Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальным исследованиям особенностей распространения радиоволн, обусловленных воздействием на околоземную ионосферную плазму мощных наземных (вертикальных и наклонных) потоков электромагнитной энергии для создания/разрушения управляемых ионосферных каналов распространения.
Актуальность проблемы. Как показали исследования последних лет, околоземная ионосферная плазма испытывает постоянное и всё более растущее антропогенное воздействие на нее энергии радиоволн, излучаемых мощными наземными радиосредствами. Вместе с тем, радиосвязь в декаметровом диапазоне играет важную роль в обеспечении сети радиовещания и радиосвязи на различные расстояния, службы стандартных частот, сети гидрометеослужбы, загоризонтной радиолокации и т.д. Однако надежность и качество передаваемой информации на сегодняшний день зачастую не удовлетворяют пользователей её, а традиционное увеличение мощности передатчиков,как оказалось, не всегда приводит к желаемому результату.
В связи с этим встает вопрос отыскания нетрадиционных путей улучшения надежности и повышения прогнозітруемости .её. Представляется одним из возможных способов решения этой проблемы создание управляемых и прогнозируемых каналов распространения радиоволн на различные расстояния посредством целенаправленного изменения параметров околоземной плазмы.
Крайне важным в проблеме распространения декаметрових радиоволн является знание наперед прогнозируемых параметров канала распространения, определяющим фактором которого является околоземная ионосферная плазма. Состояние канала распространения характеризуется прежде всего сложными физическими процессами , протекающими в ионосфере, которая, к тому же, испытывает постоянное и все более растущее антропогенное воздействие на неё деятельности человека, включая энергию радиоволы, излучаемую мощными наземными радиосредствами. Поэтому особое значение для прогнозируемой и управляемой радиосвязи, для создания/разрушения канала распространения приобретает задача дальнейшего детального изучения неоднородной и возмущенней ионосферы mql'ihum наземным радиоизлучением, которая существенно влияет на энергетику радиоволн KB диапазона. Проведение' таких исследований диктуется необ-
_ 4 -
ходимостью построения полной модели ионосферы, максимально адекватно описывающей протекающие в ней физические процессы, а также вопросами, связанными с возможностью искусственного целенаправленного изменения параметров ионосферной плазмы для создания управляемых каналов распространения. Последнее представляется возможным достичь путем воздействия на ионосферу мощным наземным радиоизлучением, адекватного моделирования искусственно возмущенной ионосферы в реальном масштабе времени с применением современных вычислительных средств, разработки оптимальных алгоритмов управления параметрами приземной плазмы с помощью наземных радиосистем, разработки новых и развития известных методов расчета характеристик радиосигналов, проходящих через возмущенную ионосферу.
Таким образом, вытекающая из вышесказанного проблема изменения параметров околоземной ионосферной плазмы мощным наземным радиоизлучением для управления состоянием каналов распространения представляет наряду с фундаментальным и большой практический интерес. Первостепенное значение при этом имеет исследование эффектов воздействия искусственно модифицированной ионосферной плазмы мощным наземным (вертикальным и наклонным) радиоизлучением на распространение радиоволн, проходящих через возмущенную ионосферу, чему и посвящена настоящая работа.
Несомненным подтверждением актуальности и значимости изучения физики явлений, возникающих в ионосферной плазме в условиях мощного наземного радиоизлучения, и эффектов воздействия искусственно возмущенной ионосферы на распространение радиоволн следует признать как возросшую активность проводимых в мировой науке исследований, так и учреждение при УРСИ официального периодического (раз в два-три года) и специального международного симпозиума под названием "Суздальский" по модификации ионосферы мощным радиоизлучением. Началом этому международному научному форуму послужил Всесоюзный симпозиум, проведенный в г.Суздале в 1983 г.
Целью работы является исследование особенностей распространения радиоволн декаметрового диапазона в.условиях воздействия на околоземную ионосферную плазму мощных потоков электромагнитной энергии для создания/разрушения управляемых каналов распространения, включая: - исследование структуры и моделирование области эффективного
воздействия наземного вертикального мощного радиоизлучения на верхнюю ионосферу для задач распространения радиоволн;
изучение рефракционных и дифракционных свойств искусственно возмущенной области ионосферы;
исследования вариаций параметров радиоволн в условиях вертикального и наклонного воздействия больших потоков электромагнитной энергии с поверхности Земли на ионосферу.
Научная новизна работы определяется полученными основными результатами:
- Впервые на основе проведенных целенаправленных комплексных ис
следований воздействия области верхней ионосферы, возмущенной
мощным радиоизлучением, на распространение декаметрових радио
волн получены новые результаты по вариациям их траєкторних и
энергетических характеристик, по модификации ионограмм НЗ. Обна
ружен эффект увеличения и разработан новый способ эксперименталь
ного определения МТС трассы, обнаружена сложная структура сигна
лов обратного рассеяния от искусственно возмущенной области ио -
носферн. Показано, что распределение интенсивности флуктуации
возмущенной электронной плотности не совпадает с распределением
энергии волны накачки в пределах диаграммы направленности нагре-
вного стенда.
Для объяснения обнаруженных эффектов предложена радиофизическая "линзовая" модель искусственно возмущенной области (ИБО) ионосферы для задач рефракции и модель периодических возмущений диэлектрической проницаемости среды для задач рассеяния радиоволн. Сформулирована концепция двуединого (структурная линза -линза с мелкомасштабными неодноррдностями) модельного описания ИБО, могущая позволить в дальнейшем с единых позиций описывать эффекты рассеяния и распространения радиоволн через это искусственное образование.
- Зпервые на достаточном объеме экспериментальных данных, полу
ченных с использованием различных радиофизических методов, обна
ружено явление значительной модификации ионосферной плазмы на
земным мощным наклонным радиоизлучением и исследовано его воз -
действие на параметры (амплитуда, углы прихода, ддплеровский
сдвиг частоты) пробных волн близких частот, а также на ионогром-
і:И НЗ и 33 в средней точке трассп. Обнаружено наличие эффекта
- 6 - ' . '
самовоздействия мощных радиоволн и Люксембург-Горьковского эффекта на наклоншіх трассах НЗ в декаметровом диапазоне радиоволн.
- Предложен и реализован комплексный подход, основанный на ис
пользовании геометрической оптики и параболического уравнения,
для численного моделирования взаимодействия двух сигналов на на
клонной трассе, который позволил дать качественное объяснение
полученных в экспериментах вариаций амплитуды пробных сигналов.
Достоверность полученных результатов и выводов определяется физической обоснованностью поставленных экспериментов с использованием различных радиофизических методов; большими рядами экспериментальных данных, на основе которых делаются соответствующие выводы; экспериментально обнаруженными новыми явлениями,развитой физической картиной их и хорошим согласием с результатами численного моделирования; повторяемостью результатов и подтверждением в более поздних экспериментах других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты'экспериментальных исследований влияния облас
ти верхней ионосферы, искусственно возмущенной вертикальным мощ
ным радиоизлучением, на вариации характеристик декаметрових волн,
прошедших через эту область:
амплитуду и углы прихода в обеих плоскостях,
искажения дистанционно-частотных характеристик сигналов НЗ,
- на структуру ДЧХ сигналов обратного рассеяния от искусст
венно возмущенной области,
смещение области интенсивной генерации мелкомасштабных неодно-родностей в плоскости магнитного меридиана от зенита,
способ экспериментального определения МПЧ радиолинии.
2. Явление изменения параметров ионосферной плазмы мощным
наземным наклонным радиоизлучением, обнаруженное в комплексных
экспериментах исследования вариаций параметров пробных и самих
мощных радиоволн декаметрового диапазона, такій как:
амплитуда и углы прихода в обеих плоскостях,
нонограммы НЗ и ВЗ в средней точке радиотрассы,
текущие спектры,
нелинейный- характер изменения напряженности поля сигнала в точке приема при изменении эффективной мощности излучающего передатчика (эффект самовоздействия),
наличие Люксембург-Горьковского эффекта в KB диапазоне на на-
клонных трассах.
3. Представление возмущенной области ионосферы в форме локализованной крупномасштабной неоднородности для задач рефракции и в форме периодической зависимости диэлектрической проницаемости среды от координат для задач обратного рассеяния радиоволн. Способ моделирования нелинейного взаимодействия двух разных по мощности и близких по частоте радиоволн.
Научная и практическая значимость работы определяется положениями, которые выносятся на защиту, и тем, что:
полученные основные результаты являются новыми, позволяют ставить как задачу формирования управляемых, наперед прогнозируемых каналов распространения, так и решать обратную задачу восстановления параметров среды, раскрывающую физику взаимодействия мощного назег.шого радиоизлучения с плазмой для изучения околоземной ионосферы и разработки наиболее адекватной её модели. Практическое значение имеет увеличение и разработанный способ оперативного экспериментального определения МПЧ радиолинии, могут иметь обнаруженное смещение от зенита области интенсивной генерации мелкомасштабных неоднородностей и тонкой структуры сигналов обратного рассеяния;
явление самовоздействия мощных радиоволн на наклонных трассах позволяет наполнить новым содержанием задачу повышения эффективности и качества передачи информации на различные расстояния и для различных геофизических условий посредством формирования управляемых каналов распространения в отличие от принятого в практике наращивания мощности радиопередающих систем, адаптации радиотехнических систем нового поколения к условиям их эксплуатации; по-новому ставить и решать проблему стратегии развития средств связи. Обнаруженное явление важно для эффективного функционирования радиотехнических систем, использующих ионосферу в качестве тракта передачи информации;
обнаруженное наличие Люксембург-Горьковского эффекта в KB диапазоне необходимо учитывать в практике использования ионосферных каналов распространения, в целях учета возможного эффекта разрушения соседних частотных каналов;
на отдельные результаты получены акты внедрения и свидетельство на изобретение.
Реализация результа?о в. Результати работы (разработанные
методики экспериментов, их результаты и подходы моделирования порченных результатов) использовались в НИРФИ, СФТИ, ААНИИ.НИИ Радио, Казанском и Калининградском университетах, НИИССУ, при проведении работ по проблеме распространения радиоволн и искусственной модификации ионосферы и отражены в отчетах ИЗМИРАН по НТП Ш1Т "Атмосфера", по научно-исследовательским темам: "Исследование особенностей пространственно-временной структуры ионосферной плазмы в целях обеспечения задач распространения радиоволн" (№ гос.per. 01.86.0078160), "Разработка асимптотических методов расчета волновых полей в неоднородной и искусственно возмущенной ионосфере" (К гос.per. 01.86.0078149), "Исследованиеискусственных возмущений околоземной плазмы методами активного воздействия на ионосферу" (№ гос.per. 01.86.0083812), "Экспериментальные исследования особенностей распространения декаметрових радиоволн в регулярной и искусственно-возмущенной ионосфере" (№ гос.per.' 01.9.10030233), в которых автор в разные годы являлся либо научным соруководителем, либо ответственным исполнителем. Отдельные результаты диссертации приняты в документы ШКР, вклго-чены в ряд обзоров. Получено четыре акта о внедрении и использовании результатов диссертации.
Литный вклад автора. Диссертация в основе своей носит экспериментальный характер. Поставленные цели настоящей работы потребовали комплексной постановки экспериментов и использования уникальных радиотехнических систем, что повлекло создание автором на инициативной основе межведомственной кооперации на принципах научного сотрудничества. В работе обобщены исследования, основное содержание которых изложено в 46 публикациях. В статьях в соавторстве автору принадлежит,, в основном, постановка задач, руководство, организация и непосредственное участие в конкретных экспериментах, в обработке данных и проведении анализа, в осмысливании и интерпретации полученных результатов, формулирование выводов.
Апробация результатов. Результаты диссертации докладывались на XI, ХІУ-ХУІ Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн (Томск, 1978; Ленинград, 1984; Алма-Ата, 1987; Харьков,1990), на Всесоюзных научно-технических конференциях общества радиотехники, электроники, и связи игл.А.С.Попова (Новосибирск, 1980,1985; Душанбе, 1906; Калининград, 1989), на ХШ Всесоюзной сессии об-
щества А.С.Попова (Москва, 1991), на Всесоюзных совещаниях по специальным вопросам физики ионосферы и распространения радиоволн (Горький, 1980, 1989), на Всесоюзном симпозиуме "Ионосфера и взаимодействие декаметрових радиоволн с ионосферной плазмой" (Звенигород, 1989) и семинарах 9-ой секции Научного совета АН СССР "Распространение радиоволн" по проблеме "Распространение радиоволн в неоднородной ионосфере высоких и средних широт"(Нур~ манск, 1975, 1985; Звенигород, 1978, 1986), на Всесоюзном симпозиуме "Эффекты искусственного воздействия мощным радиоизлучением на ионосферу Земли" (Суздаль, 1983), на XX и ХХШ Генеральных ассамблеях u'BSl (Вашингтон, США, 1981; Прага, Чехословакия, 1990), на 1-Й Международных "Суздальских " симпозиумах uhsi по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1986; Troms/f .Норвегия, 1988; Суздаль, 1991), на Международной конференции СОБРАН ( Toulouse , Франция, 1986), на Заключительных собраниях международного консультативного комитета по радио МККР (Женева, Швейцария, 1989, 1991), ка научных конференциях (1975, 1978, 1979,1981, 1985), секциях Ученого совета (1983, 1989) и семинарах ИЗМИРЛН.а также на ряде межведомственных совещаний и семинаров: НИРФИ, ППІ, СФТИ, АЛІШ, НИИР, Калининградского ГУ и др.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения. Общий объем 308 страниц, включая 24? страниц текста, 79 рисунков и 14 таблиц на 65 страницах, список использованных источников из 221 наименования па 6 страницах.
