Содержание к диссертации
Введение
1. Методы дистанционной радиодиагностики крупномасштабных ионосферных неоднородностей 16
1.1. Крупномасштабные неоднородности верхней атмосферы 18
1.2. Методы зондирования ионосферных неоднородностей 23
1.3. Метод декаметрового зондирования ионосферы с космических аппаратов ..29
1.4. Резюме 35
2. Восстановление параметров крупномасштабных неоднородностей электронной плотности методом декаметрового зондирования с низкоорбитального космического аппарата 37
2.1. Применение метода возмущений для расчета дистанционно - частотных характеристик трансионосферных радиосигналов 38
2.1.1. О границах применимости метода геометрической оптики в задачах распространения радиоволн в ионосфере 38
2.1.2. Использование метода возмущений для расчета дистанционно-частотных характеристик радиоволн 40
2.1.3. Решение траекторией задачи методом возмущений 44
2.2. Результаты численного моделирования распространения радиоволн на трассе космический аппарат - Земля в условиях невозмущенной ионосферы 47
2.2.1. Модель регулярной ионосферы 47
2.2.2. Численная реализация метода характеристик для решения траекторной задачи распространения радиоволн в ионосфере 48
2.2.3. Результаты расчетов траекторных параметров радиоволн , 50
2.3. Численный синтез возмущенных трансионограмм при дскаметровом радиозондировании с космического аппарата 53
2.3.1. Модели крупномасштабных ионосферных неоднородностей 53
2.3.2. Результаты численного моделирования трансионограмм с деформацией следа 58
2.4. Методика определения параметров крупномасштабной неоднородности
2.4.1. Определение области пространственной локализации неоднородности 68
2.4.2. Восстановление интенсивности неоднородности 70
2.4.3. Численный эксперимент по восстановлению параметров крупномасштабной неоднородности
2.5. Диагностика крупномасштабной неоднородности при зондировании из области максимума ионосферного слоя F2 76
2.6. Восстановление параметров слоистой неоднородности по вариациям фазы сигнала при внешнем вертикальном зондировании
2.6.1. Расчет вариации фазы сигнала методом возмущений 80
2.6.2. Восстановление параметров слоистой неоднородности 81
2.7. Резюме 86
3. Детектирование крупномасштабной неоднородности при декаметровом радиозондировании с геостационарного космического аппарата 88
3.1. Использование метода возмущений для расчета вариаций ДЧХ трансионосферных радиосигналов с учетом сферичности Земли 88
3.2. Возможности обнаружения ионосферной неоднородности по вариациям трансионограмм 95
3.3. Резюме 98
4. Определение параметров тонкой структуры крупномасштабных неоднородностей но фазовым характеристикам сигнала внешнеговертикального зондирования 99
4.1. Флуктуации фазы отраженного сигнала при внешнем вертикальном зондировании ионосферы 99
4.2. Дисперсия фазовых флуктуации радиоволн при отражении от крупномасштабной неоднородности с монотонным регулярным профилем диэлектрической проницаемости 103
4.3. Пространственный спектр фазовых флуктуации 113
4.4. Определение параметров случайных неоднородностей 116
4.5.Резюме 117
Заключение 119
Литература
- Метод декаметрового зондирования ионосферы с космических аппаратов
- О границах применимости метода геометрической оптики в задачах распространения радиоволн в ионосфере
- Диагностика крупномасштабной неоднородности при зондировании из области максимума ионосферного слоя F2
- Дисперсия фазовых флуктуации радиоволн при отражении от крупномасштабной неоднородности с монотонным регулярным профилем диэлектрической проницаемости
Введение к работе
Актуальность
Среди современных методов исследования состояния верхней атмосферы дистанционное радиозондирование с космических аппаратов занимает ведущие позиции [1]. В рамках Федеральной космической программы в ближайшей перспективе планируется организация регулярного мониторинга ионосферы на основе совместного использования станций наземного вертикального радиозондирования и специализированных бортовых ионозондов в диапазоне плазменных частот основных ионосферных слоев [2]. В целях организации ионосферного мониторинга проводится подготовка орбитальной группировки из пяти космических аппаратов, в том числе четырех спутников «Ионосфера» с ионозондами на борту, работающими в декаметровом диапазоне. В связи с этим дальнейшее развитие теоретических основ метода декаметрового радиозондирования с космических аппаратов в целях повышения его оперативности и информативности представляется особенно актуальным.
Существующие методы спутникового радиомониторинга ионосферы предполагают использование различных космических аппаратов, начиная с низкоорбитальных вплоть до высокоорбитальных и геостационарных. В работах [3, 4] был предложен метод диагностики крупномасштабных неодно- родностей ионосферы (с горизонтальными масштабами, сравнимыми или превышающими толщину слоя F2) на основе ее многочастотного радиопросвечивания с борта космического аппарата, находящегося на геостационарной или высокоэллиптической орбите. Согласно этому методу проводится анализ декаметровых трансионосферных радиосигналов, регистрируемых в нескольких наземных приемных пунктах. Отслеживая характеристики сигналов в этих пунктах, можно контролировать состояние среды за счет ее изменений в пространстве сканирования трансионосферных сигналов. В работах [5-7] предложен альтернативный метод диагностики крупномасштабных не- однородностей ионосферы путем ее просвечивания декаметровыми сигналами с быстродвижущихся низкоорбитальных космических аппаратов. При этом организуется один или несколько наземных пунктов наблюдения. Общность обоих методов диагностики заключается в том, что в них используются именно декаметровые радиоволны. Это важное достоинство, поскольку в данном случае просвечивание ионосферы осуществляется на пороге прозрачности, т.е. на частотах близких к критическим частотам слоя F2. Это обеспечивает высокую чувствительность методов к ионосферным неодно- родностям и позволяет эффективно восстанавливать тонкую структуру среды. Общим для указанных методов диагностики также является то, что для определения параметров ионосферных неоднородностей в них используют прямой численный синтез возмущенных дистанционно-частотных характеристик радиосигналов (ДЧХ) на трассах "космический аппарат-Земля" [7]. Между тем в реальных условиях численное моделирование ДЧХ для диагностики неоднородности представляет собой довольно длительный и сложный процесс. Особенно это касается пристрелки в пункт наблюдения траекторий радиосигнала на разных частотах в присутствии в ионосфере локализованной неоднородности. Кроме того, прямое численное моделирование возмущенных ДЧХ не позволяет установить аналитические соотношения между характеристиками ДЧХ и параметрами неоднородности. Указанные трудности в определенной мере можно обойти, если при синтезе возмущенных следов ДЧХ, вызванных неоднородностью, наряду с численными методами использовать асимптотические решения задачи. Дополнительную информацию о внутренней турбулентной структуре крупномасштабных ионосферных неод- нородностей можно получить, используя аналитические соотношения между статистическими траекторными характеристиками отраженных сигналов при внешнем или наземном вертикальном зондировании ионосферы и параметрами моделей хаотических неоднородностей.
Цель работы состоит в исследовании траекторных характеристик де- каметровых радиосигналов, излученных с борта космического аппарата, численными и асимптотическими методами и разработке методик диагностики крупномасштабных ионосферных неоднородностей по характеристикам де- каметровых сигналов с низкоорбитальных и геостационарных космических аппаратов.
Научная новизна:
-
Впервые предложен численно-асимптотический метод синтеза тран- сионограмм с деформацией следа, вызванной влиянием локализованной крупномасштабной неоднородности электронной концентрации.
-
На основе результатов численного и асимптотического моделирования вариаций времени группового запаздывания трансионосферных радиосигналов на различных рабочих частотах показана возможность определения параметров крупномасштабной неоднородности по возмущенным следам на трансионограммах, полученных при различных положениях космического аппарата относительно наземного пункта наблюдения. Показано, что интенсивность и размеры локализованной неоднородности могут быть уверенно восстановлены по возмущенным участкам серии трансионограмм, отвечающим вариациям времени группового запаздывания радиосигналов, распространяющихся сквозь ионосферу по наклонным и слабоскользящим вдоль уровня экстремальной ионосферной ионизации траекториям.
-
На основе аналитического преобразования решения уравнения для флуктуаций эйконала впервые получены выражения для дисперсии и пространственного спектра фазовых флуктуаций сигнала внешнего вертикального зондирования случайно-неоднородной ионосферы с произвольным монотонным профилем регулярной диэлектрической проницаемости. Эти формулы, не содержащие особенностей в точке отражения, удобны для численного расчета и положены в основу методики диагностики турбулентных неодно- родностей внешней ионосферы по статистическим характеристикам фазы сигнала в условиях полного отражения.
Достоверность результатов:
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обеспечивается адекватным использованием математического аппарата, совпадением аналитических результатов в предельных частных случаях с известными из литературы, а также использованием для моделирования хорошо апробированных численных схем.
Научная и практическая ценность работы:
-
-
Предложенные методики определения параметров регулярных и турбулентных неоднородностей ионосферы по характеристикам сигналов внешнего зондирования с космического аппарата могут быть использованы при оценке пропускной способности систем космической связи.
-
Методики детектирования крупномасштабных ионосферных неодно- родностей на основе синтеза трансионограмм применимы для контроля сейсмоионосферных возмущений.
-
Численно-асимптотический метод синтеза трансионограмм с деформацией следа применим для идентификации искусственных возмущений, связанных с запусками космических аппаратов, мощным воздействием радиоволн на ионосферу, инжекцией химически активных веществ, а также для контроля несанкционированных воздействий на верхнюю атмосферу Земли.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
Метод синтеза трансионограмм с деформацией следа с использованием численных и асимптотических методов расчета.
-
Методики детектирования крупномасштабных ионосферных неодно- родностей на основе результатов численно-асимптотического моделирования деформаций дистанционно-частотных характеристик декаметровых радиосигналов, излученных с борта низколетящего и геостационарного космического аппарата.
-
Методики определения параметров регулярных и случайных неоднородностей электронной концентрации, расположенных выше максимума слоя F2, на основе результатов моделирования фазовых характеристик радиосигнала при внешнем вертикальном зондировании ионосферы с использованием аналитического преобразования решения уравнения для вариаций эйконала.
Апробация работы:
Результаты диссертации докладывались на V и VI Всероссийских научных конференциях «Физика плазмы в солнечной системе» (Москва, Институт космических исследований РАН, 2010, 2011 гг.), XXIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2011 г.), Международных Байкальских молодежных научных школах по фундаментальной физике (БШФФ-2009, XI конференция молодых ученых «Гелио- и геофизические исследования»; БШФФ-2011, XII конференция молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом»), на Всероссийских научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки развитию регионов Сибири» (Братск, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.), на научных семинарах физического факультета Иркутского государственного университета, НИИ Прикладной физики ИГУ, кафедры физики Братского государственного университета, Института прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова, Института солнечно-земной физики СО РАН.
Результаты проведенных исследований были поддержаны Министерством образования и науки Российской Федерации - соглашение № 8388, грантами ФЦП №.14.В37.21.0785, №.14.В37.21.1294, грантом РФФИ №.10-02- 00222.
Личный вклад автора:
Основные результаты работы получены либо лично самим автором, либо при его непосредственном участии.
Автору принадлежат:
-
-
-
-
Разработка алгоритмов и компьютерных программ расчетов, а также проведение всех модельных расчетов дистанционно-частотных характеристик радиосигналов, излученных с борта низколетящего и геостационарного космического аппарата.
-
Разработка методики определения пространственной локализации и интенсивности крупномасштабной ионосферной неоднородности на основе результатов моделирования возмущенных трансионограмм.
-
Результаты численного и асимптотического моделирования фазовых флуктуаций радиоволны при малоугловом рассеянии и полном отражении от крупномасштабной неоднородности с тонкой турбулентной структурой.
-
Разработка методик восстановления параметров регулярных и случайных неоднородностей по фазовым характеристикам сигналов внешнего многочастотного вертикального зондирования ионосферы.
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 15 научных работах в российских и зарубежных изданиях, в том числе четыре статьи в журналах из списка ВАК «Известия вузов. Радиофизика», «Journal of Atmospheric and Solar- Terrestrial Physics», «Геомагнетизм и аэрономия», «The Open Atmospheric Science Journal», а так же в трудах и сборниках докладов международных и российских научных конференций.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 145 наименований. Общий объем диссертации 135 страниц, включая 44 рисунка и 15 страниц списка литературы.
Метод декаметрового зондирования ионосферы с космических аппаратов
Считается, что из всех природных катаклизмов землетрясения являются самыми разрушительными. Результатом сейсмических катастроф являются не только многомиллиардные убытки, но и многочисленные человеческие жертвы. С начала 2011 года была зарегистрирована серия сильных землетрясений по всему миру: 1 января - в провинции Сантьяго Дел Эстеро в Чили (магнитуда 7,0), 12 января - в области островов Бонин недалеко от Японии (магнитуда 6,5), 18 января - в Пакистане (магнитуда 7,2). Однако катастрофическое землетрясение в Японии (магни-тудой 8,9), произошедшее 11 марта 2011 года, с последующим цунами, явились началом новой фазы глобальной сейсмической активности. Одним из результатов произошедшего катаклизма явилась авария, получившая статус седьмой - высшей категории, на атомной станции «Фукусима-1».
Необходимость изучения, постоянного наблюдения и прогнозирования землетрясений порождает повышенный интерес как к описанию механизмов их возникновения, так и к регулярному мониторингу сейсмической обстановки по всему земному шару. В настоящее время глобальной сетью станций производится непрерывный мониторинг, в ходе которого регистрируются все подземные толчки. На основании анализа полученных данных строится долгосрочный прогноз сейсмической активности для каждого опасного региона.
Вместе с тем прогнозирование землетрясений за дни и часы с достаточно низкой вероятностью ложной тревоги является очень важной прикладной задачей [48, 49]. При этом требования к потоку ложных тревог системы контроля сейсмической активности очень высоки, так как каждое неверное решение по результатам прогноза может привести к огромным материальным убыткам и человеческим жертвам. К сожалению, существующие системы мониторинга поставленным требованиям не удовлетворяют, величина ошибок современных прогнозов колеблется от нескольких недель до десятков лет. Один из путей к решению данной проблемы лежит в изучении взаимосвязи сейсмической активности Земли с изменением параметров верхней атмосферы. Возникновение ионосферных неоднородностей и изменение параметров околоземного пространства за дни и часы до землетрясения являются сегодня предметом пристального наблюдения и изучения. При этом высокую оперативность при обнаружении таких неоднородностей могут обеспечить методы радиозондирования.
Многочисленные космические эксперименты, проведенные за последние десятилетия, выявили наличие в верхней атмосфере явлений не только порожденных сейсмическими событиями, но и предшествующих им. Такие явления получили названия ионосферных предвестников землетрясений [50]. Характер наблюдаемых предвестников различен - это возмущения атмосферного электрического поля, формирование и распад облачных структур, радиоаврора над геологическими разломами и метеорологические эффекты в ионосфере.
Было установлено, что сейсмические толчки вызывают отклик в ионосфере в виде крупномасштабных ионосферных неоднородностей [51-59]. Более того, многочисленные наблюдения показали, что период, предшествующий сейсмическим событиям также может сопровождаться серьезными изменениями слоя приземной плазмы [60-67].
Одна из новых гипотез возникновения и перемещения сейсмоионосферных неоднородностей была высказана Ю.К. Калининым из Института прикладной геофизики им. Е. К. Федорова Росгидромета [9-11]. Анализ временных изменений параметров ионосферы в различных областях земного шара выявил наличие нового типа неоднородностей верхней атмосферы - электронных облаков больших размеров [48]. Согласно высказанным предположениям, такие облака формируются над эпицентром землетрясения задолго до первого толчка. Данные, полученные с различных наземных станций, показали, что в определенный момент времени неоднородности «отрываются» от области эпицентра и в соответствии с ветровыми и электромагнитными условиями на соответствующей высоте передвигаются над поверхностью Земли на тысячи километров в течение нескольких часов. На протяжении этого пути неоднородность может быть неоднократно зарегистрирована различными, как наземными, так и спутниковыми методами. Гипотеза 10. Калинина представляет огромный интерес и может найти подтверждение при радиозондировании различными методами в рамках системы глобального мониторинга ионосферы.
Анализ вариаций полного электронного содержания, измеренного при двух-частотном ионосферном зондировании с помощью спутников GPS [46, 51-55, 68], позволил определить некоторые пространственно-временные характеристики крупномасштабных неоднородностей, возникающих в период подготовки очень сильных землетрясений. Важно отметить, что сейсмоионосферные возмущения носят достаточно специфический характер и могут быть уверенно обнаружены при спокойной гелио-геомагнитной обстановке. Таким образом, действующая современная система GPS может служить очень важным информативным звеном в системе глобального мониторинга верхней атмосферы.
Ионосферные предвестники [69-73] наблюдаются, как правило, для землетрясений магнитудой не менее 4-5 баллов. Однако при исследовании ночной ионосферы удавалось зарегистрировать неоднородности, предшествовавшие более слабым толчкам [50, 74]. Известно, что наблюдаемые неоднородности формируются в приземной плазме над областью эпицентра за 1 - 4 суток до землетрясения. При этом электронная концентрация наблюдаемых возмущений отличается от фоновой не более чем на 20-25%. Оперативное обнаружение таких предвестников возможно только при регулярном зондировании сейсмоопасной зоны и постоянном мониторинге состояния ионосферы, изменение которого может дать информацию о возможной подготовке сейсмического события. Характерные масштабы ионосферных предвестников колеблются в диапазоне от нескольких сотен до тысячи километров. Известно, что масштаб возмущения зависит от магнитуды землетрясения.
О границах применимости метода геометрической оптики в задачах распространения радиоволн в ионосфере
Необходимое условие применимости (2.2) не является, однако, достаточным и не позволяет учитывать погрешности полученного приближенного решения (2.4). В работах [130, 132] сформулированы достаточные условия применимости метода геометрической оптики на основе элементарных представлений Гюйгенса и Френеля об интерференции вторичных волн, опирающиеся на построение френелев-ских объемов лучей. Под френелевским объемом авторы понимают объем, ограниченный огибающей первых зон Френеля, нанизанных на луч. При этом, если рассматривать луч, как физический объект, то френелевский объем можно считать областью его локализации. Согласно [132] основной критерий приближения геометрической оптики формулируется следующим образом:
Критерий I. Параметры среды, а также параметры волны (амплитуда и градиент фазы) не должны заметно изменяться в поперечном сечении френелевского объема.
При распространении радиоволны в ионосфере, согласно [130, 132], выражение для радиуса первой зоны Френеля можно записать в следующем виде: Кф = ІТлкл (2 5) где lx и /2 - расстояния до точек излучения и приема соответственно. При этом для параметров среды должны выполняться неравенства вида: (2.6) «і є где V± - оператор дифференцирования в направлении, перпендикулярном лучу. В работе [132] сформулировано еще одно условие, являющееся следствием критерия I, и в ряде случаев существенно облегчающее анализ задачи:
Критерий II. Разность фаз, отвечающая лучам, приходящим в одну и ту же точку, не должна быть меньше к.
Иначе этот критерий формулируется следующим образом [130]: френелев-ские объемы лучей, приходящих в одну и ту же точку не должны существенно пересекаться друг с другом. Физический смысл данного критерия заключается в том, что он исключает возможность двукратного вклада одних и тех же вторичных волн в результирующее поле.
Известно, что ДЧХ, получаемые при трансионосферном зондировании ионосферы, содержат в себе информацию о диэлектрической проницаемости плазмы вдоль траекторий распространения зондирующих радиоволн. Вместе с тем, ДЧХ с деформацией следа, получаемые экспериментально, могут содержать информацию в том числе и о крупномасштабных неоднородностях верхней атмосферы. В частности, в работе [5] были представлены трансионограммы с деформацией следа, зафиксированные в ходе эксперимента «Интеркосмос - 19» (рис. 1.3). Для интерпретации отдельных участков этих ионограмм авторы [5] выполнили моделирование ДЧХ с использованием метода геометрической оптики. Было показано, что некоторые участки ДЧХ могут быть вызваны крупномасштабной неоднородностью электронной концентрации, находящейся в пространстве зондирования. Очевидно, что рассчитав групповое время запаздывания сигнала на различных рабочих частотах, можно исследовать зависимость деформации ДЧХ от параметров крупномасштабной неоднородности. Для исследования влияния возмущенной ионосферы на параметры сигналов при трансионосферном зондировании необходимо решить задачу распространения радиоволны в неоднородной среде. В ряде частных случаев зависимость характеристик волны от параметров ионосферы имеет достаточно простое аналитическое описание. Однако при дальнейшем приближении модели среды к реальным условиям точное аналитическое решение задачи значительно усложняет-ся или отсутствует вообще. Для решения подобных задач удобно применять асимптотические методы расчета. Одним из таких методов является метод возмущений (метод малого параметра), позволяющий приближенно описать распространение радиоволны в условиях малого отклонения параметров возмущенной ионосферы от параметров невозмущенной среды, для которой аналитическое решение задачи известно [133-137].
Рассмотрим распространение радиоволны в среде с неоднородностью малой интенсивности в приближении геометрической оптики. Согласно [130] в общем случае групповое время запаздывания радиосигнала на фассе космический аппарат - Земля в условиях неоднородной ионосферы представляет собой следующий интеграл по траектории: г = где e(S) - диэлектрическая проницаемость ионосферы вдоль траектории волны, с - скорость света в вакууме. В частных случаях интеграл (2.7) обычно упрощается в соответствии с выбранной системой координат. Кроме того, его вид зависит и от функции диэлектрической проницаемости ионосферы, в общем случае являющейся достаточно сложной вследствие неоднородной структуры среды. Для вычисления данного интеграла удобно воспользоваться асимптотическими методами и упрощенной моделью ионосферы.
Интеграл (2.7), а также выражения для условий применимости метода геометрической оптики (2.2, 2.5, 2.6), позволяют описывать распространение радиоволн в ионосфере, в которой параметры радиоволны и среды, в том числе и пара 42 метры неоднородностей, медленно меняются в поперечном сечении френелевского объема. С помощью геометрооптического приближения можно проводить расчет траекторных параметров радиоволн и синтез дистанционно-частотных характеристик.
Рассмотрим задачу распространения радиоволны в ионосфере в декартовой системе координат без учета магнитного поля. Представим функцию диэлектрической проницаемости среды в виде суммы: є = є0+є1, (2.8) где 0 - невозмущенная составляющая среды, Ех - возмущение малой интенсивности, характеризующее крупномасштабную ионосферную неоднородность. При этом х « 0. Примем в качестве невозмущенной составляющей слоистую модель ионосферы Q(Z), неоднородность при этом может иметь более сложный вид sx(x,z), где х и z горизонтальная и вертикальная координаты. Уравнение (2.7) запишем в следующем виде: -. Хисз г 1 - ах Г = с J J SinP (2,9) где /3 - угол рефракции радиоволны. Верхний предел интеграла хисз - горизонтальная координата спутника относительно начала координат, совпадающего с наземной станцией приема. Тогда введение неоднородности малой интенсивности в ионосферу вызовет в свою очередь малые изменения траекторных параметров радиоволны. Для асимптотического расчета группового времени запаздывания введем малые поправки zx(x), Аг и Д(х):
Диагностика крупномасштабной неоднородности при зондировании из области максимума ионосферного слоя F2
Параметры a, b и г задают вертикальный и горизонтальный масштабы неоднородности, а также характеризуют градиент диэлектрической проницаемости в граничной области неоднородности. При этом вертикальный и горизонтальный масштабы можно определить как a lr , и ЬУІГ . Увеличивая параметр г можно получать неоднородности с более контрастными границами. Профили диэлектрической проницаемости неоднородности для различных параметров представлены на рис 2.9. Представление неоднородности в виде (2.34) позволяет реализовать высокий градиент плотности электронной концентрации в граничной области, сохранив при этом непрерывность функции. 20 40 60 80 100 Рис. 2.9. Профиль ионосферной неоднородности, заданной соотношением (2.34).
Модель эллиптической крупномасштабной неоднородности (горизонтальные оси X и Z характеризуют размеры неоднородности в км, по вертикальной оси отложена величина возмущения диэлектрической проницаемости). В отличие от гауссовой модели, часто используемой [1] для описания локализации ионосферных неоднородностей, наличие у модели (2.34) более контрастных дифференцируемых границ указывает на возможность образования на синтезированных трансионограммах локальных деформаций следа с выраженными границами, которые, в частности, были получены в эксперименте «Интеркосмос-19» [5, 7].
Важно отметить, что при решении задачи трансионосферного зондирования возмущенной ионосферы параметры крупномасштабной неоднородности следует выбирать такими, чтобы знак функции s (2.8) оставался положительным, что на кладывает ограничения на интенсивность неоднородности. Кроме того, необходи мо, чтобы выполнялись условия применимости приближения геометрической оп тики (2.2), (2.6). Согласно эвристическим критериям применимости приближения геометрической оптики [132] масштабы неоднородности должны быть намного больше радиуса первой зоны Френеля для конкретных условий задачи. Для случа ев, рассматриваемых в данной работе, радиус первой зоны Френеля не превышает 5 км при размерах неоднородностей порядка 100 км. При этом размер граничных об ластей неоднородностей порядка 10 км и также превышает размер первой зоны Френеля. Кроме того, необходимо выполнение соотношения (2.6). Для задач, рас сматриваемых в данной работе, 0Д, и соотношение (2.6) выполняется. Таким образом, при рассмотрении эффектов крупномасштабных неоднородностей, границы применимости приближения геометрической оптики не нарушаются.
Решение системы лучевых уравнений в условиях возмущенной ионосферы при трансионосферном зондировании проводилось для диапазона рабочих частот от 10 до 24 МГц. При этом координаты наземного пункта приема были постоянными и совпадали с началом декартовой системы координат, а космический аппарат перемещался по орбите с высотой 1000 км. Задача трансионосферного зондирования решалась для двух случаев размещения ионосферной неоднородности. В первом случае центр ионосферного возмущения находился выше максимума слоя F2. Поправка к диэлектрической проницаемости регулярной ионосферы, вносимая крупномасштабной неоднородностью, задавалась моделью (2.34). Для возмущения были выбраны следующие параметры: координаты центра неоднородности хс = 400км , zc = 500км , параметры интенсивности неоднородности у = 0,02, fKp = 8 МП/, параметры масштаба и градиента электронной концентрации а = 30км и Ъ = 40км г = 4. Таким образом, заданная неоднородность представляет собой эллиптическое облако повышенной электронной концентрации с вертикальным радиусом 80 км и горизонтальным радиусом 60 км, диэлектрическая проницаемость которого составляла 20-25% от фоновой.
Внесение крупномасштабной неоднородности в ионосферу вызвало отклонение траекторий радиоволн, проходящих через неоднородность. На рис. 2.11 представлены траектории радиоволн, измененные неоднородностью (аналогичные траектории, построенные в невозмущенной среде, обозначены пунктиром). Как видно из рис. 2.11, трансионосферные траектории, проходящие через неоднородность, значительно изменяются, вследствие чего изменяется и групповое время запаздывания сигнала. При этом траектория, проходящая вблизи неоднородности, отклоняется тем сильнее, чем ближе она подходит к граничной области, что наглядно иллюстрирует график зависимости горизонтальной дальности распространения радиоволны от угла прихода сигнала, приведенный на рис 2.12. Сопоставляя представленный график с рис 2.6, можно отметить появления максимума и минимума дальности распространения. Траектории, соответствующие этим экстремумам, подобны приведенным на рис 2.11 и отклоняются от аналогичных траекторий в невозмущенной среде наиболее сильно. Таким образом, можно утверждать, что именно граничные области неоднородности наиболее сильно влияют на траектории проходящих через них трансионосферных лучей, что вызывает наибольшее изменение времени распространения радиоволны. Z.KM
График зависимости горизонтальной дальности распространения радиоволны от угла прихода сигнала, построенный для рабочей частоты 9 МГц. Отклонение траекторий радиоволн приводит к изменению группового времени запаздывания сигнала, и, как следствие, деформации ДЧХ. Для исследования влияния ионосферной неоднородности на ДЧХ использовалась частотная зависимость вариации времени распространения радиоволны, полученная при вычитании из ДЧХ, построенной для возмущенной среды, ДЧХ, полученной для невозмущенных условий.
Деформации ДЧХ, полученные по результатам численного решения системы (2.31) для разных положений космического аппарата представлены на рис 2.13. При перемещении космического аппарата было выявлено три серии деформаций ДЧХ. Траектории радиоволн, соответствующие полученным сериям, представлены на рисунке 2.14.
Дисперсия фазовых флуктуации радиоволн при отражении от крупномасштабной неоднородности с монотонным регулярным профилем диэлектрической проницаемости
При внешнем вертикальном зондировании неоднородной ионосферы, одной из основных характеристик отраженной радиоволны является фаза [29]. Для изучения параметров тонкой структуры крупномасштабной неоднородности будем анализировать флуктуации фазы радиоволны при внешнем вертикальном зондировании. Ранее влияние области отражения на флуктуации фазы радиоволны было достаточно подробно изучено в работах [30-33]. С помощью приближения геометрической оптики были получены аналитические соотношения для флуктуации фазы при отражении радиоволны от линейного слоя плазмы при наклонном или вертикальном падении. В частности, был рассмотрен случай отражения радиоволны от линейного слоя плазмы, заполненного случайными неоднородностями, заданными гауссовоії функцией корреляции. В результате расчета был сделан вывод о том, что флуктуации фазы в основном формируется неоднородпостями, расположенными в области отражения радиоволны. При этом влияние остальной области распространения радиоволны на флуктуации фазы незначительно.
Для изучения тонкой структуры крупномасштабной неоднородности при внешнем вертикальном радиозондировании необходимо рассчитать статистические моменты фазы для профиля диэлектрической проницаемости слоя плазмы 0(2), отличного от линейного. Примем за начало координат z = 0 точку верхней границы слоя, а направление оси z вертикально к Земле будем считать положительным. Рассмотрим радиоволну, падающую вертикально вниз с зондирующего космического аппарата, расположенного в точке z = -zp на слой плазмы. Отметим при этом, что математически задачи внешнего и внутреннего вертикального зондирования эквивалентны. Очевидно, что независимо от расположения бортового ионо-зонда, вклад участка (-z;,;0) в изменение фазы сигнала будет нулевым. Поэтому в приближении геометрической оптики решение уравнения эйконала для радиоволны можно записать в виде[29,30]: Ф = 2kt4sdz т (4.1)
Рассмотрим крупномасштабную неоднородность в виде регулярного слоя плазмы, заполненного случайными неоднородностями. Представим диэлектрическую проницаемость среды (x,y,z) в виде следующей суммы: (x,y,z) = s0{z)+](x,y,z), (4.2) где функция e0(z) характеризует регулярную составляющую, a x{x,y,z)- описывает турбулентность внутри неоднородности. Представим Ф и zr в виде: Ф = Ф0+Ф,, (4.3) К=2 +Sz , (4.4) где Ф1 и Sz малые поправки к характеристикам невозмущенной радиоволны: фазе Ф0 и высоте точки отражения отр, соответственно. При этом случайную составляющую неоднородности будем считать достаточно малой, удовлетворяющей условию: sx(x,y,z)«s0(z) . (4.5)
Для приближенного расчета флуктуации фазы радиоволны воспользуемся методом возмущений. Рассмотрим решение уравнения эйконала в первом приближении. Асимптотическое разложение диэлектрической проницаемости в формуле (4.1) запишем в виде:
Флуктуацию высоты точки отражения Sz определим из уравнения: полагая, что регулярный профиль диэлектрической проницаемости в окрестности точки отражения монотонный (дє0/дг 0). Подставляя в (4.8) выражение (4.4) и проводя асимптотическое разложение, в первом приближении получаем: Sz 7—wf (4-9) Интегрируя последний член в выражении (4.7) по частям и учитывая (4.9), приведем (4.7) к следующему виду:
Для расчета флуктуации фазы при решении задач малоуглового рассеяния радиоволн в средах с отражением обычно используют только первое слагаемое выражения (4.10) [29 - 33]: = kf-j±=dzm (4.11)
В представлении (4.11) не учитываются флуктуации точки отражения, а интегрирование ведется по невозмущенной траектории в среде с диэлектрической проницаемостью ( (2). Выражение (4.11) можно использовать для построения статистических моментов фазы радиоволны. Отметим, что использование формулы (4.11) для расчета статистических моментов фазы в условиях полного внутреннего отражения, строго говоря, находится за пределами границ ее применимости. В окрестности точки отражения o(zomp) = 0- При этом условие (4.5) малости поправки, внесенной случайно-неоднородной составляющей среды нарушается. Более того, при a(zamp)= 0 в подынтегральной функции формулы (4.11) появляется особенность на верхнем пределе. Тем не менее, если эта особенность интегрируема, то представление (4.11) позволяет проводить оценки объемного рассеяния радиоволны вблизи невозмущенной точки отражения. В работах [30, 33] был выполнен анализ дисперсии фазы радиоволны при отражении от линейного слоя плазмы. В этом случае особенность в (4.11) интегрируется, что позволяет получить аналитическое соотношение для флуктуации фазы.
Покажем, что после аналитического преобразования выражение (4.11) можно использовать для расчета статистических моментов фазы отраженной радиоволны от нелинейных слоев плазмы. Следуя [142] в формуле (4.11) внесем знаменатель под знак дифференциала. Проинтегрировав по частям полученное выражение, получим:
В отличие от (4.11), выражение (4.13) уже не содержит особенности в точке отражения для монотонных регулярных профилей диэлектрической проницаемости. Однако, проводимое интегрирование по частям в несобственном интеграле корректно лишь в случае, когда точка отражения радиоволны не находится вблизи уровня максимума профиля диэлектрической проницаемости, где производная Полученное выражение (4.13) можно эффективно использовать для приближенного и численного расчета статистических моментов фазы.
Дисперсия фазовых флуктуации радиоволн при отражении от крупномасштабной неоднородности с монотонным регулярным профилем диэлектрической проницаемости
В работах [30, 33] на основе формулы (4.11) был выполнен анализ флуктуации фазы радиоволны при отражении от линейного слоя плазмы, когда особенность в (4.11) интегрируется. Проведем расчет дисперсии фазовых флуктуации для линейного слоя плазмы с помощью полученного соотношения (4.13). Для начала получим выражение для дисперсии фазовых флуктуации отраженной радиоволны в общем виде. Возводя (4.11) в квадрат и проводя усреднение по ансамблю неодно-родностей, для дисперсии фазы находим: где - функция корреляции флуктуации диэлектрической проницаемости, (Є интенсивность случайных неоднородностей. Теперь сравним результат приближенного расчета дисперсии фазы по формуле (4.15) с известными результатами [30], полученными для линейного слоя плазмы, заполненного случайными неоднородностями диэлектрической проницаемости, заданными гауссовой функцией корреляции.
Похожие диссертации на Детектирование крупномасштабных ионосферных неоднородностей методом декаметрового радиозондирования с космических аппаратов
-
-
-
-
-
-
