Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ . ......... 4
ГЛАВА I. НЕКОТОШЕ ВОПРОСЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТГОМАГНЙТНЫХ ВОЛН В ВОЛНОВОДАХ В ПВШШЖЕНЙИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ.
I. Волновое уравнение в сферически-слоистой среде .......ЛЯ
2. Квазиплоское приближение при распространении коротких
волн в сферически-слоистой ионосфере , 16
3. Приближение геометрической оптики при распространении
коротких волн в изотропной неоднородной ионосфере .......20
4« Некоторые особенности применения геометрической оптики
в ионосферных волноводах без учёта поглощения ....,..,,,.24 5. О представлении решения волнового уравнения вблизи
области отражения в виде бегущих волн ...................28
б# Условия возбуждения межслоевого ионосферного волновод-
ного канала за счёт рефракции 33
7. Краткие выводы . ..........38
ГЛАВА 2. ЗАХВАТ ШЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ИВК ШЇЇ МНОГОКРАТНШ РАССЕЯНИИ НА СЛУЧАЙНЫХ НЕ0ДН0Р0ДН0СТЯХ.
I. Приближение геометрической оптики в случайно-неоднород
ной среде. Матрица эллипсоида корреляции рассеивающих
неоднородностей ,.. 41
2. Приближение рассеяния лучей в сферически-слоистой изот
ропной среде марковским процессом. Уравнение Эйнштейна-
-Фоккера в сферических координатах 46
3. Качественные характеристики лучей; идущих внутри параболического волновода со случайными неоднородностями ....56
4. Влияние рефракции на захват коротких волн в межслоевой
ИВК с учётом многократного рассеяния * 60
5. Краткие выводы 68
ГЛАВА 3. АДИАБАТИЧЕСКОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ В ПРОБЛЕМЕ ВОЗБЩЕНИЯ
гогазонтАЛьно-НЕодаородаого волновода.
І. Влияние рефракции на возбуждение горизонтально-неоднородного межслоевого ИШ при многократном рассеянии ........73
2» Применение метода модифицированной геометрической оптики
вблизи границы волновода .79
З.1 Качественное исследование влияния рефракции при рассеянии
на захват лучей в ионосферный волновод методом фазовых
траєкторій 81
4. Краткие выводы 87
ГЛАВА 4. СТАТИСТИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОД В СЛУЧАЙНО-НЕОДНОРОДНЙХ
ИОШЖНЖ ВОЛНОВОДАХ.
I. Исследование потерь, возникаїоцих вследствие преобразования мод из-за рассеяния на случайных неоднородностях среды . .88
2* Замена описания реального взаимодействия волноводных мод
из-за рассеяния марковским процессом 93
3.. Решение:уравнения переноса интенсивностей взаимодействую
щих мод в рефракционном волноводе 97
4. Краткие выводы 99
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ФЛУКТУАЦИИ УГЛОВ ПРИХОДА ПРИ ДАЛЬНЕМ РАСПРОСТРАНЕНИИ КОРОТКИХ РАДИОВОЛН.
I.' Частотная зависимость флуктуации углов выхода электромагнитных волн при рассеянии в сфергаески-слоистой ионосфере. 101
2» Рассеяние пучка квазикритических лучей в сферически-слои
стой среде с эллипсоидальными неоднородностями 107
3. Связь между законами распределения углов выхода и прихода
для сферической случайно-неоднородной ионосферы 114
4.. Влияние рассеяния на ослабление сигнала при распростране
нии в случайно-неоднородных средах 117
5. Краткие выводы 120
ЛИТЕРАТУРА 127
Введение к работе
Одной из важнейших в теории распространения декаметрових радиоволн считается проблема дальнего распространения. Она обуславливается возрастающей ролью радиосвязи в тех областях человеческой деятельности, которые нуждаются в надежной и оперативной передаче информации на большие расстояния.
После открытия в начале века ионосферы, стало очевидно, что дальнее распространение радиоволн с частотой j" -^3*30 Мгц происходит в канале Земля - ионосфера. Обнаруженная затем высотная неоднородность ионосферной плазмы навела на мысль о возможности существования волноводов и внутри ионосферы. Естественно предположить, что электромагнитные волны (ЭМВ) могут распространяться и по этим каналам. Назовем их ионосферными волно-водными каналами- (ИВК).
Известно, что расчет поля идущих по волноводу ЭМВ обычно осуществляется двумя способами: либо представляя поле в виде суммы нормальных волн, либо рассматривая поле ЭМВ как суперпозицию квазиплоских неоднородных волн, последовательно отражающихся от стенок волновода / 1*6 /. В диапазоне коротких волн (KB) последнее представление переходит в лучевое приближение, поскольку реальные волноводы являются существенно многомодовыми.
До недавнего времени в лучевом приближении единственным разработанным механизмом дальнего распространения в канале Земля - ионосфера считался скачковый. По нескольким известным методикам можно было рассчитать практически все характеристики ЭМВ внутри волноводов: амплитуду, групповую задержку, углы прихода, поглощение и т.д. / 9+10 /. Менее чем в 40$ случаев измеренные значения величин совпадали с рассчитанными по этим методикам.
- 5 -Но чаще всего эти расчеты давали завышенные оценки поглощения и плохо согласовывались с измеренными углами прихода и времени задержки сигналов. Поэтому, наряду со скачковым, сейчас общепризнанными являются волноводный (в межслоевом EF -канале, либо в подслоевых Е- и F -каналах) и скользящий механизм распространения.
Наиболее привлекательным из 2-х последних способов является волноводный, когда распространение происходит внутри оторванного от Земли волновода. Основными его достоинствами являются: слабое затухание, стабильность времени группового запаздывания, а также возможность пропускания волн с частотами выше максимально применимых для слоя F . В пользу волноводного механизма распространения свидетельствуют результаты и большого числа прямых экспериментов / II * 14 /. Так, например, в / 15 / наблюдались обратные сигналы на нескольких приемных станциях, расположенных вблизи плоскости большого круга. Оказалось, что сигналы не наблюдались в затемненной области, а были зафиксированы только в освещенной части трассы, что говорит о локализации излучения в оторванном от Земли ионосферном волноводе. Распространение внутри волноводного канала позволило также объяснить слабое затухание сигналов искусственных спутников Земли /16 + 18 /.
При скользящем распространении два луча, один сверху9 другой снизу асимптотически приближаются к вершине слоя (максимуму электронной концентрации). Надо, правда, сразу отметить, что скользящее распространение можно наблюдать не только вблизи ок-рестности максимума функции По (Ъ) * Л»(ъ) - показатель преломления среды, % - радиус-вектор исследуемой точки), но и вдоль области перегиба этой функции. Если обычная дальность при скачко-
вом механизме не превышает 2,5 тыс.км, то при скользящем распространении она составляет 4-5 тыс.км /19+22 /. Однако большим ограничением скользящего механизма служит сильная расходимость скользящего пучка лучей и его большая чувствительность к случайным возмущениям вследствие рассеяния на случайных не-однородностях / 22 * 24 /. Поэтому этот механизм не может претендовать на самостоятельное объяснение особенностей сигналов, прошедших большой путь, и его следует рассматривать либо в комбинации со скачковым или волноводным механизмами, либо как причину, вызывающую запитку межслоевого ИВК /5, 7 /.
Остановимся пока на волноводном механизме, поскольку с нашей точки зрения он является наиболее приемлемым способом описания большинства случаев дальнего распространения. Тогда при наземном расположении передатчика возникает проблема возбуждения ионосферного волновода, который не соприкасается с поверхностью Земли. Если исключить рассеяние, то в обычных условиях в ионосфере нет эффективных факторов, которые могли бы обеспечить лучу необходимый доворот на 18-20 (дело в том, что предельный угол падения на ионосферу не может превышать 70-72).
Рассмотрим кратко известные естественные механизмы захвата / 5, 7 /. В настоящее время наиболее вероятными механизмами считаются, в порядке эффективности, следующие: а) рефракция при наличии горизонтальных градиентов электронной концентрации ( 5 кгц/км); б) рефракция на локализованных крупномасштабных неод-нородностях; в) рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях; г) рассеяние (случайная рефракция) на крупномасштабных неоднородностях; д) неадиабатический захват и вывод лучей из канала (эффект раскачки ширины неоднородного волновода / 25 * 27 /); е) просачивание энергии ЭМВ через стенки волновода /7, 28 /.
Если говорить о первых двух механизмах захвата, то можно сказать, что наличие значительных горизонтальных градиентов (более 5 кгц/км) и отдельных крупномасштабных неоднородностей размерами в сотни и тысячи километров не является характерным для обычных условий спокойной ионосферы. Однако в совокупности с другими факторами, такими как многократное рассеяние, и меньшие градиенты могут создавать благоприятные условия для возбуждения ИШ.
Вопрос о влиянии рассеяния на мелкомасштабных неоднороднос-тях на захват коротковолнового излучения в ИВК был детально изучен в работах / 29 * 35 /. Исследования показали, что на частотах J~20-30 Мгц оптимальный захват происходит в том случае, когда неоднородности находятся вблизи оси волновода, а их характерные масштабы не превышают 50-100 м. Коэффициент захвата, при этом, не превышал 1% / 7, 29 * 35 /. Однако этот механизм наиболее перспективен при искусственной запитке ИВК. В последнее время развитие техники привело к появлению мощных нагревных передатчиков, что дало возможность проводить залитку ИВК с помощью рассеяния на искусственных, в основном мелкомасштабных, неодно-родностях, возникающих под действием мощного радиоизлучения с Земли / 36 * 40 /
В работе / 41 / рассматривалась специфика нелинейного возмущения, приводящего к дефокусировке пучка мощного излучения, из-за чего менялся угол наклона периферийных лучей. При этом возникала возможность захвата последних в ИВК. То есть, действие этого механизма эквивалентно созданию искусственного горизонтального градиента. Возможен также и "прорыв" мощного излучения в межслоевой ИВК / 42 /. Отразившись от более толстого вышележащего слоя, такой пучок поворачивает обратно. Если подобрать его
- 8 -мощность таким образом, что он из-за ослабления не сможет пройти через нижний слой, то такой пучок будет заперт в межслоевом канале / 43 /.
Также известно, что при отражении мощных радиоволн в ионосфере ниже области отражения могут возникать квазипериодические возмущения ионосферной плазмы / 44 * 46 /. Такие возмущения являются своеобразной дифракционной решеткой, способной резонансно отражать короткие волны. Как показано в работах / 38, 45,46 / при рассеянии под брегговским углом даже слабое волнообразное возмущение может обеспечить довольно высокий коэффициент захвата излучения передатчика, расположенного на Земле.
В данной работе мы будем считать, что мощности распространяющегося пучка лучей недостаточно, чтобы вызвать нелинейные изменения показателя преломления среды и будем рассматривать естественные механизмы захвата без привлечения рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. Дело в том, что при дальнем распространении в случайно-неоднородной среде, которой является реальная ионосфера, радиоволны испытывают многократное рассеяние. Это особенно очевидно, так как для запитки ИВК лучше использовать пучки ЭМВ, падающих на ионосферу под большими углами,из-за чего они проходят большие расстояния в рассеивающей среде, что и приводит к необходимости учета многократного рассеяния.
Учет влияния многократного рассеяния на захват энергии коротких волн в ИВК рассматривался в / 48 + 50 /. В /48, 49 / процесс запитки сферического волновода описывался с помощью уравнения переноса излучения для функции распределения j . В малоугловом приближении это уравнение путем довольно сложных преобразований и упрощений приводилось к диффузионному, описывающему изменение распределения / по адиабатическому инварианту. Из-
вестей и другой путь описания этого процесса. Он основан на использовании уравнения типа Эйнштейна-Фоккера-Колмогорова / 51, 52 /. В этих работах можно найти строгое математическое обоснование использования этого уравнения в случае плоского однородного волновода, заполненного средой с 8* -коррелированной функцией корреляции флуктуации диэлектрической постоянной. Однако при всей математической строгости результаты этих работ трудно использовать в практике. Поэтому исследование захвата и вывода энергии из однородных и неоднородных каналов проводилось по более простой и приспособленной к ионосфере схеме, полученной из эмпирических соображений в / 53 * 57 /. Как оказалось, она быстрее приводит к конечному результату, чем схема /51, 52 /, ибо уравнение переноса, которым там пользуются, в общем случае является интегро-дифференциальным. Его решение подчас превращается в сложную математическую задачу, которая становится разрешимой только после ряда упрощений.
Ранее диффузионное уравнение типа Эйнштейна-Фоккера использовалось в работах / 57 * 62 / для анализа статистики флуктуации лучей в ионосфере с : монотонным профилем П0 (Ъ) . Данная диссертация представляет собой попытку распространения этого метода на случай волноводного и скользящего прохождения ЭМВ через среды со случайными флуктуациями параметров. При этом удалось высветить роль рефракции как механизма, способствующего захвату рассеянной энергии ЭМВ в ИВК.
Более подробно о дальнем распространении коротких волн и способах запитки ионосферных волноводов можно найти в монографиях / 2, 7, 8, II, 20, 21 / и обзорах /4, 5 /.
Резюмируя, можем сказать, что в данной диссертации были поставлены и решены следующие задачи:
- 10 -- рассмотрена роль рефракции при многократном рассеянии как дополнительного фактора, способствующего усилению возбуждения ионосферных волноводов;
исследована статистика флуктуации углов прихода сигналов, прошедших большие дистанции по скачковой, волноводной или скользящей траектории;
выявлен ряд закономерностей взаимодействия волноводных мод вследствие рассеяния на крупномасштабных неоднородностях среды распространения;
изучено влияние многократного рассеяния на ослабление интенсивности волны или пучка электромагнитных волн, проходящих через случайно-неоднородную ионосферу.
На защиту выносятся следующие положения:
постановка и решение задачи об исследовании возбуждения межслоевого ионосферного волновода рассеянным излучением наземного источника с помощью диффузионного уравнения типа УЭФ;
алгоритм расчетов энергетических характеристик возбуждаемого межслоевого волновода рассеянным излучением с учетом рефракции;
вывод о том, что при больших углах падения рассеяние на КМН играет более важную роль, чем не мелкомасштабных неоднород-ностях;
результаты исследования взаимодействия волноводных мод из-за рассеяния на КМН внутри рефракционного волновода;
результаты расчетов ослабления интенсивности сигналов, распространяющихся по скользящим, скачковым и волноводным траекториям;
результаты исследования влияния кривизны ионосферы на флуктуационные характеристики углов выхода и прихода с учетом различных моделей высотного хода флуктуации показателя прелом-
- II -
ления ионосферы.
В диссертации принят следующий порядок нумерации формул: первая цифра означает номер главы, вторая - ее порядковый номер в данной главе.
