не одна пространственная фурье-гармоника флуктуации диэлектрической проницаемости, а их пакет, причем его параметры определяются геометрией эксперимента, диаграммами направленности антенн, зондирующим сигналом, приемным окном и фильтром приемника.
Впервые получено статистическое радиолокационное уравнение без ограничений на величину радиуса пространственной корреляции.
Разработаны методики линейной обработки сигналов: методика интерпретации одиночных спектров сигналов обратного рассеяния в ионосфере и метод выделения информационного сигнала некогерентного рассеяния в ионосфере на фоне сильных когерентных помех.
Защищаемые положения
1.Полученные радиолокационные уравнения в спектральном представлении для сигнала в приближении однократного рассеяния, являющиеся обобщением известных уравнений на случай протяженных рассеивателей и учитывающие форму зондирующего сигнала и диаграмм направленности антенн.
2.Полученные статистические радиолокационные уравнения в приближении однократного рассеяния и учитывающие форму зондирующего сигнала и диаграмм направленности антенн, без традиционного предположения о малости радиуса пространственной корреляции, предельным случаем которых являются ранее известные уравнения.
3.Метод линейной обработки сигнала, предназначенный для выделения информационного сигнала некогерентного рассеяния в ионосфере на фоне сильных когерентных помех - отражений от рельефа местности.
Апробация работы
Основные результаты и выводы диссертационной работы докладывались к обсуждались на IV симпозиуме 'Оптика атмосферы и океана'( Томск, 1997) на V симпозиуме 'Оптика атмосферы и океана'(Томск,1998); на конференциі 'Физика ионосферы и атмосферы Земли' (Иркутск, 1998); на семинаре группы атмосферных исследований обсерватории Хейстек, МТИ, (США, 1998); на XXVI Генеральной Ассамблее Международного Радиосоюза (URSI), (Торонто, Канада, 1999); на Байкальской школе молодых ученых (Иркутск,1999) на семинарах отдела распространения радиоволн (ИСЗФ СО РАН).
Личный вклад автора.
Автор принимал участие в получении радиолокационных уравнений длї сигналов (совместно с А.П.Потехиным), в постановке задачи и построениг методики выделения информационного сигнала некогерентного рассеяния і ионосфере на фоне сильных когерентных помех (совместно с И.И.Орловым) Он внес основной вклад в получение радиолокационных уравнений для сред-
ней спектральной мощности и их анализ. На базе новых радиолокационных уравнений автором самостоятельно рассмотрена задача радиоакустического зондирования атмосферы, создана модель и методика интерпретации одиночных спектров обратного рассеязшя от ионосферы. Реализован алгоритм и апробирован метод выделения информационного сигнала некогерентного рассеяния в ионосфере на фоне сильных когерентных помех - отражений от рельефа местности.
Объем и структура работы Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем - 145 с, рисунков-13, библиография -71 название.
