Введение к работе
Актуальность работы. Ионосферная плазма практически всегда находится в возмущенном состоянии. Возникающие при этом неоднородности различных масштабов, даже относительно слабые, оказывают заметное влияние на энергетические и траекторные характеристики распространяющихся высокочастотных (ВЧ) радиоволн. И не смотря на продолжительную историю изучения физики ионосферных процессов, возникают ситуации, когда результаты экспериментальных измерений параметров распространения сигналов в значительной мере не согласуются с теоретическими оценками. Исследования аномальных эффектов, приводящих к дополнительным энергетическим потерям и сильным траекторным искажениям, степени участия в данных процессах различных гелио- и геомагнитных условий, представляет не только научный интерес, но и необходимы для уточнения моделей ионосферного канала и решения задач расчета и прогнозирования каналов связи в условиях максимально приближенных к реальным. Изучение особенностей формирования и развития областей, заполненных ионосферными неоднородностями, важно для решения задач обнаружения, идентификации и пространственно-временной локализации ионосферных образований и эффектов, связанных с ними.
Методы и средства изучения ионосферной плазмы чрезвычайно разнообразны. Наряду с результативными, но дорогостоящими экспериментами, связанными с использованием спутниковой и/или ракетной техники, имеют место более простые и наиболее распространенные - основанные на измерении параметров диагностических сигналов, излучаемых и принимаемых с поверхности Земли. При этом методики проведения исследований можно разделить на два основных класса. Первые - пассивные, основанные на линейных эффектах, возникающих при прохождении или отражении ВЧ радиоволн от естественно возмущенной ионосферы, позволяют определить как характеристики самого диагностического излучения, так и многие параметры непосредственно в ионосферной плазме. Ко второму классу относятся активные методы исследования ионосферы, связанные с целенаправленной модификацией параметров плазмы, путем воздействия на нее узким пучком мощных волн коротковолнового диапазона, что позволяет контролировать процессы формирования и развития искусственных неоднородностей, упрощая процесс исследований с данной точки зрения. Последнее время такие методы получили интенсивное развитие.
Актуальность диссертационной работы связана в первую очередь с исследованием влияния неоднородностей на энергетические, угловые и спектральные характеристики распространяющихся в ионосферной плазме сигналов, осуществляемым с использованием новейших, в том числе и разработанных в рамках данной работы, методик и аппаратно-программных комплексов, как пассивными, так и активными методами изучения ионосферной плазмы.
Целью диссертационной работы являлись:
1. Исследование особенностей затухания необыкновенных волн ВЧ диапазона вблизи границы мертвой зоны на среднеширотной трассе Москва - Ростов-на-Дону по регистрации интерференционной картины поля х-волн в моменты радиовосхода и радиозахода.
-
Создание численной модели наземно-спутникового эксперимента по прямому наблюдению во внутренней ионосфере эффекта статистической трансформации обыкновенных волн в медленные необыкновенные (z) при рассеянии на мелкомасштабных естественных неоднородностях ионосферы.
-
Комплексные экспериментальные исследования тонкой структуры искусственных неоднородностей, инициированных мощным нагревным стендом «Сура», по средствам изучения характеристик ракурсно-рассеянных сигналов при различных условиях модификации ионосферы.
Достижение поставленных целей потребовало решение следующих задач.
-
Проведение регулярной регистрации интерференционной структуры ПОЛЯ х-волн в моменты прохождения прикаустической области через пункт наблюдения Ростов. Модернизация методики оценки затухания радиоволн вблизи границы мертвой зоны с учетом геомагнитного поля, сферичности Земли и ионосферы. Получение статистически достоверных данных о характере затухания излучения в прикаустической области.
-
Разработка численного метода расчетов характеристик z-сигналов во внутренней ионосфере. Выбор на основе моделирования оптимальных условий эксперимента по обратному трансионосферному зондированию.
-
Создание экспериментального стенда для синхронных измерений энергетических, угловых и пространственно-временных характеристик прямых и рассеянных сигналов во всем диапазоне коротких волн.
-
Проведение комплексных экспериментов по исследованию искусственных ионосферных неоднородностей при воздействии на ионосферу мощного KB излучения нагревного стенда «Сура».
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
Обнаружен новый эффект - дополнительное усиление сигнала на границе мертвой зоны, не связанное с фокусировкой.
-
На основе имитационного моделирования определены оптимальные условия для проведения наземно-спутникового эксперимента с целью прямого подтверждения существования эффекта статистической трансформации о-волн в z-волны.
-
В рамках работы обоснована возможность создания, разработаны основные алгоритмы и построен макет уникального аппаратно-программного комплекса ЛЧМ-зонда/пеленгатора, который наряду с традиционными дистанционно- и амплитудно-частотными характеристиками на трассе наклонного зондирования позволяет получать двухмерные угловые-частотные характеристики как регулярных ионосферных мод распространения, так и сигналов, ракурсно-рассеянных ионосферными неодно-родностями.
-
На основании сопоставления данных двухмерных угловых- и дистанционно-частотных характеристик диагностирующих сигналов показано, что возмущенная область имеет сложную изменяющуюся с течением времени пэтчевую структуру.
-
Выявлены закономерности и особенности формирования, развития и релаксации области заполненной мелкомасштабными искусственными ионосферными не-однородностями (МИИН) в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях.
6. Выявлены закономерности и особенности генерации МИИН при воздействии на ионосферу мощной волной обыкновенной поляризации с частотой, близкой по значению к 4-й гармонике гиромагнитной частоты электронов.
Практическая значимость определяется факторами:
-
Использование наблюдений интерференционной картины поля вблизи границы мертвой зоны (ГМЗ) является эффективным средством диагностики естественных крупномасштабных неоднородностей электронной концентрации внутренней ионосферы.
-
Разработанные и апробированные методики наблюдения и обработки данных, полученных с используемых в работе аппаратно-программных комплексов, позволяют объективно диагностировать динамику развития неоднородностей во время естественных и искусственных возмущений ионосферы, определять пространственные и временные параметры рассеивающих ионосферных областей, установить сам факт искусственного воздействия на ионосферу мощным KB излучением.
-
ЛЧМ-зонд/пеленгатор позволяет находить местоположение ЛЧМ-передатчиков, определять режимы их работы, локализовать в пространстве естественные и искусственные источники боковых отражений и рассеяний различной природы.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов обеспечивается репрезентативным объемом проведенных комплексных измерений и обработанных на их основе данных, охватывающих период с 2003 по 2011 гг. на различных радиотрассах и при разных гелио- и геофизических условиях; использованием общепринятых моделей ионосферы для проведения имитационного моделирования распространения ДКМВ в различных условиях.
Реализация результатов работы. Работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских тем, проводимых Южным федеральным университетом (ЮФУ) в течение 2003-2011 гг. Отдельные разделы работы вошли составной частью хоздоговорных научно-исследовательских тем «Чек», «Шарм», «Жим-К-РД», выполненных в ЮФУ по государственным заказам на конкурсной основе. Часть результатов получена в рамках научно-исследовательских работ (НИР), выполненных при поддержке РФФИ (гранты №02-05-64383, №05-02-16493, №05-05-08011, №06-02-16075, №08-02-00171, №09-02-00109, №11-02-00374). Некоторые положения работы включены в перечень важнейших научных достижений, полученных по этим темам.
Личный вклад автора. Автор диссертационной работы принимал участие в разработке алгоритмов функционирования и программного обеспечения, описанных в работе экспериментальных измерительных комплексов; в проведении и обеспечении круглосуточных измерений характеристик сигналов ДКМВ в естественной и искусственно модифицированной ионосфере. Фильтрация, отбор и обработка записей, содержащих интерференционную картину на границе мертвой зоны; разработка модели трансионосферного распространения коротких волн в неоднородной магнитоактив-ной ионосфере; проведение имитационного моделирования и анализ полученных на
его основе результатов; обработка экспериментальных данных с целью получения характеристик ракурсно-рассеянных сигналов и искусственных ионосферных неодно-родностей (ИИН); анализ экспериментальных результатов и выводы на их основе принадлежат лично автору.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Статистически достоверные данные о характере энергетических потерь ВЧ излучения необыкновенной поляризации в прикаустической области на трассе Москва-Ростов: в 90% случаев наблюдается дополнительное затухание, обусловленное рассеянием волн на крупномасштабных неоднородностях в зону тени; в 10% случаев имеет место дополнительное усиление излучения.
-
Результаты моделирования оптимальных условий наземно-спутникового эксперимента по прямому наблюдению эффекта статистической трансформации ВЧ о-волн в z-волны при естественном состоянии ионосферы.
-
Обоснование физических принципов работы, способ построения аппаратно-программного комплекса ЛЧМ-зонда/пеленгатора, позволяющего наряду с традиционными дистанционно- и амплитудно-частотными характеристиками измерять при наклонном зондировании ионосферы двухмерные утло-частотные характеристики во всем диапазоне от наименьшей до максимальной наблюдаемой частоты.
-
Результаты многолетних комплексных экспериментальных измерений частотных, амплитудно- и пространственно-временных характеристик сигналов, ракурсно рассеянных на мелкомасштабных искусственных ионосферных неоднородностях в естественно невозмущенной или слабо возмущенной ионосфере, а также в условиях мощных магнитных бурь и кратковременных всплесков геомагнитной активности при искусственном воздействии мощного KB излучения нагревного стенда «Сура».
-
Доказательство существования в искусственно возмущенной области сложной пэтчевой структуры, отдельные элементы которой могут быть значительно отдалены от зоны нагрева ионосферы.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: X Международная научно-техническая конференция «Радиолокация. Навигация. Связь», Воронеж, 2004 г.; 6-я Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва 2004 г.; Восьмая научная конференция по радиофизике, посвященная 80-летию со дня рождения Б.Н. Гершмана, Н. Новгород, 2004 г.; III Международная конференция «Солнечно-земные связи - электромагнитные предвестники землетрясений», с. Паратунка Камчатской области, 2004 г.; Всероссийские научные конференции «Распространение радиоволн»: XXI - 2005 г., XXII - 2008 г., XXIII - 2011 г.; Всероссийские научные конференции студентов-физиков и молодых ученых: ВНКСФ-8 2002 г., ВНКСФ-11 2005 г.; Международные научные конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн»: ИРЭМВ-2005, ИРЭМВ-2007, ИРЭМВ-2009, ИРЭМВ-2011; Четвертая Всероссийская научная школа и конференция, Муром, 2009 г.; IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь» - ИРЭ РАН, 2010 г.; International Suzdal URSI Symposium "Effects of Artificial Action on the Earth Ionosphere by Powerful Radio Waves", Moscow, VI - 2004, VII - 2007; 35 COSPAR Scientific Assembly. Paris, France,
2004; Proceedings of XXVIIIth General Assembly of URSI, India, 2005; 36th COSPAR Scientific Assembly, Beijing, China, 2006; VII International Suzdal URSI Symposium "Modification of Ionosphere by Powerful Radio Waves", Moscow, 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 печатных работ, включая 22 статьи в журналах, 17 из них - в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования материалов диссертаций; зарегистрировано 6 патентов РФ.
