Введение к работе
Актуальность работы. Способность коротких волн СКВ, диапазон
частот /=3... 30 МГц) к загоризонтному распространению за счет
отражения от ионосферы обусловила их широкое использование при
решен?*;: практических задач сзязи, радиолокации, радионавигации.
Доказательством этому -служит, например, "перегруженность" KB
диапазона излучением станций различного назначения. Большинство
коротковолновых систем ориентированы на работу на частотах ниже
максимальной применимой частоты /мпч- По определению эта величина
соответствует значению рабочей частоты передатчика / , при
котором в приемном пункте наблюдается фокусировка нижнего и
верхнего лучей на границе "мертвой зоны". При /0>/иПч прохождение
сигнала з приемный пункт за счет "зеркального" отражения от
ионосферы уже невозможно. Значение /ипч определяется
протяженностью трассы D, формой высотного профиля электронной
концентрации N и величиной критической частоты
/ =С4яе2АГах/т31/2Се и т. - заряд и масса электрона, (Глх -концентрация в макс. ..суме слоя). В пренебрежение сферичностью Земли и .толщиной ионосферы справедливо соотношение
где z - высота максимума электронной плотности. При переходе ото дня к ночи из-за увеличения z и снижения / величина /„__ уменьшается. Поэтому на коротких односкачковых трассах протяженностью в несколько сот километров часто встречается ситуация, когда в ночных условиях / становится больше /ипч, и приемный пункт попадает в "мертвую зону". Поскольку на такие расстояния в KB диапазоне земная волна не проникает, поддержание связи' между передатчиком и приемником возможно лишь за счет рассеяния на ионосферных неоднородностях. Размер неоднородностей I, которые дают максимальный вклад в поле в точке приема, определяется из условий Вульфа-Брэгга
\
1= , CD
2 оілС8/2)
где 9 - угол между волновыми векторами падающей и рассеянной
волн, X - рабочая длина волны. Для коротких трасс величина D
сравнима с высотой ионосферного слоя, поэтому рассеяние
происходит на большие углы и носит характер; близкий к
резонансному. В соответствии с (1) в нем участвуют неоднородности
4 с размерами 1~\, что при рассеянии KB соотвествует 1~10...100 м. По общепринятой классификации . такие флуктуации электронной плотности относятся к мелкомасштабным. Их' интесизность в спокойных ионосферных условиях не превышает 10"3...10"г от фонового значения N . По этой причине до последнего времени за счет больших энергетических потерь условие /0>/ипч на практике использовалась крайне редко. С другой стороны, эта ситуация представляет специальный интерес с точки зрения диагностики мелкомасштабных . ионосферных неоднородностей декаметровых масштабов, недоступных для изучения другими методами. Исследование флуктуации электронной плотности ионосферы позволяет судить о сложных турбулентных и волновых процессах, происходящих в околоземной плазме. К настоящему времени наиболее полно изучена неоднородная структура экваториальных и авроральных районов, где наблюдаются максимальная интенсивность неоднородностей и большое разнообразие механизмов их возникновения. Сведения о среднеширотных неоднородностях носят скорее фрагментарный, нежели систематический характер. Внимание исследователей привлечено не только к естественным причинам образования флуктуации электронной плотности, но и к их искусственным источникам. Так, в последние годы большое число публикаций было посвящено турбулизацки ионосферной плазмы под воздействием мощного радиоизлучения наземных "нагревных" стендов. Применение таких стендов позволяет проводить активные эксперименты в ионосфере и использовать ее в качестве огромной естественной лаборатории.
Таким образом, исследование характеристик рассеяния декаметровых радиоволн на частотах выше МПЧ представляется актуальным, поскольку позволяет решать как прикладные вопросы распространения KB, так и задачу диагностики неоднородной структуры ионосферы.
Цель работы заключалась в следующем:
проведение экспериментальных исследований характеристик KB сигналов, рассеянных на коротких С до 1000 км) среднеширотных радиотрассах естественными и искусственными неоднородностями ионосферы на частотах выше максимальной применимой частоты;
восстановление параметров ионосферных неоднородностей.
Методы исследования. Экспериментальное изучение характеристик резонансно .рассеянных сигналов проводилось с использованием" многоканального когерентного приємно-
5 измерительного комплекса. С использованием остронаправленных и слабонаправленных приемных антенн были исследованы спектральные и корреляционные характеристики рассеянного поля.
Восстановление параметров ионосферных неоднородностей производилось на основе сравнения экспериментальных данных с результатами модельных расчетов, проводившихся в приближении однократного рассеяния.
Новизна проведенных исследований определяется такими их особенностями:
D впервые в KB диапазоне с помощью остронаправленной антенны радиотелескопа УТР-2 исследована тонкая угловая структура рассеянного поля;
2) при изучении эффектов рассеяния КБ естественными
неодкородностями ионосферы экспериментально измерены
пространственные корреляционные функции пробных сигналов, а также
спектральные характеристики вертикально и горизонтально
поляризованных компонент рассеянного поля, сведения о которых в
литературе отсутсвуют;
3) независимо от других исследователей обнаружены
квазипериодические .вариации доплеровского смешения частоты КЗ
сигналов, рассеянных искусственной ионосферной турбулентностью, и
предложена их интерпретация, связанная с модулирующем
воздействием естественных микропульсаций геомагнитного поля типа
Рс на неоднородную структуру ионосферы;
43 для обработки экспериментальных данных наряду с традиционными корреляционными и спектральными методами применены алгоритмы фрактального анализа, развитые лишь в. последние годы и не получившие еще широкого применения при анализе реальных сигналов.
Практическая значимость работы связана с возможность» использования полученных в .ходе ее выполнения сведений о статистических характеристиках рассеянных сигналов при разработке линий KB связи на частотах выше МПЧ.' Получены выражения, позволяющие оценить полосу пропускания такой линии в зависимости от размеров и локализации эффективного рассеивающего объема. К практически ценным результатам относится разработка методики диагностики ионосферных неоднородностей, .основанной на использовании вещательных коротковолновых радиостанций в качестве широко доступных и стабильных источников пробного излучения.
Апробация результатов работы. Полученные в диссертации результаты были представлены на _ следующих конференциях и симпозиумах:
Всесоюзном симпозиуме "Ионосфера и взаимодействие декаметрових волн с ионосферной плазмой" СЗвенигород, 1989 г.);
- XVI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн
(Харьков, 1990 г.);
Научно-техническом семинаре РНТО РЭС им.Попова "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" ССмоленск, 1992 г.).
III и IV Суздальских симпозиумах УРСИ по модификации ионосферы мощными радиоволнами (Суздаль, 1991 г. и Уппсала, Швеция, 1994 г.);
Международной конференции по акустике, речи и обработке сигналов САделаида, Австралия, 1994).
По вошедшим в диссертацию материалам в соавторстве опубликовано 17 работ.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из Введенияг двух глав, Заключения и списка цитировнной литературы С59 наименований). Она содержит 93 страницы машинописного текста и 44 рисунка.
