Введение к работе
Актуальность работы и обоснование поставленных задач.
Изучение процесса распространения -радиоволн-коротковолно
вого диапазона,.начатый в прошлом столетии, интенсивно"продол
жается как на коротких, односкачковых трассах,-; так- и на'трассах
боль ной:протяженности;вплоть' до- кругосветных.'- Тематика исследо
вания стимулируется необходимостью решения ряда прикладных за
дач, таких-;как оптимизация магистральных-линий связи,'оператив
ное обнаружение и. диагностика.возмущений ионосферы 'искусствен
ного и естественного происхождения, дальняя и ближняя радиоло
кация, решение задачи пеленгации при многолучеьости. В связи с
последними-достижениями в области искусственного воздействия
на ионосферу с помощьюмощного излучения появляется, в принци- ;
пе, возможность целенаправленного изменения параметров ионосфе
ры для создания условий распространения радиоволн в оторванных
от поверхности земли.каналах [26,27] и для проведения управляе
мых экспериментов. ' '-" . " - '
Несмотря;на сравнительно большой период'исследований процесса распространения, радиоволн .(более ;.Ю0 лет)'и обширную' библиографию,, многие вопросы изучены далеко не достаточно. Это относится как-к односкачковым трассам, так и,- в особенности, к облясти дальнего -распространения.радиоволн. 3 области коротких трасс.(односкачкивое распространение радиоволн) физика процесса распространения радиоволн-достаточно ясна. Однако1наличие многолучевости и случайного спектра возмущение-в' ионосфере"не позволяют достаточно.корректно сопоставимь:эксперимент -и-те'о- ' рию. Отдельные лучи' интерферируют'меиуіу-собой -за"счет' динамики тонкой структуры ионосферы и ее суточных вариаций,-увеличивая' дисперсию характеристик сигнала." Это является одной из причин значительно затрудняющих- выявление-и'изучение целого- комплекса'.'- ' геофизических явлений методом-наклонного"-зондирования. Но'существу требуется разработка"короектной статистической-модели сигнала, включающей в себя априорно известную:информацию о' суточных, -вариациях параметров -ионосферы, и статистику характеристик отдельных мод сигнала, обусловленную случайным'спектром в" ионосфере. Первая часть задачи решена за счет разработки методик расчета характеристик сигнала в магнитоактивной неоднородной среде [38-40] . Вторая же часть задачи требует проведения
экспериментальных исследований, направленных на количественные оценки вариаций характеристик отдельных мод сигналов, их статистических закономерностей. В особенности это касается измерения векторных характеристик поля. Этому вопросу посвящены лишь отдельные работы [41-46], и они не охватывают всего многообразия изменений векторных характеристик во времени и пространстве. На решение этих вопросов направлен комплексный эксперимент по исследованию модовой структуры сигнала, проведенный нами в 1975 г., результаты которого изложены в работах Г 1*10]. На речіение этой же задачи направлены исследования по разработке новых методов измерения векторных характеристик поля, основанных на измерении комплексных амплитуд поля в дискретных точках поверхности земли[28-341. Они обладают повышенной разрешающей способностью и, в принципе, позволяют измерять характеристики отдельных лучей многолучевого сигнала.
Основные трудности в изучении вопросов распространения радиоволн на протяженных трассах связаны со сложным строением среды распространения - ионосферы и недостатком информации о распределении параметров ионосферы вдоль поверхности земли. Сложное строение ионосферы определяет наличие нескольких альтернативных механизмов распространения радиоволн (скачковый, рикошетирующий, полноводный) между точками излучения' и приема. Помимо распространения энергии радиоволн вдоль дуги большого круга существуют и другие потоки "энергии, формирующиеся за счет отражений от горных массивов, континентов, от апроральной зоны. Вышеприведенное многообразие механизмов распространения радиоволн приводит к пониманию необходимости изучения геофизического аспекта проблемы, т.е. выявлению основных закономерностей, присущих процессу распространения радиоволн, нахождению взаимосвязи между параметрами ионосферы и характеристиками сигнала, решению вопросов, связанных с механизмами распространения. Зта задача до настоящего времени не имеет удовлетворительного решения. Длн ее репения требуется проведение ши-ро;'г\.;чсштабных экспериментов, в результате которых были выявлены основные закономерности, связанные с суточными и сезонными изменениями параметров ионосферы, статистики характеристик рас'1.р"сттан'"-'Н,.,.я радиоволн, диапазоны их изменений [11*29]. Кап^елее ва'.лны'.!.; леи :??"" і явля"-тся п:стогнкг' хптзактег/стики.
определяющие направления прихода в точку приема потока энергии. Выявленные н эксперименте регулярные изменения характеристик распространения и их статистики позволяют применить к изучению геофизического аспекта задачи распространения радиоволн методику системного анализа. При этом на первом этапе максимально упрощаются как 'летоды расчета, так и модели описания среды распространена ионосферы. Это позволяет выделить главные механизмы распространения радиоволн, установить основные взаимосвязи параметров ионосферы и характеристик распространения радиоволн, разработать оценочные методики расчета ірактеристик. Сраьненио рассчитанных характеристик с экспериментально полученными дает возможность установить количественный критерий соответствия на данном этапе упрощения. На втором и следующих этапах могут меняться как модели среды, так и методы расчета. Степень улучшения определяется критерием соответствия с экспериментальными данными. В настоящей работе реализован первый этап системного анализа, когда в качестве модели использована прогнозная модель ионосферы, а в качестве методов расчета используются элементы теории адиабатического инварианта 159 3.
Одной из важных задач является задача дальнейшего совершенствования методики и практики измерения векторных характеристик поля. Теоретической и технической основой совершенствования является развитие вычислительной техники и современных методов спектрального оценивания f47*58]. Эта задача относится к общей задаче спектроскопии, направленной на увеличение разрешающей способности и точности спектральных оценок. При ее речении из суммарного ионосферного сигнала выделяются отдельные лучи и измеряются их характеристики. При этом оказывается устраненной междумодовая интерференция, увеличивается полнота информации о тонкой структуре ионосферы и точностные характеристики, что является крайне важным для практики связи и для пеленгации, для решения этой задачи необходимо создание измерительного комплекса, который измеряет комплексные амплитуды суммарного сигнала в фиксированных точках на поверхности земли, и разработка метода спектрального оценивания, характеризующегося высокой разрешающей способностью. [28-34J.
Целью диссертационной работы является исследование процесса распространения декаметрових радиоволн на основе измерений
1 J
векторных характеристик поля, включающее в себя следующее;
-
Получение широкого набора экспериментальных данных, включающих векторные характеристики поля, на трассах различной протяженности и ориентации и выявление регулярных изменений характеристик распространения декаметрових радиоволь и их статистик.
-
Решение на полученной экспериментальной основе ряда частных задач, в том числе
всестороннее исследование явления внутримодоной интерференции на односкачковых трассах;
исследование геофизических условий дальнего распространения декаметрових радиоволн.
3. Развитие методики и практики измерений векторных характерис
тик поля на основе современных методов спектрального оценивания.
Научная новизна работы связана с изучением процесса распространения декаметрових радиоволн на основе измерения векторных характеристик поля и заключается в следующем.
-
В получении новых экспериментальных данных, касающихся модовой структуры сигнала на односкачковой трассе и геофизических особенностей распространения декаметровых радиоволн на протяженных радиолиниях.
-
На односкачковых трассах впервые проведено детальное исследование внутримодовой интерференции. Установлено, что изменения разности фаз между М.И.К. происходят за счет локальных возмущений типа ззукозых волн. Разработан способ определения разности фаз между М.И.К. Разработана двухлучевая статистическая модель сигнала. Показана возможность поляризационного механизма многолучевостч.
-
На протяженных трассах впервые использована методика системного анализа. Она позволила выделить основной механизм распространения радиоволн, установить взаимосвязь параметров ионосферы и характеристик распространения радиоволн, разработать ряд оценочных методик расчета.
-
Разработан новый метод спектрального оценивания - метод модифицированного преобразования Фурье, отличающийся высокой разрешающей способностью. Создан 8-ми канальный анализатор углового спектра в декаметровом диапазоне. Это позволило решить задачу разделения ионосферных лучей.
I I
- ь -
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.
-
На односкачковой трассе получены статистические данные об угловых и поляризационных характеристиках выделенных во времени мод сигналов. Они дали возможность разработать элементы многолучевой статистической модели сигнала, оценить точность расчета средних угловых характеристик сигнала, разработать способ определения разности фаз между М.И.К., разработать методику расчете поляризационных характеристик на наклонных трассах, выявить поляризационный механизм многолучэвости на трассах протяженностью более одного скачка.
-
На протяженных трассах установлен основной механизм распространения радиоволн (скачковый механизм), разработаны оценочные методики расчета характеристик распространения, установлена взаимосвязь параметров ионосферы и характеристик распространения радиоволн, выявлены основные закономерности сезонно-суточных изменений векторных характеристик поля и оценены их статистики.
-
Разработан метод модифицированного преобразования Фурье, отличающийся высокой разрешающей способность». Создан 8-ми канальный анализатор углового спектра б декаматровом диапазоне, работающий на основе измерений комплексных амплитуд в Фиксированных точках на поверхности земли. Решена задача разделения лучей ионосферных сигналов.
Защищаемые положения.
-
Результаты исследований на односкачковых трассах. Модовая структура сигнала. Статистика векторных характеристик выделенных во времени мод сигнала. Двухлучевая статистическая модель сигнала. Метод определения разности фаз между М.И.К. Поляризационный механизм многолучевости.
-
Результаты исследований, полученные на протяженных трассах. Выводы о взаимосвязи параметров ионосферы и характеристик распространения радиоволн, об основном механизме распространения. Оценочные методики расчета характеристик распространения радиоволн и их интерпретация. Статистика характеристик распространения.
3. Результаты разработок, направленных на совершенствование методики и практики измерений векторных характеристик поля. Разработка метода модифицированного преобразования Фурье. Создание 8-ми канального анализатора углового спектра. Решение задачи разделения лучей ионосферного сигнала.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на УШ Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Горький, 1980 г.). На Всесоюзном симпозиуме "Ионосфера и взаимодействие декаметрових радиоволн с ионосферной плазмой" (Звенигород, 1989 г.). На Всесоюзном научно-техническом семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере" (Калининград, 1989 г.). На Всесоюзных семинарах по распространению радиоволн (Звенигород, 1978 г., Звенигород, 1987 г.). На Всесоюзном научно-техническом семинаре "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (Смоленск, 1992 г.). На Всесоюзном научно-техническом семинаре "Распространение радиоволн в ионосфере" (Калининград, 1969 г.). По материалам диссертации получены два авторских свидетельства на изобретение. Содержание диссертации опубликовано в 38 печатных работах. Список цитируемой литературы включает 200 наименований.
