НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ім. О.Я. УСИКОВА

Кащеєв Антон Сергійович

УДК 621.396; 621.371; 550.388

ДИСТАНЦІЙНЕ ЗОНДУВАННЯ ХВИЛЬОВИХ ЗБУРЕНЬ ІОНОСФЕРИ

ТА МОРСЬКОЇ ПОВЕРХНІ В КОРОТКОХВИЛЬОВОМУ ДІАПАЗОНІ

01.04.03 – радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертація на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Радіоастрономічному інституті Національної академії наук України, м. Харків

Науковий керівник: | кандидат фізико-математичних наук, с.н.с Галушко Володимир Григорович,

Радіоастрономічний інститут Національної академії наук України, м. Харків, с.н.с. відділу радіофізики геокосмосу

Офіційні опоненти: | доктор фізико-математичних наук, професор Ківва Фелікс Васильович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України, зав. відділу поширення радіохвиль у природних середовищах

кандидат фізико-математичних наук, професор Тирнов Олег Федорович,

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України, зав. кафедри космічної радіофізики

Захист відбудеться “_27_” _ вересня__ 2007 р. о _1500_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України (61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури 12, у залі засідань)

З дисертацією можна ознайомитися у науковий бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України за адресою: 61085, Харків - 85, вул. Ак. Проскури, 12.

Автореферат розісланий “_22_” __серпня___2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Рудь Л.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Динамічні процеси, що відбуваються в атмосфері Землі і на поверхні океану, мають низку спільних проявів. До них, в першу чергу, належить збудження хвилеподібних збурень (ХЗ), так званої гравітаційної компоненти морського хвилювання та внутрішніх атмосферних гравітаційних хвиль (АГХ). Незважаючи на аперіодичний характер поведінки більшості природних впливів на поверхню океану і атмосферу, обидва середовища згідно з дисперсійними властивостями “фільтрують” певні спектральні компоненти збурень, які можуть поширюватися у вигляді хвильових утворень на значні відстані від джерел. Гравітаційна компонента морського хвилювання відіграє важливу роль при енергетичній взаємодії з атмосферою, прибережними регіонами суші та різних ділянок світового океану між собою. АГХ в свою чергу підтримують обмін енергією в атмосферній товщі від висот тропосфери до верхньої атмосфери.

У зв’язку з цим вивчення хвильових процесів на поверхні океану і в навколоземному просторі являє значний науковий та практичний інтерес. Діагностика та прогнозування морського хвилювання має важливе значення для розв’язання задач мореплавства, риболовства, геологорозвідки шельфової зони та ін. Моніторинг АГХ та їх плазмових проявів в іоносфері, так званих рухомих іоносферних неоднорідностей (РІН), є безпосередньо затребуваним для проектування та адаптації численних супутникових радіосистем зв’язку, навігації, дистанційного зондування Землі, а також їх наземних аналогів. В останні роки інтерес до ХЗ в навколишньому просторі значно зріс в зв’язку з техногенними джерелами їх генерації. Наприклад, в атмосфері до числа природних джерел, таких, як погодні фронти, землетруси, виверження вулканів, полярні активації, додалися штучні генератори – промислові та воєнні вибухи, старти потужних ракет, аварійні теплові, радіаційні та хімічні викиди, випромінювання надпотужних нагрівних стендів та ін.

Відзначені мотивації у свою чергу стимулюють створення діагностичних методів, які здатні виявляти ХЗ, відновлювати їх характеристики, візуалізувати просторову структуру, локалізувати джерела збудження. Безумовну перевагу мають дистанційні методи радіозондування схвильованої морської поверхні та атмосферних гравітаційних хвиль, що дозволяють на великих відстанях реалізовувати безконтактну діагностику досліджуваних хвильових процесів. Їх удосконалення та розвиток є актуальною радіофізичною задачею, розробці якої присвячена дана дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати досліджень, представлені у дисертації, було отримано у рамках таких наукових програм та науково-дослідних робіт:

1) Теми, що було виконано за Розпорядженням Президії НАН України – НДР “Радіофізичні дослідження космічного простору – близький та далекий космос”, шифр “Ямб” (№ держ. реєстр. 0100U006426); НДР “Дослідження хвильових процесів в космічному просторі та космічна погода”, шифр “Ямб-2”; НДР “Розвиток радіофізичних методів діагностики навколоземного простору та дослідження механізмів взаємодії геосферних оболонок”, шифр “Антипод”; НДР “Дослідження впливу атмосферних фронтів на плазмові та електромагнітні параметри іоносфери”, шифр “Циклон”.

2) Робота, що була проведена за тематикою Міністерства освіти і науки України – НДР “Антарктичні іоносферні дослідження”, шифр “Антарктида”.

3) Міжнародні проекти – “Розробка методів зондування і візуалізації хвильових збурень для створення світової КХ мережі моніторингу іоносфери”, проектні угоди №827 и №827с Українського науково-технологічного центру.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток та апробація радіофізичних методів дистанційної діагностики хвильових процесів в атмосфері Землі і на поверхні світового океану.

Задачі дослідження:

- розробка, апробація та калібрування експериментального КХ комплексу, що призначений для розв’язання задач дистанційної діагностики хвильових збурень іоносфери та морської поверхні;

- розвиток методів дистанційного радіозондування морської поверхні та іоносфери;

- комп’ютерне моделювання траєкторних параметрів пробних КХ сигналів, які відбиваються/розсіюються поверхнею, що діагностується, з метою перевірки запропонованих алгоритмів;

- проведення натурних експериментів, обробка та інтерпретація отриманих даних.

Об’єктом дослідження є хвильові динамічні процеси в іоносфері Землі та на поверхні світового океану.

Предмет дослідження складає вплив атмосферних гравітаційних хвиль в іоносфері та гравітаційної компоненти морського хвилювання на траєкторні параметри радіохвиль КХ діапазону, що відбиваються від іоносфери та морської поверхні.

Методи дослідження. В роботі використовувалися експериментальні та теоретичні методи радіофізичних досліджень, а також комп’ютерне моделювання. Для розв’язання прямої та зворотної задач діагностики рухомих іоносферних неоднорідностей було використано методи геометричної оптики з урахуванням малості амплітуди неоднорідностей. Зворотні задачі було розв’язано в спектральній області у статистичній та динамічній постановках. Для дослідження ефекту резонансного розсіяння пробного сигналу схвильованою морською поверхнею були застосовані методи теорії розсіювання в борновскому наближенні. Для чисельного аналізу теоретичних результатів та перевірки стійкості розвинених методів дистанційного радіозондування РІН і морського хвилювання використовувалося комп’ютерне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1) Вперше реалізовано двопозиційну схему дистанційної КХ радіодіагностики схвильованої морської поверхні з використанням у якості зондуючих сигналів випромінювання широкомовних станцій, що відбивається від іоносфери, та розташуванням приймального пункту на борту судна.

2) Реалізовано метод дистанційної КХ радіодіагностики рухомих іоносферних неоднорідностей в моделі ідеально відбиваючої поверхні у схемі вертикального зондування. Для цього вперше у якості інформаційних параметрів було використано комбінацію кутів приходу, доплерівського зсуву частоти та часу групової затримки пробних сигналів.

3) Розроблено двопозиційний діагностичний КХ комплекс радіозондування рухомих іоносферних неоднорідностей для установлення на Антарктичній станції “Академік Вернадський”. Проведено довгострокові спостереження хвильових збурень в Антарктиці, визначено основні характеристики та проведено ідентифікацію джерел збудження РІН.

Практичне значення одержаних результатів. Методи діагностики рухомих іоносферних неоднорідностей та морського хвилювання, що реалізовані в даній роботі, використано для досліджень ХЗ в Антарктиці та акваторії Атлантичного океану. Метод дистанційного радіозондування морської поверхні може бути застосований для розв’язання задач океанографії та навігації. Дані, які були отримані у ході експериментів з двопозиційного зондування поверхні світового океану, стимулювали розвиток теорії резонансного розсіювання радіохвиль КХ діапазону схвильованою морською поверхнею. Розроблене програмне забезпечення для відтворення параметрів РІН використовується у цифрових іонозондах (Digisonde Portable Sounders) Центру атмосферних досліджень Массачусетского університету (Леуелл, США).

Запропоновані в роботі методи можуть бути використані у подальшому для глобальної діагностики хвильових процесів на поверхні океану та у навколоземній плазмі.

Особистий внесок здобувача. Здобувач особисто або у співавторстві брав участь у розв’язанні усіх задач, які було розглянуто в дисертаційної роботі, а саме:

- у розвитку та апробації методів дистанційної КХ радіодіагностики рухомих іоносферних неоднорідностей;

- у створенні методу двопозиційного дистанційного КХ радіозондування схвильованої морської поверхні;

- в удосконаленні приймально-обчислювального комплексу, його випробуваннях та калібруванні, у створенні пакету оригінальних прикладних програм, у проведенні натурних експериментів та обробці і інтерпретації отриманих даних.

В роботах [-] автор брав участь в обробці та аналізі даних, що були отримані у ході експериментів, чисельному моделюванні спектрів розсіювання КХ радіосигналів схвильованою морською поверхнею у рамках оригінальної теоретичної моделі.

В роботах [-] здобувач брав участь у створенні, перевірці стійкості та точності, а також у чисельному моделюванні розроблених алгоритмів. Ним було розроблено спеціальне програмне забезпечення для відтворення параметрів рухомих іоносферних неоднорідностей. Також брав безпосередню участь у проведенні довгострокових експериментів з діагностики РІН в Україні та Антарктиці, а також в обробці та інтерпретації результатів зондування. Ним створено базу даних РІН для різних географічних регіонів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були пердставлені та докладені на наступних наукових конференціях та семінарах:

- Друга Харківська конференція молодих вчених, Радіофізика та НВЧ електроніка, (Харків, 2002);

- Second Ukrainian Antarctic Meeting, (Kiev, 2004);

- Міжнародна Байкальська молодіжна наукова школа з фундаментальної фізики, VIII Сесія молодих вчених “Астрофізика та фізика навколоземного космічного простору”, (Росія, Іркутськ, 2005);

а також на семінарах відділу “Радіофізика геокосмосу” РІНАН України.

Публікації. За матеріалами, що увійшли до дисертації, опубліковано 7 статей у наукових журналах, 3 тези у збірниках міжнародних конференцій.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох тематичних глав та висновків. Робота містить 134 сторінки тексту, з них 122 основного тексту, 37 рисунків та 4 таблиці. Список використаних джерел містить 96 найменувань на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність досліджень, сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи, наведено основні результати, які становлять новизну роботи, та їх практичну значущість, визначено особистий внесок здобувача, подано дані відносно апробації результатів, кількості публікацій за темою роботи, а також коротко наведено зміст кожного із розділів роботи.

Перший розділ присвячено огляду сучасних радіофізичних методів дистанційної діагностики хвильових збурень в іоносфері та на морській поверхні. В пункті 1.1 розглянуто особливості існуючих радіофізичних методів діагностики рухомих іоносферних неоднорідностей. Дослідження таких збурень проводяться в основному за допомогою радарних методів. Найбільш поширеним серед них є метод вертикального зондування (ВЗ). За допомогою методу ВЗ накопичено основний об’єм інформації про хвильові збурення в іоносферній плазмі, та до цього часу проводиться регулярний моніторинг в багатьох регіонах Землі. Його недоліком є низька точність, а також необхідність використовування декількох просторово рознесених пунктів. Доплерівські методи засновані на вимірюванні доплерівського зсуву частоти пробних сигналів з використовуванням декількох рознесених у просторі приймальних або передаючих пунктів, що дозволяє відновлювати напрямок руху та швидкість руху РІН. Їх обмеженням є невелика інформативність та, як і для методу ВЗ, необхідність застосування межі приймальних/передаючих установок. Метод вимірювання повного електронного вмісту (ПЕВ), заснований на просвічуванні іоносфери радіосигналами з частотами, які значно перевищують плазмову в максимумі електронної концентрації, що знімає залежність ефективності цього методу від іоносферних умов. Одночасний прийом сигналів в просторово-рознесених пунктах дозволяє відновлювати інтерференційну картину ПЕВ, за допомогою якої можна оцінити параметри РІН. Найбільш інформативним та точним, з моменту винаходу його Гордоном у 1958 р., є метод некогерентного розсіювання (НР) радіохвиль. Дослідження розсіяного випромінювання дозволяють визначати не тільки електронну концентрацію, але й іонні та електронні температури, швидкість дрейфу плазми, іонний склад та інші плазмові параметри. Однак наявність обмеженої кількості установок НР (у світі їх 9) та значні матеріальні і енергетичні витрати, що необхідні для проведення спостережень, не дозволяють використовувати його для глобального моніторингу хвильових збурень Землі. Наприкінці минулого сторіччя в РІНАН був розроблений метод частотно-кутового зондування РІН, який засновано на вимірюванні траєкторних параметрів КХ сигналів (кутів приходу та доплерівського зсуву частоти) на похилих радіотрасах. Він дозволяє не тільки відтворювати параметри (амплітуду, довжину хвилі, напрямок та швидкість руху) з вимірювань в одному пункті, але і надає можливість візуалізації самих збурень. Його основною перевагою є простота та відносна дешевизна експлуатації, оскільки у якості пробних сигналів використовується випромінювання широкомовних станцій. Однак застосування такого методу обмежено можливістю використовування тільки для похилого зондування. У пункті 1.2 проведено огляд існуючих методів дистанційного радіозондування поверхні світового океану. Для діагностики схвильованої морської поверхні використовуються методи високочастотного (ВЧ) на надвисокочастотного (НВЧ) дистанційного радіозондування. Для реалізації методів ВЧ радіодіагностики, як правило, застосовуються однопозиційні установки, які розташовані на березі або на борту судна, дальність дії яких складає декілька десятків кілометрів. Відомі випадки створення іоносферних загоризонтних локаторів, дальність дії яких досягає декількох сотень – тисячі кілометрів. Однак їх застосування обмежено значними матеріальними та енергетичними витратами. Розташування однопозиційних локаційних установок на борту судна дозволяє визначати параметри хвилювання на значних відстанях від берега. Але в цьому випадку виникає низка проблем, що пов’язані з розміщенням на судні громіздких спрямованих антен. З розвитком НВЧ техніки та появою штучних супутників Землі велике поширення отримав метод дистанційної діагностики морського хвилювання радіосигналами НВЧ діапазону з розташуванням зондуючих приймально-передаючих установок на борту літака або супутника. Дослідження спектру розсіяного/відбитого поверхнею океану сигналу надають можливість відновлювати такі параметри морського хвилювання, як амплітуда та напрямок руху. Перевагою методу є можливість використання його для глобальної діагностики поверхні світового океану. Однак його реалізація потребує застосування дорогого супутникового обладнання та додаткового каналу передачі даних. У теперішній час дослідження океану за допомогою радарних технологій є одним з тих напрямків океанології, які найбільш активно розвиваються. Дослідження параметрів та пошук джерел збудження хвильових збурень іоносфери та морської поверхні за допомогою дистанційного радіозондування проводяться більш ніж піввіку, але ж і до цього часу актуальною задачею є розробка сучасних більш дешевих та ефективних методів для діагностики таких процесів.

Другий розділ дисертації містить опис приймально-обчислювального комплексу (ПОК), який було модифіковано при виконанні даної роботи та призначено для розв’язання задач КХ радіодіагностики хвильових процесів в іоносфері Землі та на морської поверхні. Розглянуто існуючі різновиди ПОК. Наведено параметри створеного в Радіоастрономічному інституті НАН України малогабаритного передаючого комплексу. У пункті 2.1 розглянуто методи реєстрації траєкторних параметрів та часу групової затримки пробних сигналів. Для побудови комплексу було обрано метод фазової пеленгації з доплерівською фільтрацією, що заснований на розділенні інтерферуючих просторових компонент у спектральній області за рахунок відмінності їх доплерівських зсувів частоти, та застосуванні до кожної з них стандартних алгоритмів різницево-фазової пеленгації. Час групової затримки оцінюється за моментом приходу переднього фронту зондуючого сигналу. Сформульовано основні технічні вимоги до ПОК. У пункті 2.2 розглянуто роботу приймально-обчислювального комплексу на рівні функціональної схеми та описано призначення основних його складових. ПОК складається з антенно-фідерної системи, каналу вимірювання траєкторних параметрів, широкосмугового каналу вимірювання часу групової затримки, а також системи управління, реєстрації та обробки даних (СУРО). У пункті 2.3 докладно розглянуто функціональну схему та призначення окремих блоків СУРО. Вона призначена для управління режимами роботи ПОК, реєстрації та відображення вхідних сигналів, а також результатів первинної обробки та формування архіву отриманих даних. СУРО включає до себе аналогово-цифровий перетворювач, приймач GPS (Global Position System), блок перетворювання інтерфейсів та персональний комп’ютер зі спеціальним програмним забезпеченням. Пункт 2.4 містить результати лабораторних та польових випробувань ПОК. Основну увагу було приділено оцінці довгострокової нестабільності різницево-фазових характеристик приймальних пристроїв. Для цього на входи приймачів було подано калібрувальний сигнал, а на їх виходах реєструвалася міжканальна різниця фаз. Застосування спеціальної системи компенсації дозволило зменшити апаратурні флуктуації різниці фаз до десятих долів градуса, та як наслідок істотно покращити точність пеленгації. Наступним етапом перевірки ПОК була робота з реальними сигналами. Приймальний пункт було розташовано на території радіоастрономічної обсерваторії РІНАН України (с. Граково, Харківської області). У якості джерела пробних сигналів було обрано радіостанцію служби точного часу та частоти РВМ (м. Москва). Вибір даної радіостанції був обумовлений тим, що характер варіацій на цій радіотрасі було добре вивчено у ході вимірювальних кампаній за допомогою радіотелескопу УТР-2. У ході роботи було розроблено мобільний варіант ПОК, призначений для роботи в специфічних умовах Антарктиди. Його особливістю є малі габарити та вага, а також низьке енергоспоживання. Установка та випробування цього комплексу було проведено в Антарктиці під час сезонних робіт 7-ої Української антарктичної експедиції (УАЕ) на українській антарктичній станції “Академік Вернадський”. Працездатність комплексу було перевірено по сигналам зв’язних передатчиків російської антарктичної станції “Беллінсгаузен” та польської антарктичної стації “Генріх Арцтовськи”. Результати перевірки показали високу надійність комплексу як в середньо, так і в високоширотних умовах. Комплекс дозволяє з високою точністю визначати кути приходу (кут міста та азимут ) – не гірше 0,5 градусів, доплерівський зсув частоти – 0,05 Гц та час групової затримки – 10-20 мкс.

У третьому розділі реалізовано двопозиційний дистанційний метод зондування морської поверхні, заснований на вимірюванні спектральних характеристик КХ радіосигналів, що розсіяно поверхнею моря, при значному розносі між приймальним та передаючим пристроями. Приймальний пристрій розташовано на борту судна. У якості пробних сигналів використовується випромінювання наземних широкомовних станцій, що пройшло крізь іоносферний канал. У пункті 3.1 сформульовано пряму задачу визначення спектру сигналу, що було розсіяно схвильованою морською поверхнею. При постановці задачі було враховано наступні умови:

) кінцева провідність поверхні;

) поширення розсіяних хвиль під пологими кутами;

) розташування приймальної антени в межах освітленої площадки морської поверхні, що розсіює;

) кінцевий розмір та підняття антени над рівнем моря;

) реєстрація розсіяного випромінювання у діапазоні азимутальних кутів 02;

) наявність поверхневої течії;

) рух приймача.

У пункті 3.2 наведено основні співвідношення та розв’язано пряму задачу визначення спектру сигналу, що розсіяно морською поверхнею, з використанням методу малих збурень. Проведено порівняння отриманих результатів з літературними даними. В пункті 3.3 описано організацію експерименту на борту науково-дослідницького судна “Горизонт”. Дослідження було проведено у ході 7-ої УАЕ. У якості пробних сигналів використовувалося випромінювання наземних широкомовних станцій КХ діапазону, що пройшло крізь іоносферний канал. Для прийому та обробки зондуючих сигналів було використано ПОК, який описаний у главі 2. Проведено аналіз динамічних спектрів прийнятих сигналів, що відповідають різним іоносферним та метеорологічним умовам, викладено методику обробки отриманих у ході експерименту даних. В пункті 3.4 описано методику чисельних розрахунків у рамках запропонованої в пункті 3.2 теоретичної моделі. У якості вхідних параметрів задачі задавалися робоча частота , хвильовий вектор , комплексна діелектрична проникність морської води , швидкість вітру кут між напрямком вітру та лінією візування , довжина траси поширення . Вихідними параметрами розрахунків був спектр розсіяного морем сигналу. Наведено приклади чисельного моделювання для різних моделей спектру морського хвилювання. Проведено численні зіставлення розрахункових та експериментальних спектрів. Найкращу їх відповідність було здобуто тоді, коли вхідними даними моделювання були реальні метеорологічні параметри, що було отримано за допомогою бортової метеостанції. Як приклад на рис. 1 наведено результати такого порівняння. По горизонтальній осі відкладено зсув частоти відносно максимуму іоносферного сигналу, що нормований на брегівську частоту для випадку однопозиційної локації поверхневою хвилею. По вертикальній осі відкладено амплітуду спектральних складових в відносних одиницях. З метою уникнути накладення спектрів, криві було рознесено одну від одної на 100 одиниць. Модельні криві 1, 3, 4 було розраховано для швидкостей вітру 5, 10 та 15 м/с. Видно, що найкраща відповідність експериментальної кривої 2 спостерігається з кривою 3, що відповідає реальним метеоумовам, які мали місце під час експерименту.

У четвертому розділі дисертації отримав подальший розвиток метод частотно-кутового зондування іоносфери, що був розроблений в РІНАН України. Метод засновано на вимірюванні траєкторних параметрів (кутів приходу та доплерівського зсуву частоти) пробних КХ сигналів на похилих однострибкових радіотрасах. Разом з тим є доцільним поширення його застосування на випадок вертикального зондування. В пункті 4.1 реалізовано метод діагностики рухомих іоносферних неоднорідностей, який не має обмежень на довжину радіотраси та може бути використаним як для похилого, так і вертикального зондування хвильових збурень іоносфери. У якості додаткового параметра пробних сигналів у порівнянні з базовим методом було обрано час групової затримки. У підпункті 4.1.1 сформульовано пряму задачу у моделі ідеально відбиваючої поверхні , що рухається на іоносферних висотах. У припущенні про малість флуктуації її висоти та нахилів , отримано систему рівнянь, які зв’язують вимірювані параметри сигналів з характеристиками РІН. Система дозволяє формулювати зворотну задачу діагностики РІН у статистичній та динамічній постановках. В підпункті 4.1.2 наведено розв’язання зворотної задачі у статистичній постановці, що дозволяє знайти частотно-кутовий спектр кореляційній функції поверхні для певних класів моделей. В підпункті 4.1.3 розв’язано зворотну задачу у динамічній постановці, що дозволило зв’язати поточні варіації вимірюваних параметрів зі спектральними характеристиками збурень: спектром флуктуацій висоти відбиваючої поверхні, напрямком руху та законом дисперсії РІН, а також візуалізувати саме збурення. В підпункті 4.1.4 з метою перевірки запропонованого методу було проведено ряд чисельних експериментів. За допомогою спеціально створеної програми чисельного інтегрування променевих траєкторій в неоднорідному середовищі розраховувалися кути приходу, доплерівський зсув частоти та час групової затримки сигналів для заданих параметрів радіотраси та модельних неоднорідностей. Розраховані варіації параметрів сигналів використовувалися у якості вхідних даних для розв’язання зворотної задачі у відповідності з запропонованим алгоритмом. Порівняння результатів відтворення з вихідними параметрами збурень показало, що похибка визначення амплітуди, швидкості руху та довжини хвилі РІН не перевищує 1-2%, а напрямок руху неоднорідностей відновлюється з точністю 1-2 градуса, що свідчить про високу ефективність запропонованого методу діагностики іоносферних збурень. Після комп’ютерного моделювання метод було застосовано для обробки даних реальних експериментів. Вимірювання проводилися в основному на двох радіотрасах: похилої Москва – Граково ( км) та квазівертикальної Гайдари – Граково ( км). Усього було проведено понад 300 часів вимірювань, у більшості котрих спостерігалися хвилеподібні іоносферні збурення. Обробка таких даних за допомогою запропонованого діагностичного методу дозволила оцінити основні параметри РІН та візуалізовать самі збурення. В якості прикладу на рис 2. наведено фрагмент ефективної відбиваючої поверхні. Результати обробки усього масиву даних вимірювань показали, що найбільш ймовірний період РІН склав 20-30 хвилин при амплітуді 2-10 км, швидкості руху неоднорідностей лежали у інтервалі 150-500 м/с, а горизонтальний розмір (довжина хвилі) дорівнював 200-1000 км, що знаходится у гарній відповідності до відомих з літератури даних.

Модель РІН у вигляді схвильованої відбиваючої поверхні є достатньо наочною та дозволяє легко інтерпретувати дані вимірювань. Однак виникають деякі труднощі при аналізі амплітуди збурень, що пов’язано з використанням істотно спрощеної моделі. Зокрема, варіації частот відбиваючої поверхні не можуть бути безпосередньо пов’язані з реальними флуктуаціями електронної концентрації. У зв’язку з цим в пункті 4.2 було реалізовано діагностичний метод для РІН у найбільш реальній моделі тривимірних хвиль щільності електронної концентрації, що поширюються в іоносферному шарі. В підпункті 4.2.1 сформульовано пряму задачу та наведено основні співвідношення. Пряма задача розв’язана у геометрооптичному наближенні за допомогою методу малих збурень для ейконала. Отримано систему рівнянь, що зв’язують вимірювані параметри (кути приходу та доплерівський зсув частоти) з характеристиками збурень. В підпункті 4.2.2 наведено результати вирішення зворотної задачі у спектральній області у статистичній та динамічній постановках. У рамках статистичного наближення стає можливим відновити просторово-кутовий спектр збурень плазмової компоненти іоносферного шару. Розв’язання задачі у динамічній постановці дало можливість зв’язати спектри флуктуацій вимірюваних параметрів із спектральними параметрами збурень: законом дисперсії, напрямком руху та спектром неоднорідностей. Завдяки застосуванню більш фізичної моделі, на відміну від методу, що було запропоновано у пункті 4.1, амплітуда збурень відображує реальні варіації електронної концентрації, що спрощує інтерпретацію отриманих даних та порівняння їх з даними інших відомих діагностичних методів. В підпункті 4.2.3 для перевірки запропонованого методу проведено комп’ютерне моделювання, схема якого є аналогічною описаній у пункті 4.1.4. Порівняння отриманих результатів із вхідними даними чисельного моделювання показало працездатність та високу стійкість запропонованого алгоритму. З метою апробації розроблений діагностичний метод було застосовано для обробки даних реальних експериментів. Пробні вимірювання проводилися на радіотрассі Москва – Граково. У якості джерела пробних сигналів використовувалась станція служби точного часу та частоти РВМ. Результати тестування показали високу ефективність та надійність запропонованого методу. Основний об’єм експериментальних даних було отримано на радіотрасі, що лежить в межах Антарктичного півострову. Передавач, що було описано у главі 2, був установлений на польській антарктичній станції “Генріх Арцтовськи”. Мобільний приймально-обчислювальний комплекс був розташований на українській антарктичній станції “Академік Вернадський”. Довжина траси складала км. Усього було проведено понад 1000 годин вимірювань, в значній частині яких спостерігалися іоносферні збурення хвилеподібного характеру. Результати обробки накопиченого у ході вимірювань масиву даних показали, що найбільш імовірні періоди РІН склали 20-80 хвилин (рис. 3 а), при амплітуді 2-10 % (рис. 3 б). Швидкості руху при цьому лежали у межах 100-400 м/с (рис. 4 а), а горизонтальний розмір (довжина хвилі) склав близько 200-1000 км (рис. 4 б), що знаходиться у гарній відповідності до відомих з літератури даних. Як правило, збурення спостерігалися у нічний час (рис. 5). Відсутність неоднорідностей у денний час може бути зв’язаною з впливом спорадичного шару E. Напрямки руху РІН близькі до нормалей до східного та західного термінаторів (рис. 6), що дозволяє говорити про них як про регулярні джерела хвильових збурень в іоносфері. Меридіональний напрямок можна асоціювати з неоднорідностями, що викликані геомагнітними збуреннями у високих широтах.

ВИСНОВКИ

В ході проведених у рамках дисертаційної роботи досліджень було отримано наступні результати:

1) Реалізовано схему двопозиційного КХ радіозондування схвильованої морської поверхні з використанням випромінювання наземних широкомовних станцій, що пройшло крізь іоносферний канал, при значному рознесенні передаючих та приймального пункту, який розташований на борту судна.

2) Узагальнено метод частотно-кутового зондування іоносфери, що був розроблений в РІНАН України, для діагностики рухомих іоносферних неоднорідностей у моделі ідеально відбиваючої схвильованої поверхні на випадок вертикального зондування.

3) Обґрунтовано та реалізовано можливість відтворення параметрів іоносферних неоднорідностей методом частотно-кутового зондування з використанням моделі РІН у вигляді тривимірних хвиль електронної концентрації, що поширюються в іоносферному шарі.

4) Проведено довгострокові спостереження рухомих іоносферних неоднорідностей в районі Антарктичного півострову. Визначено основні характеристики РІН та проаналізовано джерела їх збудження.

Слід відмітити, що розроблені діагностичні методи дозволяють використовувати неспеціальні види випромінювання, наприклад, сигнали широкомовних станцій. Враховуючи наявність великої кількості таких передавачів, можна говорити про створення реальних передумов для використання запропонованих методів у системі глобальної діагностики хвильових процесів на поверхні океану та в навколоземній плазмі.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Брюховецкий А. С., Кащеев А. С., Кащеев С. Б., Ямпольский Ю. М. Двухпозиционное КВ рассеяние взволнованной морской поверхностью, Часть 1, теория // Радиофизика и радиоастрономия. - 2003. - 8. - №3. - С. 235-241.

2. Брюховецкий А. С., Кащеев А. С., Кащеев С. Б., Колосков А. В., Пикулик И. И., Ямпольский Ю. М. Двухпозиционное КВ рассеяние взволнованной морской поверхностью, Часть 2, эксперимент // Радиофизика и радиоастрономия. - 2003. - 8. - №3. - С. 242-252.

3. Брюховецкий А. С., Кащеев А. С., Кащеев С. Б., Ямпольский Ю. М. Радиозондирование морской поверхности в ходе 7-ой Украинской Антарктической Экспедиции // Украинский Антарктический журнал. - 2003. - №1. - С. 37-46.

4. Галушко В. Г., Кащеев А. С. Импульсное частотно-угловое зондирование перемещающихся ионосферных возмущений // Радиофизика и радиоастрономия. - 2004. - 9. - №2. - С. 160-171.

5. Галушко В. Г., Кащеев А. С. Частотно-угловое зондирование перемещающихся ионосферных возмущений в модели трехмерных волн плотности, распространяющихся в ионосферном слое // Радиофизика и радиоастрономия. - 2006. - 11. - №3. - С. 242-253.

6. Галушко В. Г., Кащеев А. С., Кащеев С. Б., Пикулик И. И., Ямпольский Ю. М. Проведение двухпозиционных КВ наблюдений перемещающихся ионосферных возмущений во время сезонных работ 9-й Украинской антарктической экспедиции // Электромагнитные проявления геофизических эффектов в Антарктиде. / Под ред. Л. Н. Литвиненко, Ю. М. Ямпольского - Харьков: Радиоастрономический институт НАН Украины, 2005. - C. 231-243.

7. GalushkoKashcheyevKashcheyevKoloskovPikulikYampolskiLitvinovMilinevsky P., Rakusa-Suszczewski S. Bistatic HF diagnostics of TIDs over the Antarctic Peninsula // J. Atm. Sollar-Terr. Phys. -2007. - 69. - P. 403-410.

8. Кащеев А. С., Кащеев С. Б., Колосков А. В., Пикулик И. И., Брюховецкий А. С., Ямпольский Ю. М. Двухпозиционное КВ рассеяние взволнованной поверхностью // Сб. тезисов Второй Харьковской конференции молодых ученных по радиофизике и СВЧ електронике. - Харьков (Украина). - 2001. - С. 41.

9. KashcheyevKashcheyevZalizovskyGalushkoYampolskyKurkinLitovkinPetko P.V. Effects of very long-range HF propagation along the Irkutsk – Akademik Vernadsky link // Abstracts of Second Ukrainian Antarctic Meeting. Antarcitc – Kyiv (Ukraine). - 2004. - P. 73

10. Галушко В. Г., Кащеев А. С., Колосков А. В., Пикулик И. И., Ямпольский Ю. М. Двухпозиционная КВ-диагностика ПИВ над Антарктическим полуостровом // Труды VIII конференции молодых ученных “Астрофизика и физика околоземного космического пространства”. - Иркутск: ИСЗФ СО РАН. - 2005, -С. 82-85.

АНОТАЦІЯ

Кащеєв А.С. Дистанційне зондування хвильових збурень іоносфери та морської поверхні в короткохвильовому діапазоні. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика. – Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2007.

Дисертаційна робота присвячена подальшому розвитку та апробації радіофізичних методів дистанційної діагностики хвильових процесів в атмосфері Землі та на поверхні океану.

Реалізовано схему двопозиційного короткохвильового радіозондування схвильованої морської поверхні з використанням випромінювання наземних широкомовних станцій, що пройшло крізь іоносферний канал, при значному рознесенні передаючих та приймального пункту, який розташований на борту судна. Виконано узагальнення методу частотно-кутового зондування іоносфери, що був розроблений у Радіоастрономічному інституті НАН України для діагностики рухомих іоносферних неоднорідностей (РІН) в моделі ідеально відбиваючої схвильованої поверхні на випадок вертикального зондування. Обґрунтовано та реалізовано можливість відтворення параметрів іоносферних неоднорідностей методом частотно-кутового зондування з використанням моделі РІН у вигляді тривимірних хвиль щільності електронної концентрації, що поширюються в іоносферному шарі. За допомогою створеного приймально-обчислювального комплексу проведено довгострокові спостереження рухомих іоносферних неоднорідностей в районі Антарктичного півострову. Визначено основні характеристики РІН та проаналізовано джерела їх збудження.

Реалізовані в дисертаційній роботі діагностичні методи дозволяють використовувати неспеціальні види випромінювання, наприклад, сигнали широкомовних станцій КХ діапазону. Враховуючи велику кількість таких передавачів (їх загальне число перевищує 6000 по всій Земній кулі), можна говорити про створення реальних передумов для використання запропонованих методів у системі глобальної діагностики хвильових процесів на поверхні океану та в навколоземній плазмі.

Ключові слова: метод діагностики, верхня атмосфера, іоносфера, морська поверхня, атмосферна гравітаційна хвиля, рухома іоносферна неоднорідність, морське хвилювання.

АННОТАЦИЯ

Кащеев А.С. Дистанционное зондирование волновых возмущений ионосферы и морской поверхности в коротковолновом диапазоне. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 – Радиофизика. - Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова Национальной академии наук Украины, Харьков, 2007.

Диссертация посвящена дальнейшему развитию и апробации радиофизических методов дистанционной диагностики волновых процессов в атмосфере Земли и на поверхности океана.

Реализована схема двухпозиционного коротковолнового радиозондирования взволнованной морской поверхности с использованием излучения наземных широковещательных станций, прошедшего через ионосферный канал, при значительном разносе передающих и приемного пункта, расположенного на борту судна. Получены общие выражения для расчёта спектра рассеянного взволнованной морской поверхностью радиосигнала в такой геометрии. Проведен их численный анализ в зависимости от метеоусловий для различных моделей пространственно-углового спектра морского волнения. Осуществлены предельные переходы к известным выражениям для однопозиционного варианта диагностики. В ходе 7-ой морской Украинской антарктической экспедиции проведены измерения спектров рассеянных коротковолновых радиосигналов в акваториях Тихого и Атлантического океанов. В качестве пробных сигналов использовано излучение несущих частот нескольких широковещательных радиостанций. Проанализировано поведение спектров сигналов подсветки в зависимости от ионосферных и метеорологических условий. Показана возможность восстановления параметров волнения по данным измерений.

Выполнено обобщение метода частотно-углового зондирования ионосферы, разработанного в Радиоастрономическом институте НАН Украины для диагностики перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), на случай вертикального зондирования. Сформулирована прямая задача в модели идеально отражающей взволнованной поверхности, движущейся на ионосферных высотах. Получена система уравнений, связывающих измеряемые параметры сигналов (углы прихода, доплеровское смещение частоты и время группового запаздывания) с характеристиками ПИВ. Обратная задача решена в спектральной области в динамической и статистической постановках. Проведено сопоставление результатов восстановления параметров ПИВ с помощью разработанного алгоритма с данными численного моделирования, показавшее надежность и эффективность предложенного метода.

Обоснована и реализована возможность восстановления параметров ионосферных неоднородностей методом частотно-углового зондирования с использованием модели ПИВ в виде трехмерных волн плотности электронной концентрации, распространяющихся в ионосферном слое. Сформулирована прямая задача и приведены основные соотношения. Прямая задача решена в геометрооптическом приближении методом малых возмущений для эйконала. Получена система уравнений, связывающих измеряемые параметры (углы прихода и доплеровское смещение частоты) с характеристиками возмущений. Обратная задача решена в спектральной области в статистической и динамической постановках. Для проверки предложенного метода проведено компьютерное моделирование. Сравнение полученных результатов с входными данными численного моделирования показало работоспособность и устойчивость предложенного алгоритма. Разработанный диагностический метод был применен для обработки данных реальных экспериментов.

Усовершенствован приемно-вычислительный комплекс (ПВК), предназначенный для решения задач дистанционной диагностики волновых возмущений ионосферы и морской поверхности. С помощью созданного ПВК проведены долговременные наблюдения ПИВ в районе Антарктического полуострова. Передающее устройство было установлено на польской антарктической станции “Генрих Арцтовски”, ПВК располагался на украинской антарктической станции “Ак. Вернадский”. Протяженность трассы составила км. Всего было проведено более 1000 часов измерений, в значительной части которых наблюдались ионосферные возмущения волнообразного характера. Определены основные характеристики ПИВ и проанализированы источники их возбуждения. Так, наиболее вероятные периоды ПИВ составили 20-80 минут при амплитуде 2-10%. Скорости движения при этом лежали в пределах 100-400 м/с, а горизонтальный размер составил порядка 200-1000 км, что находится хорошем соответствии с известными из литературы данными.

Реализованные в диссертационной работе диагностические методы позволяют использовать неспециальные виды излучения, например, сигналы широковещательных станций КВ диапазона. Учитывая, что число таких станций достигает 6000 по всему миру, можно говорить о создании реальных предпосылок для использования предложенных методов в системе глобальной диагностики волновых процессов на поверхности океана и в околоземной плазме.

Ключевые слова: метод диагностики, верхняя атмосфера, ионосфера, морская поверхность, атмосферная гравитационная волна, перемещающиеся ионосферные возмущения, морское волнение.

ABSTRACT

Kashcheyev A.S. Remote sensing of wavelike disturbances in the ionosphere and on the sea surface at short wavelengths. – Manuscript.

Thesis for a candidate of physic-mathematics science degree in specialty 01.04.03 – Radiophysics. – A. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2007.

Thesis is devoted to further development and validation of radio methods for remote sounding of wavelike processes in the Earth’s atmosphere and on the ocean surface.

A bistatic technique has been developed for remote radio sounding of the rough sea surface with greatly separated ground-based transmitters of opportunity and receiving site located aboard a ship. The probe signals are emissions from broadcasting stations transmitted through ionospheric channel. The frequency-and-angular sounding method developed at the Institute of Radio Astronomy, National Academy of Sciences of Ukraine for diagnosis of traveling ionospheric disturbances (TID) in the model of a perfectly reflecting rough surface has been extended to the case of vertical sounding. The possibility has been shown and realized for recovering parameters of ionospheric disturbances by the frequency-and-angular sounding technique for the model TIDs in the form of 3D electron density waves propagating in an ionospheric layer. Long-term observations of traveling ionospheric disturbances over the Antarctic Peninsula have been performed with the use of a specially developed data-taking/data processing complex. Basic parameters of the detected TIDs have been estimated and possible sources of their generation are discussed.

The implemented diagnosis methods allow using non-dedicated kinds of radiation, for example, signals from broadcasting stations. Taking into account that there are more than 6000 such sources of opportunity over the world, it opens prospects for application of the suggested techniques in the global system diagnostic of wavelike processes on the sea surface and in the near-Earth plasma.

Key words: diagnosis method, upper atmosphere, ionosphere, sea surface, atmospheric gravity wave, traveling ionospheric disturbances, sea roughness.

Наукове видання

Кащеєв Антон Сергійович

Дистанційне зондування хвильових збурень іоносфери та морської поверхні в короткохвильовому діапазоні

Відповідальний за випуск Лисаченко В.М.

Підписано до друку 10.08.2007. Формат 60х90/16.

Друк офсетний. Ум.-друк. Арк.. 1. Обл. вид. арк. 1.

Замовлення № 385/2007. Тираж 100 прим. Безкоштовно.

61077, м. Харків, вул.. Мироносицька, 1

РІЗО ХНУ