Національна академія наук україни

Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка

Івантишин Олег-Михайло Любомирович

УДК 621.396.24

нформаційно-вимірювальний КОМПЛЕКС на базі радіотелескопа уран_для дослідженняслабких акусто-ІОНОСФЕРНИХ ЗБУРЕНЬ

05.11.16 – Інформаційно-вимірювальні системи

втореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Кошовий Володимир Вікторович,

Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка НАН
України, м. Львів, завідувач відділу фізичних методів розпізнавання слабоконтрастних об’єктів у неоднорідних середовищах

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор
Чорногор Леонід Феоктистович,
Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, м. Харків, професор кафедри космічної радіофізики

доктор фізико-математичних наук, професор
Яворський Ігор Миколайович,
Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, завідувач відділу відбору та обробки стохастичних сигналів

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”,

кафедра інформаційно-вимірювальних технологій

Захист відбудеться „ 19 ” червня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.01 в Фізико-механічному інституті імені Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Фізико-механічного інституту імені Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий „ 16 ” травня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Погребенник В.Д.

агальна характеристика роботи

Актуальність теми. Багато фізичних явищ як природного (землетруси, вулкани, цунамі, торнадо тощо), так і техногенного походження (промислові та науково-дослідні вибухи, запуски ракет, дія потуж-них сейсмовібраторів) супроводжуються генерацією акус-тич-них полів інфра-звукового діапазону і проявляються у вигляді збурень в іоносфері Землі. Такі збурення, трансформуючись у плазмові хвилі різних типів, поширюються на значні відстані та існують тривалий час. Цей процес супроводжується цілою гамою ефектів, які, з одного боку, піддаються дистанційній діагностиці, зокрема, наземними засобами, з другого — відо-бра-жають природу збурюючого акустичного поля, джерело та його розташування.

Крім того, такі ефекти дозволяють діагностувати стан іоносферної плазми за її реакцією на акустичне збурення, а також, при наявності керо-ваних джерел акустичних полів, цілеспрямовано впливати на стан іоносфери.

Коректне розв’язання проблеми виявлення та ідентифікації акусто-іоно-сферних збурень (АІЗ), а на їх основі і джерел інфразвуку на поверхні Землі вимагає знань про закономірності впливу на іоносферу різних джерел збурень, в тому числі акустичних.

Для дослідження цієї проблеми здебільшого використовують явища природного походження. Серед вчених, які займаються дослідженнями літо-сферно-іоносферних зв’язків при сейсмо-акустичних явищах є: Hayakawa M. (University of Electro-Communication, Japan), Parrot M. (LPCE/CNRS, France), Blaunstein N. (Ben-Gurion University of the Negev, Israel), Гохберг М.Б., Ліперовський В.A. (Інститут фізики землі РАН, Росія), Афраймович Е.Л. (Інститут Сонячно-земної Фізики, Росія), Ларкіна В.І. (ІЗМІРАН, Росія), Чорногор Л.Ф. (Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Україна).

Як модельний вплив акустичних полів на іоносферу викорис-то-ву-ють-ся, як правило, потужні вибухи. Цим напрямком досліджень займаються такі вчені як Jacobson A. R., Carlos R.C, Fitzgerald T. J. (Los Alamos National Laboratory, USA), E. Blanc (Laboratory of Detection of Geophysics, France), Нагорський П.M., (Сибірський Фізико-Технічний інститут, Росія), Дробжев В.І., Краснов В.М. (Інститут іоносфери МОН РК, Казахстан), Гохберг М.Б. (Інститут фізики землі РАН, Росія), Чорногор Л.Ф. (Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Україна).

Проте через випадковість і некерованість явищ природного походження ефективність їх використання є низькою, а проведення потужних наземних вибухів пов’язано з проблемами екологічного характеру. Крім того, вони є слабо керованими процесами, що не сприяє їх широкому використанню.

Тому актуальним для задач фізичного моделювання збурення середовищ атмосфера-іоносфера є створення інформаційно-вимірювального комплексу (ІВК) як елементу системи дистанційного ра-діо-зондування штучних АІЗ, спричинених дією наземного керованого акустичного випромінювача (НКАВ), розробленого в ЛЦ ІКД НКАУ.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові результати дисертації одержано в ході виконання планових бюджетних науково-дослідних робіт Фізико-механічного інституту НАН України Теоретичні та експериментальні дослідження по відновленню радіозображень космічних джерел в декаметровому діапазоні радіохвиль на радіо-інтерфе-ро-метрі з наддовгою базою УРАН з використанням комплексної діагностики іоносферно-тропосферних неоднорідностей і нелінійних перетворень інфор-маційних сигналів” (номер держреєстрації 0193U029963), Експериментальні і теоретичні дослідження дека-метро-вого радіовипромінювання галактичних джерел методом інтерферометрії (номер держ-реєстрації 0197U003373), контрагентського договору з ЛЦ ІКД НКАУ та НАНУ проекту Заряд (держ-кон-тракт ЛЦ ІКД НКАУ та НАНУ №7–37/96 з Національним космічним агенством України), проекту INTAS # 97–1964, проекту УНТЦ № 1681.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка, створення і апробація в натурних умовах інформаційно-вимірювального комплексу на базі декаметрового радіотелескопа УРАН-3 для дистанційних досліджень слабких іоносферних збурень, спричинених дією наземного акустичного випромінювання.

Досягнення мети здійснюється шляхом вирішення наступних завдань:

· Аналіз властивостей АІЗ природного і техногенного походження та аналіз відомих радіофізичних методів і засобів дистанційного зондування іоносфери. Визначення основних вимог до ІВК.

· Розробка методології проведення натурних експериментів для дослідження іоносферних збурень спричинених дією наземного акустичного випро-мінювання.

· Модельне оцінювання параметрів іоносферних сигналів, спричинених акустичним збуренням.

· Розробка та створення ІВК на базі радіотелескопа УРАН-3 для дослідження слабких АІЗ. Експериментальні дослідження основних метроло-гічних характеристик ІВК.

· Експериментальна апробація ІВК шляхом проведення в натурних умовах експериментальних досліджень впливу штучного керованого наземного акустичного збурення на іоносферу Землі.

Об’єктом дослідження є дистанційне зондування слабких іоносферних збурень, спричинених дією наземного акустичного збурення.

Предметом дослідження є інформаційно-вимірювальний комплекс на базі радіотелескопа УРАН-3 для дослідження слабких АІЗ.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі використано: системотехнічні аспекти побудови просторово-рознесених інформаційно-вимірювальних систем, методи радіофізичної діагностики іоносферної плазми, методи виявлення слабких радіосигналів, методи статис-тичної обробки радіосигналів, методи планування натурних експериментів з радіофізичної діагностики іоносфери, методи математичного моделювання радіосигналів в системах радіофізичної діагностики іоносфери, теорія інформаційно-вимірювальних систем, методи оцінювання похибок вимірювань.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі теоретичних та експериментальних досліджень, проведених в дисертаційній роботі:

1. Розвинуто метод діагностики іоно-сфери, який дозволяє виявляти та ідентифікувати АІЗ на основі динамічного інформаційного еталону відгуку іоносфери на штучне акустичне збурення, що відкриває зокрема перспективи створення системи виявлення сейсмо-іоносферних передвісників високо-енергетичних літосферних явищ.

2. Розроблено структуру та cтворено високо-чутливий ІВК на базі фазованої антенної решітки декаметрового радіотелескопа УРАН-3 для дослідження слабких АІЗ, спричинених дією наземного акустичного випромінювання.

3. Запропоновано і розвинуто новий підхід до фізичного моделювання іоносферних збурень, який грунтується на спільному використанні відносно малопотужного наземного керованого акустичного випромінювача та розробленого високочутливого ІВК, що дозволило провести в натурних умовах експерименти із збурення в іоносфері та дистанційного дослідження слабких штучних АІЗ.

4. Встановлено, теоретично і експериментально обгрунтовано інформаційні характеристики іоносферних радіосигналів, за якими можна виявляти та ідентифікувати слабкі штучні АІЗ наземного походження при проведенні натурних експериментів з використанням відносно малопотужного НКАВ.

5. Експериментально встановлено, що реалізовані на базі розробленого ІВК УРАН-3 радіофізичні методи дистанційної діагностики іоносфери дають змогу виявляти та ідентифікувати штучні АІЗ, спричинені випроміненою за 60 с акустичною енергією на поверхні Землі близько 2106 Дж, що на 45 порядків менше мінімальної акустичної енергії, характерної для науково-дослідних вибухів, які застосовувалися для штучної модифікації іоносфери до цих пір.

Практичне значення отриманих результатів. Створений високо-чутливий ІВК на базі декаметрового радіотелескопа УРАН-3 у поєднанні з НКАВ дозволив реалізувати в натурних умовах ефективні методи дистанційного акусто-електромагнітного зондування іоносфери з метою виявлення в іоносфері та дослідження слабких штучних АІЗ. Це дало змогу значно збільшити обсяги, підви-щити якість і досто-вір-ність експериментальних досліджень іоносферних збурень, викликаних високо-енер-гетичними явищами в літосфері, на земній поверхні і в приземних шарах атмосфери, що супро-воджуються утворен-ням інтенсивних акустичних збурень (землетруси, виверження вул-ка-нів, запуски ракет, потужні вибухи). Екологічна безпечність експериментів, контро-льо-ваність і дозованість наземних акустичних збурень, можливість їх багато-разового повторення відкриває принципово нові можливості у вивченні особливостей акустичного каналу літосферно-іоносферних зв’язків і у розв’язан-ні в подальшому задач прогнозування природних катаклізмів типу землетрусів.

Особистий внесок автора в отримання наукових результатів полягає в в тому, що положення, які складають суть дисертації були сформульовані і вирішені ним самостійно або при його безпосередній участі, а саме:– 

розроблено і створено на базі радіотелескопа УРАН-3 ІВК як елемент системи дистанційного радіозондування штучних АІЗ [1, 2, 9, 12, 16, 17];– 

розроблено математичні моделі радіосигналів в методі слабонахиленого зондування іоносфери з різними моделями збуреної іоносфери [3, 8];– 

досліджено задачу залежності результуючих кутів радіохвилі від різницевої фази мод при багатопроменевому поширенні [7];– 

запропоновано методи акусто-радіофізичної діагностики іоносфери, проведено експериментальні дослідження, обробку і фі-зич-ну інтерпретацію експериментальних результатів [4, 5, 6, 10, 11, 13, 14, 15, 18, 19, 20, 21].

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні результати дисертації доповідались і обговорювались на: 30-й Конференції молодих європейських радіоастрономів (Краків, Польша, 1997), науковому семінарі “Прямі та обернені задачі теорії електромаг-нітних та акустич-них хвиль” (DIPED–97) (Львів, 1997), 2-й науковій конференції пам'яті відомого астрофізика Бабія Богдана Теофіловича (Львів, 1998), 5-й Відкритій конфе-ренції молодих вчених по радіоастрономії і космічній фізиці (Київ, 1998), 26-й Генеральній асамблеї міжнародного Радіосоюзу (Торонто, Канада, 1999), 6-й Відкритій конференції молодих вчених по радіоастрономії і космічній фізиці (Київ, 1999), 15-й Відкритій науково-технічній конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів, 2000), 8-й Всеукраїнській конференції-школі по фізиці і контрольо-ваному синтезу плазми (Алушта, 2000), 16-й Відкри-тій науково-технічній конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів, 2001), 8-й Міжнародній науково-технічній конференції Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів ЛЕОТЕСТ2003” (с. Славське Львівської області, 2003), 8-ому Між-на-родному семінарі/сим-по-зиумі по прямих і зворотних задачах електро-маг-ніт-ної і акустичної хвильової теорії (DIPED–2003) (Львів, 2003), 3-й Українській конференції по перспективних космічних дослідженнях (Кацивелі, 2003).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 21 науковій праці, в тому числі 7 — в фахових наукових журналах та збірниках.

Структура та об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та переліку використаних джерел. Роботу викладено на 180 сторінках друкованого тексту, містить 139 сторінок основного тексту, 54 рисунки та 9 таблиць. Перелік використаних джерел містить 120 бібліографічних посилань.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано її мету та завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, а також викладено структуру та короткий зміст роботи.

У першому розділі проаналізовано основні властивості АІЗ природного та антропогенного походження та здійснено класифікацію їх джерел.

Розглянуто теоретичні підходи до аналізу хвильових процесів в плазмі.

Проведено огляд і аналіз методів, засобів і результатів експери-ментальних досліджень штучних та природних АІЗ. Ці дослідження проводять із застосуванням як наземної техніки, так і за допомогою супутників з низькими орбітами. Як основну інформаційну характеристику для виявлення АІЗ використовують варіації електронної густини іоносфери.

За результатами досліджень з використанням наземних вибухів (проект “МАССА”) зроблено висновок про те, що вибухи в сотні кілограмів тринітротолуола стимулюють виникнення АІЗ, виявлення яких можливе методами вертикального і нахиленого радіозондування іоносфери, але знаходиться на границі чутливості цих методів.

На основі проведеного аналізу і встановлення типів АІЗ та їх характеристик сформульовано основні вимоги до ІВК, який необхідно розробити для дослідження слабких АІЗ.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячений опису розробленого ІВК як елемента просторово-рознесеної системи створення та дистан-ційного радіозондування штучних АІЗ (рис. ).

Система включає джерело зондуючих радіосигналів, НКАВ та ІВК. Елементи системи розташовані на одному мери-діані, що підсилює очікувані ефекти впливу на іоно-сферу акустичного поля. Відстань між приймальним і передавальним пунктами, та між приймальним пунктом і НКАВ складає відповідно 225 км і 200 км.

Рис. 1. Схема просторового розташування елементів системи

дистанційного зондування іоносфери.

Акустичний випромінювач генерує дві акустичні хвилі з ос-нов-ними частотами, рознесеними на величину близько10 Гц. При поширенні цих хвиль в атмосфері внаслідок параметричного ефек-ту, що визначається нелінійністю нейтрального газу, фор-му-ють-ся різницеві інфразвукові складові.

При середній тривалості роботи НКАВ в режимі випромінювання 60с загальна випромінена акустична енергія складає близько 2106 Дж.

Створений ІВК дозволяє проводити дослідження стану іоносфери на основі декількох радіофізичних методів, а саме: радіо-ас-тро-но-міч-ного методу з використанням як зондуючого радіовипромінювання космічних радіоджерел, ме-тоду нахиленого радіозондування іоносфери і ме-тоду роз-сіяння радіо-хвиль на дріб-но-масштабних іоносферних неоднорідностях з використанням зондуючих сигналів стан-цій радіомовлення або спеціальних радіостанцій. Кожен з методів використовує як інформаційні відповідно наступні радіо-сигнали — пройдений крізь іоносферу, відбитий від іоносфери і розсіяний іоносферою. Сумісне використання кількох методів, в яких викорис-тані інформаційні радіосигнали, сформовані за рахунок різних механізмів акусто-електромагнітної взаємодії в іоносферній плазмі підвищує достовірність виявлення та ідентифікації слабких АІЗ. При цьому спостереження можуть про-водитися в одному із трьох режимів: – 

вимірювання і дослідження кутомістних ха-рак-те-рис-тик відбитих іоносферних радіосигналів; – 

вимірювання і дослідження амплітудних і поляризаційних характеристик та до-пле-рівської частоти відбитих або розсіяних іоносферних радіосигналів;– 

радіоінтерферометричні дослідження пройденого крізь іоносферу космічного радіо-ви-промінювання.

Структурна схема ІВК показана на рис. 2.

Рис. 2. Структурна схема ІВК.

Спрощену математичну модель сигналу, що поступає на антену при нахи-леному ди-стан-цій-ному радіозондуванні представимо у вигляді:

, (1)

миттєва частота сигналу

, (2)

де  амплітуда і  миттєва частота іоносферного сигналу є фун-кціями ча-су у випадку вузькосмугового процесу.

З фазованої антенної решітки (окремо з двох половин антени, двох лінійних поляризацій А і Б) сигнали надходять на чотириканальний приймаль-ний комплекс. До складу кожного каналу входять: атенюатор, який забезпечує роботу приймальних пристроїв у лінійному режимі; ра-діо-прий-мач Р399А, що реалізує виділення інформативного сигналу і перетворення його за частотою; фільтр нижніх частот з частотною смугою до 17 Гц і крутизною характерис-ти-ки загасання 30…35 дБ/октаву.

Частотне перетворення сигналу та його низькочастотна філь-тра-ція дозволяють отримати на виході приймальних каналів биття, частота яких є су-мою постійної складової і миттєвого доплерівського зміщення частоти , що визначається швидкістю зміни зміщення фази

. (3)

При перенесенні спектру сигналу вздовж осі частот в сто-рону її менших значень лінійність перетворення частоти забезпечується за умови забезпечення співвідношення амплітуд сигналу і гетеродина <<1.

Необхідну для до-пле-рівських вимірювань стабільність приймальних каналів забезпечує зовнішня синхронізація гетеродинів приймачів сигналом “5 МГц” від рубідієвого стандарту частоти СЧВ-74.

Як опорний сигнал для 3-го змiшувача радіоприймача використаний сигнал частотою з синтезатора частоти Ч6-31.

Сигнали з виходiв приймальних каналів на третій проміжній частоті перетворюються в цифровий код за допомогою АЦП і записуються в ЕОМ для подальших досліджень амплітудних, поляризаційних і частотних характеристик сигналів.

Створено на ба-зі двох половин антени кореляційний мініінтерферометр з базою 100 м, що дало змогу проводити трансіоносферне зондування радіо-випро-мі-нюванням космічних джерел.

Сигнали з виходiв приймальних каналів на другій проміжній частоті пода-ються на корелятор. Після перемноження сигналів і фільтрування високо-час-тотної складової відгук радіоінтерферометра записується у вигляді

, (4)

де амплітуда сигналу, – діаграми спрямованості антен інтер-ферометра по полю, – довжина бази інтерферометра, – довжина хвилі.

З виходу корелятора сигнали двох поляризацій подають на блок АЦП і за-пи-сують в ЕОМ для подальшої обробки.

Вимірювання траєкторних параметрів досліджуваного сигналу про-во-дять ке-руванням діаграми спрямованості антени ІВК. За кут прихо-ду сигналу приймають таке кутове положення (кут міс-ця, азимут) променя антени, при якому амплітуда сигналу, що приймається, досягає макси-маль-ного значення. Сканування променем антени реалізують програмно через регістр керування реле в заданому секторі кутів міс-ця і азимуту. Проміжки часу між переключеннями положення променя антени задають опе-ра-то-ром і скла-да-ють 5–10 с. Результати записують в ЕОМ для по-даль-шої обробки.

Проведено аналіз метрологічних параметрів ІВК. Зокрема, розглянуто задачу визначення залежності результуючих кутів приходу від різницевої фази мод при багатопроменевому іоносферному поширенні. За результатами чисельного моделювання встановлено:

1) азимут сумарного сигналу значно змінюється при різницях фаз між модами, що лежать у діапазоні 150210;

2) кут місця сумарного сигналу зазнає значних змін при різницях фаз між модами, що лежать в діапазоні 120–240;

3) максимальний градієнт змін сумарного сигналу (і, відповідно, максимальна похибка) відповідає значенню різниці фаз 180, тобто коли сигнали мод знаходяться у протифазі;

4) азимутальний кут і кут місця результуючого сигналу наближається до значень відповідних кутів тих мод, амплітуда яких домінує, тобто залежить від відношення амплітуд (>>1 або ). При (>>1 результуючі кути близькі до першої моди, а при <1 — до другої. Що сильніше виконуються вказані нерів-ності, то менша похибка у визначенні істинних кутів окремих мод.

Про-ве-дено експериментальне дослідження похибок вимірювань ІВК. Для цього на вхід ІВК подавали зразковий сигнал. Аналіз вихідного сигналу дозволив оцінити похибки вимі-рювань комплексу. Визначення довірчих границь випадкової складової похиб-ки вимірювання д проводили на основі ви-зна-чення значення оцінки середньоквадратичного відхилення результату ви-мі-рювання з врахуванням заданої довірчої імовірності і кількості мірянь :

, (5)

де коефіцієнти Стьюдента, які залежать від заданої довірчої імовірності та кількості мірянь .

У створеному ІВК досягнуто такі технічні характеристики, що задо-вільняють основним вимогам:– 

максимальна ефективна площа антенної решітки A = 14000 м2;– 

мінімільна реєстрована густина потоку радіовипромінювання Smin=100 Ян;– 

просторова роздільча здатність у напрямку схід_захід 3,5, а у напрямку північ_південь 15;– 

діапазон робочих частот F = 3 30 МГц;– 

ширина смуги досліджуваного сигналу в режимі кореляційного приймання F=10 кГц; в інших режимах F=17 Гц;– 

стабільність частоти настройки приймачів F/F=510-9;– 

відносна похибка вимірювань обвідної амплітуди 14 ;– 

відносна похибка вимірювань доплерівського зміщення частоти 3;– 

крутизна загасання фільтрів низької частоти (не менше) 3035 dB/октаву;– 

антена забезпечує прийом сигналів з двома лінійними поляризаціями.

У третьому розділі розглянуто радіофізичні методи дистанційного зондування іоносфери, які реалізовані на базі ІВК і адаптовані для експериментальних досліджень штучних АІЗ.

Представлено схему та особливості радіо-астроно-мічного методу зонду-ван-ня іоносфери з використанням як зондуючого радіовипромінювання космічних радіо-джерел, на-ве-дено розроблені методики експериментальних досліджень за цим методом, за-про-поновано модель прийнятого іоносферного сигналу та оцінено його параметри.

Проаналізовано метод слабонахиленого зондування іоносфери. Наве-де-но його схему та методики експериментальних досліджень. Шляхом матема-тич-ного і чисельного моделювання отримані аналітичні залежності дзеркально відбитого від іоносфери сигналу і проведено оцінку параметрів цього сигналу для кількох моделей іоносферного каналу, а саме: із змінною висотою відби-ва-ючо-го плоского екрану, у вигляді плоского іоносферного відбиваючого колив-ного екрану та у вигляді хвильового відбиваючого екрану із синусоїдальним профілем.

Достатньо проста форма отриманих тут співвідношень для опису зако-нів зміни частоти доплерівського зміщенння fд дає можливість порівняти теоретичні графіки з відповідними експериментальними графіками часової залеж-ності величини fд, отримати умови переходу до багатопроменевого прийому, врахувати кути нахилу фронтальної площини.

Розглянуто метод розсіяння радіохвиль на дрібно-масштаб-них неодно-рід-ностях іоносфери. Наведено схему та описані особливості методу розсіяння радіохвиль. Розглянуто теоретичні аспекти використан-ня ефекту розсіяння для дослідження параметрів плазми. Розроблено методику експериментальних досліджень слабких АІЗ на основі цього методу.

Розвинуто метод дистанційної діагностики іоносфери, націлений на раннє виявлення високоенергетичних сейсмо-акустичних явищ в атмосфері Землі шляхом виявлення та ідентифікації АІЗ.

Технічну суть методу складають такі процедури:

1. Дозоване періодичне акустичне збурення іоносфери з поверхні Землі за допомогою НКАВ.

2. Реєстрація впродовж певного часу відгуку іоносфери на це збурення з використанням розроблених методик і створеного ІВК.

3. Формування на основі параметрів відгуку його динамічного інформаційного еталону.

4. Моніторинг стану іоносфери за цими ж методиками до наступного сеансу акустичного збудження і застосування до результатів моніторингу інформаційних технологій виявлення та ідентифікації АІЗ на основі сформованого динамічного інформаційного еталону відгуку іоносфери.

5. Оцінка інфразвукової обстановки на поверхні Землі за результатами моніторингу іоносфери і встановленими закономірностями впливу акустики на іоносферу.

Даний метод відрізняється від відомого Blaunstein, N. Method of earthquake prediction. / United States Patent. 6,246,964. June 12, 2001 наявністю процедур керованого збурення іоносфери акустичною хвилею, отримання еталону відгуку іоносфери на дане збурення та ідентифікації АІЗ на основі сформованого динамічного інформаційного еталону відгуку іоносфери.

Четвертий розділ дисертації присвячено експериментальним дослідженням з допомогою розробленого ІВК.

Наведено результати дослідження радіоіоносферного каналу звязку з використанням вибраної зондуючої радіостанції.

Проаналізовано результати експериментальних досліджень штучних АІЗ радіо-астрономічним методом. Дослідження проводилися на частоті fроб=25 МГц. Акустична хвиля випромінювалася НКАВ, який функціонував в режимі одноразового або n-разового 60-ти секундного звучання з 60-ти секундними паузами між ними. Відповідно до вибраної геометрії експерименту вибиралися космічні радіоджерела, випромінювання яких може взаємодіяти з акустичною хвилею на висотах порядку 100200 км.

Після обробки експериментальних записів (всього проведено 24 сеанси спо-стережень) виявлено імпульсні сплески сигналів (рис.3), поява і часи затрим--ки яких корелюють із роботою НКАВ. У даному методі інформативним пара-мет-ром є час затримки реакції іоносфери відносно початку акустич-ного збурення. Результати статистичної оцінки результатів експериментів за 24 сеансами спос-те-режень радіоджерел подано на рис. у виді гістограми варіацій часу затримки виявлених іоносферних ефектів.

Вважаючи похибки вимірів неза-леж-ними і розподіленими за нормальним законом, побудовано довірчі інтервали центру розподілу і середньо-квадратичного відхилення часів затримок з надій-ністю 95 %.

Рис. 3. Експериментальний запис космічного Рис. 4. Гістограма варіацій часів

радіовипромінювання. затримки АІЗ.

Було розглянуто 5 вибірок і встановлено наявність наступних стійких значень часів затримок у всіх експериментах радіа-строно-мічним методом, що супроводжувалися випромінюванням акустичної хвилі, а саме:  = 5,8 0,5 хв; 20,7 2,3 хв; 29,3 1,3 хв; 41,7 2,3 хв; 59,6 4,2 хв. Це свідчить про причинну обумовленість виявлених іоносферних збурень атмо-сферною акустичною хвилею, генерованою акустичним випро-мінювачем.

Проаналізовано результати експериментальних досліджень штучних АІЗ методом слабонахиленого зондування іоносфери. Як зондуючі викорис-то-ву-ва-ли-ся сигнали спеціальної радіостанції (м. Миколаїв, Львівська область). Робоча частота вибрана після попереднього дослідження радіотрас і склала fроб=6.1МГц < fМЗЧ (максимальна застосовна частота), а кут місця відпо-від-но склав =62. Відбитий від іоносфери сигнал приймали антеною ІВК по двох лінійних поляризаціях, перетворювали в радіотехнічному тракті до проміжної частоти 3 Гц і реєстрували у цифровій формі з частотою дискрети-зації 35 Гц. Сеанс вимірювань передбачав один, два або три цикли включення акустичного випромінювача тривалістю 12 хв кожний.

Всього проведено 39 експериментів. Через 12 хв після початку акус-тич-ного збурення виявлено зростання величини обвідної відбитого іоносферного сигналу та зменшення періоду її флуктуацій в 23 рази (рис.5).

Рис. 5. Часова реалізація обвідної відбитого іоносферного сигналу.

Доплерограму відбитого іоносферного сигналу представлено на рис.6.

Рис. 6. Доплерограма відбитого сигналу від іоносфери до і після її збурення.

Через 30 хв від початку акустичного збурення зареєстровано хвиле-подібні варіації частоти сигналу з амплітудою близько 1,1–1,2 Гц. Такі зміни частоти сигналу свідчать про відгук на проходження в іоносфері збурень, що спричи-не-ні акустичною хвилею.

Проаналізовано результати досліджень штучних АІЗ методом розсіяння радіохвиль на іоно-сферних неоднорідностях.

Робочу частоту сигналу вибрано fроб=16,3 МГц, що перевищує макси-маль-но застосовну частоту fМЗЧ. Розсіяний іоносферний сигнал приймали антеною ІВК при фіксованому куті місця =38,6 по двох лінійних поляризаціях, перетворювали в радіотехнічному тракті до проміжної частоти 3 Гц і реєстрували в цифровій формі з частотою дискретизації 35 Гц.

Всього проведено 7 експериментів. На часових реалізаціях обвідної роз-сіяного іоносферного сигналу прослідковуються певні закономірності їх зміни, які чітко корелюють із початком акустичного збурення. Через проміжок часу близько  хв (рис.7) спостерігається довготривале зростання (1,5–2,5 раза) з коливним характером величини сигналу.

Рис. 7. Часова реалізація обвідної розсіяного іоносферного сигналу.

Такі зміни обвідної роз-сіяного іоносферного сигналу викликані зміною радіолокаційного січення розсіяння за рахунок зміни просторових масштабів іоносферних неоднорідностей.

Спектри потужності розсіяного радіосигналу від збуреної області іоносфери під час проходження через неї штучної акустичної хвилі показано на рис.8.

Аналіз спектрів розсіяного радіосигналу від збуреної області іоносфери дав змогу виявити доплерівський зсув частоти, що є відгу-ком на акустичне збурення. Час появи доплерівського зсуву частоти відповідає розрахунковому часу поширення акустичної хвилі до області розсіяння, а його величина — проекції на напрямок спостереження розрахункової швидкості іоносферного збурення, обумовленого акустичним збуренням.

Рис. 8. Спектри потужності розсіяного радіосигналу від збуреної області іоносфери.

У Висновках сформульовано основні результати роботи.

До Додатку віднесено акт про впровадження.

Висновки

У дисертаційній роботі розв’язано задачу розробки та створення високочутливого інформаційно-вимірювального комплексу на базі фазованої антенної решітки радіотелескопа УРАН-3 для дистанційних досліджень слабких іоносферних збурень, спричинених дією наземного акустичного випромінюваня та проведено його експериментальне випробовування в натурних умовах.

Основні результати роботи полягають в наступному:

1. Запропоновано і розвинуто новий підхід до фізичного моделювання іоносферних збурень, який грунтується на спільному використанні відносно малопотужного наземного керованого акустичного випромінювача та розробленого високочутливого ІВК, що дало змогу провести в натурних умовах експерименти із збурення в іоносфері та дистанційного дослідження в декаметровому діапазоні АІЗ.

2. Розроблено структуру та cтворено високо-чутливий ІВК на базі фазованої антенної решітки декаметрового радіотелескопа УРАН-3 для дослідження слабких АІЗ, спричинених випроміненою за 60 с акустичною енергією на поверхні Землі близько 2106 Дж, що на 45 порядків менше мінімальної акустичної енергії, характерної для науково-дослідних вибухів, які застосовувалися для штучної модифікації іоносфери до цих пір.

3. Розвинуто метод діагностики іоно-сфери, який дозволяє виявляти та ідентифікувати АІЗ на основі динамічного інформаційного еталону відгуку іоносфери на штучне акустичне збурення, що відкриває зокрема перспективи створення системи виявлення сейсмо-іоносферних передвісників високо-енергетичних літосферних явищ.

4. Адаптовані до умов натурного моделювання і реалізовані на базі створеного високочутливого інфор-ма-ційно-вимірювального комплексу радіо-фізичні методи дистанційної діагностики іоносфери, в тому числі радіо-астрономічний метод, метод слабонахиленого зондування іоносфери та метод розсіяння радіохвиль на дрібномасштабних неоднорідностях іоносфери, що дозволило розробити нові методики акусто-електромагнітної діагностики іоно-сфери на їх основі, провести експериментальну апробацію створе-ного інформаційно-вимірювального комплексу і експериментально підтвердити можливість виявлення та ідентифікації за його допомогою слабких акусто-іоносферних збурень штучного походження.

5. Проведено експериментальну апробацію створеного інфор-ма-ційно-вимірювального комплексу шляхом натурного моделювання процесів літо-сферно-іоносферної взаємодії на основі використання наземного керо-ваного акустичного випромінювача. Це дало змогу виявити ряд інфор-ма-цій-них ознак іоносферних сигналів, які можна використати для розробки інфор-маційних технологій виявлення та ідентифікації слабких акусто-іоносферних збурень у процесі дистан-ційного радіозондування іоносфери, а саме:

- зростання інтенсивності космічного радіовипромінювання в розра-хун-ковий часовий проміжок проходження акустичної хвилі через іоносферу (=5,8 0,5 хв від початку акустичного збурення);

- поява повторних відгуків в сигналах космічного радіовипромінювання з різним запізненням відносно початку акустичного збурення 20,7 ± 2,2хв; 29,3 ± 1,3хв; 41,7 ± 2,3хв; 59,6 ± 4,2хв;

- зростання амплітуди і зміну характеру амплітудних флуктуацій відбитого іоносферного сигналу через 1213 хв після початку акустичного збудження з тривалістю ефекту близько 1 хв;

- доплерівський зсув частоти відбитого іоносферного сигналу, характерне для рухомих іоносферних збурень з періодом 18 хв, через 30 хв від початку акустич-ного збурення;

- квазіперіодичні коливання обвідної розсіяного іоносферного сигналу, корельовані із початком акустичного збурення;

- доплерівський зсув частоти розсіяного іоносферного сигналу, який відповідає розрахунковому значенню швидкості вертикального пере-міщення іоносферних неоднорідностей, близькому до величини швидкості поширення звуку в атмосфері.

Інформаційно-вимірювальний комплекс впроваджено в Львівському центрі Інституту космічних досліджень НАН України та НКА України для проведення наукових досліджень.

публікації за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

анотації

Івантишин О.-М.Л. Інформаційно-вимірювальний комплекс на базі радіотелескопа УРАН-3 для дослідження слабких акусто-іоносферних збурень. — Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 — Інформаційно-вимірювальні системи. — Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, 2007.

Встановлено основні властивості акусто-іоносферних збурень природ-ного і техногенного походження і визначено радіофізичні методи дистанційного зондування іоносфери, потенційно придатні для виявлення зазначених збурень назем-ними засобами. Розвинуто новий підхід до фізичного моделювання іоносферних збурень, який ґрунтується на вико-ристанні наземного керованого акустичного випромінювача та інформаційно-вимірювального комплексу.

Розроб-ле-но, створено і досліджено висо-ко-чутливий інфор-ма-ційно-вимірю-вальний комплекс на базі дека-метрового радіо-телес-копа УРАН-3. На основі про-ве-дених теоретичних дослі-джень і результатів експериментальної апробації інформаційно-вимірювального комплексу шляхом натурного моделювання процесів літосферно-іоносферної взаємодії виявлено низку характерних інфор-ма-цій-них ознак сигналів, які отри-мано у процесі дистан-цій-ного акусто-електро-магнітного зондування іоносфери в результаті взаємодії зондуючих радіохвиль з модифікованою акустичними хвилями облас-тю іоно-сфери за рахунок ефектів відбиття, розсіяння або проходження радіо-хвиль.

Розвинуто метод діагностики іоно-сфери, який дозволяє виявляти та ідентифікувати АІЗ на основі динамічного інформаційного еталону відгуку іоносфери на штучне акустичне збурення, що відкриває зокрема перспективи створення системи виявлення сейсмо-іоносферних передвісників високо-енергетичних літосферних явищ.

Ключові слова: інформаційно-вимірювальний комплекс, акустичний випро-мінювач, штучні акусто-іоносферні збурення, радіозондування іоносфери.

Ивантишин О.-М.Л. Информационно-измерительный комплекс на базе радиотелескопа УРАН-3 для исследования слабых акусто-ионосферных возмущений. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.11.16 — Информационно-измерительные системы. — Физи-ко-механический институт им. Г. В. Карпенка НАН Украины, г. Львов, 2006.

Установлены основные свойства акусто-ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения и определены радиофизические методы дистанционного зондирования ионосферы, потенциально пригодные для выявления указанных возмущений наземными средствами.

Развит новый подход к физическому моделированию ионосферных возмущений, который базируется на использовании назем-но-го управляемого акустического излучателя и информа-ционно-измерительного комплекса. Разработан, создан и исследован вы-соко-чув-стви-тельный информа-ционно-измерительный комплекс на базе декаметрового радиотелескопа УРАН-3. На основе проведенных теорети-чес-ких исследований и результатов экспери-мен-тальной апробации информа-ционно-измерительного комплекса путем натурного моделирования процессов литосферно-ионосферного взаимо-действия выявлен ряд характерных инфор-мационных признаков сигналов, полученных в процессе дистанционного акусто-электромагнитного зонди-рования ионосферы в результате взаимо-действия зондирующих радиоволн с модифицированной областью ионосферы за счет эффектов отражения, рассеяния или прохождения радиоволн.

Развит метод диагностики ионосферы, который позволяет выявлять и идентифицировать акусто-ионосферные возмущения на основе информа-цион-ного эталона отклика ионосферы на искусственное акустическое возмущение, что открывает в частности перспективы создания системы выявления сейсмо-ионосферных предвестников природных высоко-энергетических литосферных явлений.

Ключевые слова: информационно-измерительный комплекс, акусти-чес-кий излучатель, искусственные акусто-ионосферые возмущения, радиозондиро-вание ионосферы.

Ivantyshyn O.-М.L. Informative measuring complex on the basis of the radiotelescope URAN - 3 for investigations of the weak acousto-ionospheric distur— Manuscript.

Thesis intended for obtaining of the scientific degree of the Candidate of Engineering Science (speciality 05.11.16 - informative-measuring systems). — Karpenko Physiko-Mechanical Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2007.

The basic properties of the natural and artificial acousto-ionospheric disturbances are determined. The radiophysical methods of ionosphere remote sounding, potentially suitable for revealing specified disturbances by groundbased facility are defined.

The approach to physical modeling of the ionospheric disturbances is advanced. It’s based on use of acoustic radiator and high-sensitive ground system for remote ionosphere radio sounding. Informative measuring complex based on the decameter radio telescope URAN-3 was created and investigated. It make possible to carry out ionosphere researches by radio-astronomy method using radiation from cosmic radio sources and methods of one-jumped small inclined sounding of the ionosphere and radio waves scattering on small-scale plasma inhomogeneities using the signal of broadcast radio stations as a sounding one. The observations realizes in three modes:

- researches of radio signal declination;

- amplitude and polarization measurements of the signal and it frequency Doppler shift measurements;

- interferometric researches of the radiation from cosmic radio sources.

Created complex will allow to carry out an experimental researches directed on modeling of the acoustic channel in natural lithosphere-atmosphere-ionosphere system during a high-energy action of the phenomena in lithosphere, on terrestrial surface and in atmosphere, which are exciting the intensive acoustic disturbances (earthquake, eruption of volcanos, rockets launching, powerful explosions).

As a result of the theoretical and experimental researches that were carried out the information characteristic of signals were defined.

The acousto-electromagnetic method of ionosphere diagnostics was advanced. It may be used as a basis for development of