Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Методика наземных радиометрических исследований вариаций микроволнового излучения мезосферного озона Завгородний Алексей Сергеевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Завгородний Алексей Сергеевич. Методика наземных радиометрических исследований вариаций микроволнового излучения мезосферного озона: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.11.13 / Завгородний Алексей Сергеевич;[Место защиты: ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений»], 2017

Введение к работе

Актуальность работы

Одним из важных направлений метрологического обеспечения навигационных космических систем является контроль и измерение характеристик антенно-фидерных устройств (АФУ) навигационных космических аппаратов. Временные характеристики АФУ неодинаковы на различных частотах, как и задержки, обусловленные влиянием на распространяющийся сигнал ионизированных слоев атмосферы [1]. По этой причине существующие методы измерений задержки радионавигационного сигнала с поверхности Земли не позволяют оценить вклады АФУ и верхней атмосферы по-отдельности [2]. Таким образом, разработка методик и инструментов для оперативного анализа состояния верхних слоев атмосферы

- актуальная, востребованная задача метрологии, радионавигации, а также
систем спутниковой связи, радиоастрономии, физики атмосферы и проч.

Возмущения в слоях мезосферы - нижней термосферы (МНТ), высоты 50

- 100 км, приводят к отклонениям параметров ионосферы, таких как
температура, давление и степень ионизации, от стационарных условий. В
результате возникают вариации концентраций газовых составляющих МНТ и
заряженных частиц. Причинами возмущений могут выступать динамические
процессы в этой области, распространение акустико-гравитационных волн
(АГВ) или влияние активности Солнца на верхнюю атмосферу. АГВ играют
большую роль в переносе энергии и импульса из нижних слоев атмосферы в
верхние и вносят значительный вклад в глобальную и локальную динамику
атмосферы [3 - 5]. Волновые процессы на высотах около 90 км и больше
оказывают существенное влияние на характер и степень ионизации МНТ и
приводят, в частности, к появлению перемещающихся ионосферных
возмущений (ПИВ), влияющих на характеристики распространения
радиоволн в ионосфере [3, 5]. Поэтому информация о свойствах этих волн в

области МНТ должна учитываться при разработке и эксплуатации систем связи «Земля-космос».

Для оценки состояния МНТ целесообразны исследования вариаций, прежде всего, тех газовых составляющих, которые имеют достаточно высокие концентрации в этой области, одной из таких составляющих является озон.

Озон - одна из наиболее важных малых газовых составляющих (МТС) атмосферы Земли. Он широко известен благодаря уникальному свойству -защищать всё живое на Земле от ультрафиолетового излучения Солнца, прежде всего, в диапазоне длин волн 280 - 315 нм, губительного для молекул ДНК. Также озон значительно влияет на тепловой баланс атмосферы и климат [6]. Наиболее изучен стратосферный озон, что объясняется повышенным к нему вниманием по причине важности его защитной функции в атмосфере Земли, а также лучшей доступностью, чем озон более высоких слоев. Однако ряд процессов, протекающих в ионосфере, невозможно анализировать без знания свойств озона мезосферы и нижней термосферы.

Именно проблемам наземных наблюдений волновых возмущений мезосферного озона на миллиметровых (ММ) радиоволнах (микроволнах) в ночное время, а также вопросам обработки результатов этих наблюдений посвящена диссертационная работа.

Цель и задачи работы:

Целью диссертационной работы было создание методики регистрации и исследований вариаций излучения мезосферного озона в ММ диапазоне длин волн, позволяющей охватить весь ожидаемый спектр частот внутренних гравитационных волн (ВГВ), распространяющихся в атмосфере на высотах 50-100 км.

Для достижения этой цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

  1. Разработка озонометра ММ диапазона длин волн в части ряда узлов оптического блока, обеспечивающих проведение измерений;

  2. Проведение лабораторных испытаний оптического блока озонометра;

  3. Усовершенствование методики измерений в части автоматизации и адаптации к длительным сеансам наблюдений с возможно меньшим участием оператора в работе озонометра;

  4. Проведение серий измерений излучения мезосферного озона в ММ диапазоне длин волн в ночное время;

  1. Разработка методики и программного обеспечения частотного и частотно-временного анализа результатов наблюдений мезосферного озона;

  2. Обработка результатов проведенных измерений, и на ее основании заключение о характере, основных параметрах и особенностях быстрых вариаций излучения мезосферного озона;

  3. Оценка погрешности измерений ионосферной задержки и ее влияния на погрешность калибровки бортовых АФУ.

Научная новизна

  1. Впервые проведены ночные наблюдения озона на миллиметровых волнах с высоким временным разрешением (около 2 мин) в 2014 - 2016 г.г. в Москве.

  2. Впервые для частотного и частотно-временного анализа результатов наблюдений микроволнового излучения мезосферного озона применен метод периодограмм Ломба в сочетании с временными окнами и усреднением результатов наблюдений на различных интервалах.

3. Впервые количественно оценены основные временные
характеристики (периоды, продолжительность) быстрых (с периодами от 5
минут и более) колебаний яркостной температуры теплового
микроволнового излучения озона на частоте 142,2 ГГц в ночное время.

4. Проведена оценка погрешности измерений задержки радиосигнала в ионосфере на основании предложенной методики измерений яркостной температуры теплового излучения озона.

Практическая значимость

Предложенная методика наблюдений и обработки результатов измерений позволяет с поверхности Земли получать информацию о быстрых волновых процессах, происходящих в атмосфере в ночное время на высотах от 50 до 100 км, оценить их временные характеристики, возможное влияние на ионосферу и условия распространения радиоволн. Своевременное обнаружение и анализ таких процессов в верхних слоях атмосферы позволит учесть ионосферную составляющую погрешности наземных измерений временных характеристик АФУ космических аппаратов. Информация о спектрах и интенсивностях внутренних гравитационных волн (волн плавучести) в области МНТ необходима также для расчетов и моделирования энергетического баланса атмосферы в целом.

Защищаемые положения

  1. Разработана методика регистрации волновых возмущений в атмосфере на высотах 50-100 км (в слое D и нижней части слоя Е ионосферы) в ночное время. Методика основана на длительных автоматизированных измерениях яркостной температуры спектров излучения мезосферного озона в миллиметровом диапазоне волн с высокими спектральным (0,1 МГц) и временным (около 2 мин) разрешением.

  2. Разработан алгоритм частотно-временного анализа неравномерных по времени рядов, основанный на методе периодограмм Ломба в сочетании с использованием временных окон. Алгоритм применен для обработки данных (результатов) измерений линии излучения озона 142,175 ГГц.

3. Зарегистрированы с надежностью 95 % колебания яркостной температуры микроволнового излучения мезосферного озона с периодами от 5 до 180 мин в ночное время. Длительности (времена жизни) зарегистрированных колебаний яркостной температуры составляют от 10 до 240 мин (1-8 периодов).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 16 работ, включая 4 статьи в журналах, рецензируемых ВАК и входящих в базы Web of Science. 12 работ опубликованы в материалах российских и международных конференций.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на

- Всероссийских семинарах по радиофизике миллиметровых и
субмиллиметровых волн, (Нижний Новгород, 1-4 марта 2011 г., 26 февраля -
1 марта 2013 г. и 27 февраля - 3 марта 2016 г.),

Международных симпозиумах «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД, Санкт-Петербург, 21-24 июня 2011 г. и 23-26 июня 2015 г.),

Международном симпозиуме «Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves» (MSMW-2013, Харьков, 23-28 июня 2013 г.),

IX Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 25-27 ноября 2013 г.),

II Всероссийской микроволновой конференции (Москва, 26-28 ноября 2014 г.),

- Всероссийских конференциях "Необратимые процессы в природе и
технике" (Москва, 26-28 января 2011 г. и 29-31 января 2013 г.),

- конференции молодых ученых «Метрология в XXI веке» (г.п.
Менделеево, 28 марта 2013 г.),

- научно-технической конференции молодых ученых и специалистов
«Актуальные задачи военной метрологии» (Мытищи 26 апреля, 2012 г.).

Полный перечень работ приведен в конце автореферата.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинаре Отдела спектроскопии Отделения оптики ФИАН и на заседании Ученого Совета ФГУП «ВНИИФТРИ».

Личный вклад автора

Автор участвовал:

в создании и испытаниях оптического блока озонометра, в т.ч. в разработке его электронных узлов;

в разработке методики наблюдений и модернизации программы управления работой озонометра;

в проведении вечерних и ночных сеансов наблюдений атмосферного озона;

- в обсуждении и выборе алгоритма обработки результатов измерений.
Автор лично:

разработал программу обработки результатов измерений и исследовал характеристики полученного алгоритма;

провел обработку экспериментальных данных;

участвовал в анализе результатов этой обработки.

Все результаты, приводимые в диссертации, получены либо непосредственно автором, либо с его существенным участием.

Все результаты наблюдений и конструкторской работы, представленной в диссертации, получены в Лаборатории спектроскопии миллиметровых волн Отдела спектроскопии Отделения оптики ФИАН. Все результаты математического моделирования и апробации методики были получены в Отделе метрологического обеспечения координатно-временных и

навигационных систем СВЧ диапазона (№ 86) Отделения разработки и эксплуатации средств метрологического обеспечения координатно временных и навигационных систем (НИО-8) Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (ФГУП «ВНИИФТРИ»).

Работа выполнена при поддержке ОФН РАН по программам «Современные проблемы радиофизики», «Новые источники миллиметрового и терагерцового излучения и их перспективные приложения» и «Радиоэлектронные методы в исследованиях природной среды и человека», а также при поддержке Учебно-научного комплекса ФИАН.

Структура и объем диссертации