Визначення електронної концентрації іоносферної плазми методом некогерентного розсіяння радіохвиль у режимі двочастотного зондування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

УДК 537.386: 550.38

Визначення електронної концентрації іоносферної плазми методом некогерентного розсіяння радіохвиль у режимі двочастотного зондування

01.04.03 - радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Черняк Юрій Вікторович

Харків 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті іоносфери Національної академії наук України та Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник ЛИСЕНКО Валерій Миколайович, заступник директора з наукової роботи Інституту іоносфери Національної академії наук України та Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

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, м. Харків

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник ГОКОВ Олександр Михайлович, старший науковий співробітник кафедри космічної радіофізики Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна.

Захист відбудеться “19” березня 2009 р. о 15:00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова Національної академії наук України за адресою: 61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12.

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

Автореферат розісланий “16” лютого 2009 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Рудь Л.А.

Загальна ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертаційну роботу присвячено розширенню можливостей радіофізичного методу некогерентного розсіяння (НР) для визначення електронної концентрації іоносферної плазми шляхом розширення висотного діапазону та підвищення точності визначення просторово-часових варіацій електронної концентрації іоносферної плазми в спокійні періоди, а також під час геомагнітних та антропогенних збурень.

Актуальність теми. Дослідження іоносфери наземними радіофізичними методами обумовлені необхідністю розвитку сучасних уявлень про характер сонячно-земних зв'язків та про ближній космос. Важливість і актуальність цих досліджень підтверджується створенням глобальних систем моніторингу “космічної погоди”, куди входять спостереження за поведінкою Сонця, магнітосферою та іоносферою Землі. Дослідження стану навколоземного космічного середовища включають дослідження іоносферних процесів, у тому числі тих, що відбуваються як в нижніх її областях, так і на висотах більше 1000 км. Поведінка електронної концентрації (N_e) іоносфери відображує вплив на навколоземний простір сонячних спалахів, викидів коронарної маси і викликаних ними магнітних бур. Варіації N_e впливають на функціонування широкого спектру радіотехнічних систем зв'язку і навігації наземного та космічного базування, впливають на динаміку орбіт космічних апаратів.

Метод НР радіохвиль дозволяє визначати експериментально як регулярні варіації N_e та інших параметрів іоносфери, так і їх поведінку під час збурень природного та антропогенного характеру. Дані іоносферних вимірювань використовуються для розвитку фундаментальних знань про сонячно-земні зв'язки і фізичні процеси, які протікають в геокосмосі, і розв'язання прикладних задач.

У зв'язку з цим дуже важливою задачею є підвищення точності та подальший розвиток можливостей радіофізичного методу НР щодо визначення електронної концентрації в широкому діапазоні висот. Необхідність отримувати дані, що призначені для загальнонаукового користування щодо варіацій електронної концентрації та інших параметрів іоносферної плазми залежно від сезону, часу доби в спокійних умовах та особливостей їх поведінки в умовах природних збурень різного характеру, також визначає актуальність виконаних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Результати досліджень, представлені в дисертації, одержано в рамках НДР за 2000-2008 роки, що виконувалися в Інституті іоносфери НАН і МОН України, в яких автор брав участь як виконувач тем, а саме: “Дослідження теплових, динамічних і фотохімічних процесів в нижній частині області F іоносфери”, номер держреєстрації 0103U001544; “Дослідження властивостей іоносферної плазми в областях E і F іоносфери”, номер держреєстрації 0102U002996, “Дослідження середньоширотної іоносфери під час геокосмічних збурень в період низької сонячної активності”, номер держреєстрації 0105U002365; “Дослідження впливу магнітних бур і сонячних спалахів на теплові та динамічні процеси в навколоземній космічній плазмі на фазі зниження сонячної активності”, номер держреєстрації 0102U001301; “Експериментальні та теоретичні дослідження сезонних та добових варіацій космічної погоди для створення передбачуваних методик”, номер держреєстрації 0107U004527.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення висотно-часових варіацій електронної концентрації іоносферної плазми методом некогерентного розсіяння радіохвиль у діапазоні висот 100-1000 км одночасно, а також підвищення точності їх одержання.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі задачі:

- розробити спосіб визначення електронної концентрації одночасно в діапазоні висот 100-1000 км з урахуванням особливостей висотної структури іоносфери і процесу некогерентного розсіяння радіохвиль в цьому діапазоні висот;

- удосконалити комплекс вимірювальної апаратури на радарі НР і процедури визначення висотних залежностей електронної концентрації в діапазоні висот 100-1000 км;

- розвинути узагальнену модель вимірювального каналу, оцінити похибки при визначенні електронної концентрації розробленими способом;

- провести апробацію розробленого способу в процесі спостереження як регулярних висотно-часових варіацій електронної концентрації іоносфери, так і під час збурень різного характеру та аналіз отриманих результатів.

Об'єктом дослідження є процес некогерентного розсіяння радіохвиль іоносферною плазмою, параметри якої визначають характеристики НР сигналу. електронний концентрація іоносферний плазма

Предметом дослідження є взаємозв'язок статистичних характеристик некогерентно розсіяного сигналу з параметрами іоносферної плазми, питання підвищення точності радіофізичних вимірювань в умовах присутності штучних об'єктів у навколоземному просторі, особливості варіації електронної концентрації іоносфери середніх широт східноєвропейського регіону в умовах спокійної та збуреної іоносфери.

Методи дослідження. У роботі використано теоретичний і експериментальний методи дослідження енергетичних, кореляційних і спектральних характеристик НР сигналу, а також висотно-часових залежностей електронної концентрації іоносферної плазми. Для теоретичного аналізу використовувалися методи аналізу поширення і розсіяння радіохвиль, положення статистичної радіофізики і кореляційного аналізу, а також комп'ютерне моделювання. Просторово-часові залежності електронної концентрації і статистичні характеристики НР сигналу отримано експериментальним методом.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна результатів дисертаційної роботі полягає у такому:

- розроблено та реалізовано спосіб визначення електронної концентрації в іоносфері, який полягає в тому, що до інформації про потужність НР сигналу та температури частинок, отриману при зондуванні імпульсом великої тривалості, запропоновано додавати одержані з високим розрізненням дані про потужність сигналу розсіяння, отримані при зондуванні в діапазоні висот 100-200 км одночасно коротким імпульсом на іншій частоті;

- розвинено узагальнену модель вимірювального каналу відповідно до функціонування системи обробки радіолокатора НР. В процедурах розрахунку статистичних характеристик сигналу НР запропоновано враховувати вплив ефекту Фарадея, зміну потужності сигналу розсіяння та спотворення форми його кореляційних функцій (КФ) в імпульсному об'ємі;

- вперше порівняно оцінки похибок, що виникають під час розрахунку висотного розподілу КФ, у випадку двочастотного двохімпульсного зондування;

- вперше в процедурах виключення завад, які мають характер сигналів когерентного відбиття від штучних супутників Землі та “космічного сміття”, для підвищення точності оцінки характеристик прийнятого сигналу запропоновано проводити їх статистичний аналіз за допомогою функції правдоподібності;

- розроблено нову методику уточнення відношень температур плазми для діапазону висот 100-200 км. В ній за рахунок використання ітераційних процедур співставляються та уточнюються дані, одержані методом НР, з додатковою інформацією - іонограмами вертикального зондування;

- в процесі проведення реальних експериментів підтверджено ефективність і дієздатність удосконалених методик оцінки радіолокаційних даних, завдяки яким вперше для середніх широт східноєвропейського регіону вдалося зареєструвати сигнали когерентних ехо та проаналізувати висотно-часовий розподіл їх амплітудних та спектральних характеристик;

- вперше у східноевропейському регіоні в період з 2003 по 2008 роки розробленим способом отримано дані про варіації електронної концентрації в інтервалі висот 100-1000 км з покращеним висотним розрізненням, у тому числі під час сонячних затемнень, надсильних і помірних магнітних бур, а також збурень, викликаних стартами потужних ракет.

Практичне значення одержаних результатів. Реалізація на харківському радарі НР вдосконаленого способу діагностики іоносфери дозволила отримати нові дані про висотно-часовий розподіл електронної концентрації в діапазоні 100-1000 км у спокійних та збурених умовах, а також дані про характеристики сигналів, розсіяних іоносферними турбулентностями. Отримані результати є базовими при створенні емпіричної регіональної моделі спокійної іоносфери, що розробляється в Інституті іоносфери. Експериментальні результати можуть бути використані при моделюванні збуреної іоносфери, при розробці моделей іоносферних неоднорідностей, оцінки можливого впливу сильних іоносферних збурень на трансіоносферні лінії зв'язку та системи навігації. Результати дисертаційної роботи можна використовувати у науково-дослідних організаціях, що працюють в області радіофізики, геофізики, аналізу поширення радіохвиль, дослідження сонячно-земних зв'язків, контролю стану ближнього космосу, при розв'язанні багатьох як фундаментальних, так і прикладних задач.

Особистий внесок здобувача. Розв'язання задач, які поставлені у дисертації, здійснено здобувачем особисто або при його безпосередній участі. Автор розробив спосіб визначення електронної концентрації в іоносфері з використанням двохімпульсного двочастотного зондуючого сигналу. Він особисто та в співавторстві розробив апаратуру, що реалізує цей спосіб, алгоритми і програми реєстрації та обробки іоносферних даних. Ці розробки у теперішній час використовуються на радарі НР Інституту іоносфери. Автор ініціював та брав участь в проведенні експериментів і самостійно провів аналіз експериментальних даних. У роботах [1, 7, 10] автором розроблено та реалізовано спосіб визначення параметрів іоносфери та розроблено апаратурні засоби для визначення електронної концентрації у діапазоні 100-1000 км з використанням двочастотного зондуючого сигналу. У роботах [2, 11] автором розвинено математичну модель вимірювального каналу, зокрема у моделі враховано двочастотне зондування та вплив ефекту Фарадея, розраховано похибки при визначенні електронної концентрації з використанням двочастотного вимірювального каналу. У роботі [3] проведено статистичну оцінку інтенсивності появи сигналів відбиттів від об'єктів на навколоземній орбіті, оцінено їх вплив на точність визначення параметрів НР сигналу. Спільно із співавторами запропоновано спосіб їх виділення на фоні НР сигналу. У роботах [4 - 6, 8, 9, 12-16] автор брав участь в модифікації методу визначення електронної концентрації в умовах іоносферних збурень різного походження, на основі виконаних спостережень проводив розрахунки просторово-часових розподілів електронної концентрації, провів виділення і визначення основних характеристик сигналів середньоширотних когерентних ехо, провів співставлення варіацій електронної концентрації і параметрів іоносфери з характеристиками космічної погоди.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи було представлено на I-VIII українських конференціях з космічних досліджень (Київ, 2001, Кацивелі, Крим, 2002-2003, Понізовка, Крим, 2004, Євпаторія, Крим, 2005-2008), на Байкальській школі з фундаментальної фізики (Іркутськ, 2003), II-V конференціях молодих науковців "Радіофізика і НВЧ електроніка" (2002-2006, Харків), міжнародних конференціях: 7th COSPAR Scientific Assembly (Montreal, Canada 2008), XXIX URSI General Assembly (Chicago, USA 2008).

Публікації. Основні результати дисертації викладено в 6 статтях у фахових вітчизняних і зарубіжних журналах [1-6], додатково висвітлено у 3 нефахових виданнях [7-9], в одному патенті [10] та в 12 тезах доповідей на конференціях, серед яких [11-16].

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, висновків, 65 ілюстрацій і 2 таблиці. Перелік використаних джерел містить 126 бібліографічних посилань на 13 сторінках. Основний текст дисертаційної роботи викладено на 156 сторінках друкованого тексту, загальний обсяг роботи складає 185 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі надано основну характеристику дисертації, обґрунтовано актуальність досліджень висотно-часового розподілу електронної концентрації та параметрів НР сигналу в діапазоні 100-1000 км в спокійних та збурених умовах, показано зв'язок з науковими темами і програмами. Сформульовано мету і задачі роботи, наукову новизну отриманих результатів, їх практичну цінність. Визначено особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію і публікації результатів дисертаційної роботи. Коротко викладено зміст дисертації.

В першому розділі по матеріалах літературних джерел розглянуто основні радіофізичні методи, що дозволяють визначати розподіл електронної концентрації у іоносфері. Проаналізовано методи вертикального зондування, радіопросвічування та некогерентного розсіяння радіохвиль. Розглянуто основні положення методу НР, особливості його застосування для визначення висотного розподілу електронної концентрації в іоносфері.

На харківському радарі НР електронна концентрація N_e визначається за виміряним профілем потужності НР сигналу. N_e зв'язано з потужністю НР сигналу:

(1)

де: К - коефіцієнт пропорційності, залежить від параметрів радара (знаходиться шляхом визначення абсолютного значення N_e в максимумі шару F₂ методом вертикального зондування), - нормований висотний профіль потужності НР сигналу. Значення електронної T_e та іонної T_i температур визначаються за кореляційними функціями НР сигналу.

Для визначення N_e використовувалися два типи зондуючих сигналів (ЗС). Перший ЗС - одиночний радіоімпульс великої тривалості T=0,6-0,8 мс для дослідження іоносфери в інтервалі висот 300-1000 км з висотним розрізненням 100-120 км. Така тривалість зондуючого сигналу забезпечує достатній енергетичний потенціал радару та необхідне спектральне розрізнення. Другий ЗС - періодична послідовність одиночних і здвоєних радіоімпульсів тривалістю T=65-130 мкс з змінюваною міжімпульсною затримкою. Цей ЗС забезпечує висотне розрізнення 10-20 км. Метод обробки НР сигналу базується на визначенні оцінок потужності та комплексної КФ. Обчислюються потужність та оцінка КФ НР сигналу з розрізненням з висотою ?hcT/2. У режимі зондування періодичною послідовністю одиночних і здвоєних радіоімпульсів на кожній розгортці дальності визначається або висотний профіль потужності, або значення КФ. Вимірюються значення КФ, які для висот 100-500 км лежать в області її найбільш інформативної частини.

Зміна режимів випромінювання при дослідженні всього висотного діапазону 100-1000 км призводить до втрати частини даних (потрібний час на зміну режимів, іоносфера досліджується лише в одному з діапазонів висот). Таким чином, є протиріччя, яке полягає в необхідності реалізації в метровому діапазоні хвиль способу вимірювань без часового розділення режимів зондування з одночасним збереженням спектрального та просторового розрізнень а також статистичної точності в діапазоні висот 100-1000 км.

У другому розділі розглянуто спосіб підвищення точності визначення електронної концентрації методом НР в діапазоні висот 100-1000 км.

У підрозділі 2.1 запропоновано спосіб визначення електронної концентрації в іоносфері з використанням двохімпульсного двочастотного зондуючого сигналу методом профілю потужності (1). Розроблено двочастотний вимірювальний канал, який реалізує цей спосіб на Харківському радарі НР. Удосконалено методики обробки параметрів НР сигналу. Це дозволило розв'язати задачу визначення N_e іоносферної плазми зі збереженням прийнятних статистичних похибок, висотного, часового та спектрального розділення одночасно в діапазоні 100-1000 км.

Відомо, що N_e найбільш швидко змінюється з висотою нижче максимуму F₂, іоносферні шари знаходяться у діапазоні висот 100-400 км, а далі N_e повільно зменшується з висотою. З урахуванням цього для розв'язання задачі одночасного визначення N_e в діапазоні висот 100-1000 км автором розроблено і реалізовано на радарі НР спосіб вимірювання N_e(h), який базується на використанні двохімпульсного двочастотного зондуючого сигналу. При цьому реалізується додатковий канал вимірювання висотного розподілу потужності НР сигналу з покращеним розділенням за відстанню (10-20 км).

В цілому, вимірювальний канал складається з передавального двоканального пристрою, антенно-фідерної системи, каналу поширення радіохвиль - іоносфери, багатоканального радіоприймального пристрою і корелятора. ЗС представляє собою послідовність двох дискретних частотних елементів (рис. 1). Елемент (T₁=600-800 мкс), призначений для зондування верхнього діапазону висот, формується на початку посилки, а елемент (T₂ = 65-130 мкс) її завершує. Несуча частота елементу великої тривалості f₀₁ = 158 МГц, несуча частота елементу малої тривалості відрізняється на 100 кГц, що виключає потрапляння сигналу в іншій елемент каналу. Передавальний пристрій за допомогою антени випромінює двочастотну послідовність радіоімпульсів великої потужності.

Моменти часу і відповідно є точками відліку висоти для кожного елементу імпульсної послідовності. Відбувається розсіяння радіоімпульсів на просторових неоднорідностях середовища і формування сигналу НР. Для елементу імпульсної послідовності T₁ мінімальним інтервалом формування сигналу НР є інтервал висот h₂-h₃ при відповідному інтервалі затримок , а для елементу з T₂ - інтервал висот h₁-h₂.

Для одночасної обробки НР сигналів спеціально розроблено чотирьохканальний корелятор. У елементі каналу обробки ЗС великої тривалості розраховуються висотні залежності комплексної КФ. У елементі каналу ЗС малої тривалості розраховується висотна залежність розсіяної потужності.

Процедуру визначення N_e при зондуванні двочастотною імпульсною послідовністю наведено на рис. 2. Після виключення сигналів відбиттів від космічних об'єктів формуються усереднені сеанси. Температури T_i та T_e визначаються шляхом порівняння виміряної КФ з розрахованими теоретично. При розрахунку повного профілю N_e в діапазоні висот 100-1000 км розв'язується задача погодження висотних залежностей потужностей НР сигналів, отриманих у кожному з елементів вимірювального каналу. Враховується, що вище за максимум іонізації відношення сигнал/шум швидко спадає із зростанням висоти.

На початку розв'язується задача зняття невизначеності висоти максимуму розсіяної потужності для даних каналу з великою тривалістю ЗС. Область погодження вибирається вище максимуму висотного розподілу потужності, де вона приймає значення 0.4-0.7 від максимального і зміна потужності в імпульсному об'ємі носить експоненційний характер. Далі методом профілю потужності (1) розраховується висотний профіль N_e.

Елемент ЗС, що забезпечує необхідну роздільну здатність на нижніх висотах не дозволяє визначати КФ середовища, що розсіює, і відповідно співвідношення T_e/T_i, необхідне при визначенні N_e згідно (1). За даними вимірювань параметрів нижньої іоносфери і результатами розрахунків за моделлю іоносфери IRI-2001 отримано, що на нижніх висотах зберігається теплова рівновага між електронним, іонним і нейтральним компонентами (T_e=T_i=T_n) через високу густину нейтральних часток. Максимальна висота області, де T_e/T_i=1, для іоносфери середніх широт знаходиться в межах 140-180 км. З врахуванням цього, висотний хід відношення T_e/T_i розраховується шляхом інтерполяції від 1 у діапазоні 90-180 км до значень, отриманих з висоти ~ 200 км, де визначено КФ НР сигналу. Додатково в складних умовах (зсув максимуму F₂ нижче 200 км) можуть бути використані дані станції вертикального зондування.

У підрозділі 2.2 надано розвиток моделі узагальненої схеми вимірювального каналу, яка відрізняється від аналогу тим, що враховано виміряну характеристику зміни потужності в імпульсному об'ємі та ефекту фарадеевського обертання площини поляризації. Проведено моделювання процесу вимірювання параметрів НР сигналу і визначено похибки, що виникають при визначенні потужності і нормованих КФ НР сигналу та N_e для двочастотного вимірювального каналу.

Отримано інтегральний вираз, який зв'язує КФ середовища, що розсіює??(h,?), тривалість T та форму U(t) ЗС, імпульсну характеристику g(t) приймального каналу з КФ НР сигналу. При цьому додатково враховується вплив ефекту Фарадея. За умови, що на інтервалі c?/2 параметри середовища істотно не змінюються, КФ НР сигналу в основному елементі каналу:

, (2)

де t₀ затримка у НЧ фільтрі, 0K₁1 и 0K₂1 коефіцієнти передачі у каналі формування кругової поляризації, K₂=(1-K₁); (t) - характеристика відновлення антенного комутатора; кут повороту плоскості поляризації сигналу, f₀ робоча частота радару в Гц; , H - напруженість магнітного поля Землі; кут магнітного нахилу.

Оцінка нормованої КФ: , де потужність; - коефіцієнт корекції; ; - висотна залежність потужності розсіяного сигналу, ?ini(h) - висотна залежність перерізу розсіяння; P_ini(t) - потужність НР сигналу, що отримана при розсіянні зондуючого сигналу малої тривалості та використовується для розрахунку коефіцієнта корекції K(t_j,?).

Проведено математичне моделювання виміряних висотних залежностей КФ НР сигналу на виході вимірювального каналу. Промодельовані КФ піддавалися перетворенням, відповідним новому алгоритму обробки, який впроваджено на харківському радарі НР. На рис. 3 і рис. 4 показані результати моделювання процесу вимірювання КФ (а) та спектру НР сигналу (б), температур T_i та T_e (г) і N_e (в) в елементі вимірювального каналу з великою тривалістю ЗС, а також N_e в елементі вимірювального каналу з малою тривалістю ЗС і розрахунку відносної похибки цих параметрів (д, е, ж). Для завдання висотних залежностей N_e і температур заряджених частинок була використана Міжнародна модель іоносфери IRI-2001. Вхідні параметри іоносфери відповідають полу денному часу і нічним умовам для літнього сезону. На рис. 4 показані ті ж характеристики, що і на рис. 3, вхідні параметри іоносфери відповідають зимовим умовам. Має місце істотне зменшення похибки при використанні даних елементу вимірювального каналу із ЗС малої тривалості в районі максимуму шару F₂ і нижче.

Менша похибка в цьому діапазоні висот та розширення нижньої границі досліджуваної області іоносфери є головною перевагою розробленого способу визначення N_e.

У підрозділі 2.3 проведено оцінку впливу на точність вимірювань N_e в іоносфері сигналів, що виникають при відбитті зондуючих сигналів від об'єктів, що знаходяться на навколоземних орбітах, та розроблено процедури їх виділення.

З використанням моделі вимірювального каналу проведено моделювання впливу сигналу відбиття імпульсів на процес визначення N_e та інших параметрів

іоносфери. На рис. 5 наведено результати моделювання. Показано залежності перерізу розсіяння, КФ та T_i, T_e за наявності завади від об'єкту з висоти 700 км. Можна бачити, що в області висот, яка дорівнює протяжності об'єму зондування, розраховані параметри не достовірні. Нормований переріз розсіяння завищено, а температури відрізняються від очікуваних на величину 2000 К.

Особливістю методу НР є те, що корисний сигнал присутній практично постійно і має шумовий характер. В той же час завада у вигляді відбиттів від штучних супутників Землі з'являється лише у разі, коли об'єкт пересікає головний чи бічні пелюстки діаграми спрямованості антени радара. Значення часів прольоту космічних об'єктів для висот 200-1000 км розташовані в інтервалі t = 0,17-2,6 с. Через велике відношення сигнал/шум для сигналів відбиттів, їх наявність в обмеженій кількості розгорток дальності (10-100) приводить до спотворень висотного профілю потужності та КФ при накопиченні протягом 1 хв. Ця ситуація повторюється часто. На рис. 6 показано експериментально отриманий висотний розподіл випадків появи сигналів відбиттів протягом декількох діб. Для врахування їх впливу необхідно локалізувати даний сигнал, визначивши його параметри.

Завадовий сигнал має особливості, що виявляються при розгляді декількох тактів зондування. Завдяки цьому його можна виділити на фоні НР сигналу і виключити.

У тактах зондування здійснюється вибірка адитивної суміші сигналу та шумів. Час кореляції НР сигналу істотно менше періоду повторення зондуючих імпульсів. Оскільки НР сигнал є гаусів процес з нульовим середнім, то умовна густина імовірності , а оцінка максимальної правдоподібності - .

Коли в зону видимості радару потрапляє об'єкт, від якого відбивається ЗС, то спостерігається завадовий сигнал. Оцінка максимальної правдоподібності при цьому ;. Величина порогу , де - оцінка відношення накопиченої потужності завади до виміряної потужності. Далі визначається відношення правдоподібності . Правило прийняття рішення полягає в порівнянні з порогом .

У третьому розділі наведено найбільш характерні результати спостережень на радарі НР Інституту іоносфери висотних і висотно-часових залежностей електронної концентрації і параметрів НР сигналу, що підтверджують працездатність та ефективність розробленого способу, методик та апаратури. Результати отримано в спокійних геомагнітних умовах та протягом збурень різного характеру. Одночасно визначалися N_e(h) з підвищеним висотним розрізненням (10-20 км) у діапазоні висот 100-400 км, а також T_e(h) и T_i(h), швидкості дрейфу плазми, N_e(h), іонний склад в діапазоні висот 200 - 1000 км з висотним розділенням 100 км. Профіль N_e(h) у додатковому елементі вимірювального каналу визначався згідно з алгоритмом, що викладено у розділі 2.

У підрозділі 3.1. представлено і проаналізовано результати вимірювань N_e іоносферної плазми в магнітоспокійні періоди у 2003-2004 роках. Отримано дані про висотно-часовий розподіл N_e в областях Е и F іоносфери у період зниження сонячної активності. На рис. 7 наведено висотно-часовий, а на рис. 8 -висотний розподіли N_e, розраховані за даними двочастотного вимірювального каналу відповідно 23-24 09.2003 і 16-17 08.2004. Використовуючи дані елементу каналу, що забезпечує розрізнення за висотою 20 км (рис. 7 б, рис. 8 а-д), вперше вдалося знизити нижню границю досліджуємого діапазону висот іоносфери до 90 км. Чітко помітна структура іоносфери нижче за максимум F₂ (шари E и F₁), зменшено невизначеність вимірювань висоти головного максимуму F₂. Одночасно спостерігається верхня іоносфера до 1000 км й вище. Найбільше значення N_e у максимумі для 23-24 вересня склало ~7,5·10⁵ см-³.

У денний час спостерігалася область Е з N_e у максимумі ~2,1·10⁵ см-³, а також шар F₁ ;16-17 червня значення N_e в максимумі F₂ склало ~6,8·10⁵ см^-3.

Для оцінки достовірності отриманих результатів і аналізу регіональних особливостей розподілу N_e на середніх широтах Європи проведено порівняння результатів, отриманих експериментально, з розрахунками по міжнародній моделі IRI-2001. На рис. 7в та рис. 8е наведено результати розрахунків N_e за моделлю. Спостерігається принципова збіжність за характером висотного та часового розподілу з даними, отриманими на радарі в Харкові. Але значення, отримані при вимірюваннях, перевищують модельні. Ці відмінності можуть бути пояснені тим, що модель IRI-2001 будувалася на базі даних, отриманих в основному в західній півкулі. Тому цінність отриманих експериментальних результатів у европейскому регіоні безумовна.

У підрозділі 3.2. наведено результати вимірювань характеристик НР сигналу і параметрів іоносфери під час часткового затемнення Сонця 29.03.2006. Максимальне покриття диска Сонця склало 77,4 %. Загальна тривалість затемнення над Харковом склала 2 год 18 хв. Для даного періоду була характерна слабка геомагнітна активність (Dst=-6 -22 нТл).

На рис. 9 показано варіації N_e, і температур іоносфери в максимумі F₂ під час затемнення. Добре видно реакцію значень N_e і T_e на зміну фази затемнення. Зменшення T_e на висоті максимуму іонізації склало 600-800 К. На рис. 10 показано зміну відношення сигнал/шум (пропорційного N_e) для 29.03.2006 у діапазоні висот100-300 км, висотне розділення 20 км. Спостерігалося зменшення цього параметру у 1,5 рази на висотах 110-160 км.

На стадії завершення затемнення вперше спостерігалося помітне збільшення частоти появи спорадичного шару E_s, аналогічне тому, що спостерігається у вечірній період. Це може бути ініційоване хвильовими процесами, викликаними затемненням Сонця аналогічно вечірньому термінатору.

Можливість спостерігати шар E_s з'явилася тому, що при використанні двочастотного вимірювального каналу та вдосконаленого методу вимірювань нижня границя діапазону висот, що досліджується, розширилася з 200 до 90 км.

У підрозділі 3.3. наведено результати вимірювань характеристик НР сигналу і параметрів іоносферної плазми під час сильних геомагнітних збурень. При спостереженнях застосовувався складений зондуючий сигнал.

Найпотужніша за весь період спостережень послідовність магнітних бур мала місце 7-10 листопада 2004 року. Магнітна буря характеризувалася максимальним індексом К_р=9, мінімальним значенням індексу D_st = -373 нТл. Під час іоносферної бурі спостерігалося зменшення N_e в максимумі шару F₂ приблизно у 4 рази. Мав місце сильний нагрів плазми в нічний час. Температури T_e та T_i збільшилися до 1200-2400 К і 2000-3200 К відповідно на висотах 300-800 км. У спокійних умовах вночі значення T_e та T_i рівні і складають близько 800 К. Також спостерігалося збільшення висоти максимуму шару F₂ приблизно на 150 км вночі під час головної фази магнітної бурі і на 70 км - у денний час.

Окрім зменшення концентрації електронів, сильного нагріву плазми в нічний період, під час максимальної фази магнітної бурі спостерігалися аномальні сигнали зворотного розсіяння. У періоди з 21 год 52 хв по 22 год 26 хв у інтервалі відстаней 900-1200 км, де до цього співвідношення сигнал/шум було менш 0,05, з'явився добре помітний сигнал із зсунутим до області позитивних частот вузьким спектром (рис. 11, 12).

Цей сигнал за своїми кореляційними, спектральними і часовими характеристиках відрізняється як від НР сигналу, так і від сигналів відбиттів від космічних апаратів. При цьому максимальне значення уявної складової КФ сигналу збільшувалося в 510 разів, що свідчило про велику радіальну швидкість.

З аналізу спектрів (рис. 11) видно, що далі 800 км сигнал складається з двох складових - некогерентної і квазікогерентної, зсунутої по частоті. Максимум інтенсивності - на 700800 км (рис. 12). На відстанях більш 1000 км радіальна складова швидкості, виміряна по доплеровскому зсуву, досягала 500 м/с. У денний час аномальне збільшення потужності сигналу, що приймається на відстанях 350-1100 км реєструвалося протягом ~ 20 хв с 13 год 00 хв по 13 год 20 хв. Максимальне значення спостерігалося о 13 год 10 хв у діапазоні відстаней 400-450 та 650-730 км.

Проведено порівняння результатів спостережень 9-10 листопада 2004 р. та під час сильної магнітної бурі 30 травня 2003 р. Аномальні сигнали зворотного розсіяння в обох випадках спостерігалися у нічний час, а 10.11.2004 такі сигнали спостерігалися вдень. Співставлення виміряних параметрів з характеристиками космічної погоди показали, що ехо-сигнал високої інтенсивності з'являється в період, коли сумісно концентрація протонів, швидкість і температура плазми сонячного вітру набувають максимальних значень (або є різкі зміни параметрів), а індекс D_st - негативних значеннь (100-300 нТл).

Періоди, у які спостерігались явища відповідали головним фазам магнітних бур. Головні фази бур супроводжувалися швидким зменшенням D_st до значення -131 нТл 29 травня и до -380 нТл 8 листопада. Індекс Kp > 8 у обидва періоди. За даними НР спостерігалося зростання іонної температури, збільшилася електронна температура до T_e=2500 К (2003 р.), T_e3800 К, T_i1400 К (2004 р.) на висотах близько 300 км. Також у всіх випадках спостерігалося локальне збільшення N_e у максимумі шару F₂. Сигнали зворотного розсіяння, що спостерігалися в травні 2003 р. та листопаді 2004 р., зареєстровані в Харкові методом НР вперше. Такі сигнали реєструються, як правило, у високих широтах (“когерентне ехо”).

Під час магнітної бурі створюються умови для виникнення дрейфово-градієнтних або дрейфово-дисипативних нестійкостей Фарлея-Бунемана. Внаслідок цього формуються неоднорідності N_e, витягнуті уздовж магнітного поля на висотах E-області іоносфери. Розсіяні від цих неоднорідностей сигнали приймаються бічними пелюстками зенітної антени, перпендикулярними силовим лініям магнітного поля. Під час бурі мав місце зсув до екватора головного іоносферного провалу. Південна границя аврорального овалу розширилася до середніх широт, що підтверджувалося супутниковими даними і глобальними картами повного електронного вмісту. Подібні “когерентні ехо” реєструвалися на радарах світової мережі Millstone Hill, EISCAT та в Іркутську. Можливість прийому бічними пелюстками при малих зенітних кутах перевірялася при прийомі сигналів, відбитих від крупних космічних апаратів, що проходили через діаграму спрямованості зенітної антени Харківського радара НР.

У підрозділі 3.4 наводяться найбільш характерні результати, отримані при спостереженнях іоносферних збурень, викликаних запусками потужних космічних ракет. Розглядається реакція іоносферної плазми на запуск ракети-носія “Протон-К” з космодрому Байконур 25 грудня 2006 р. о 22 год 18 хв за київським часом.

Для аналізу використовувалися дані елементу вимірювального каналу, що забезпечує просторове розділення 20 км. Час накопичення даних в одному сеансі вимірів склав 1 хв (за 1460 періодів зондування). Дані оброблялися з використанням оцінки узагальненого параметра іоносфери - відносного перерізу розсіяння іоносферної плазми (рис. 16).

Як видно з рисунку, є дві збурені області. Перше збурення спостерігалося через 8 хв після старту ракети. Обчислена швидкість поширення збурення склала 5,2 км/с. Така швидкість характерна для повільних магнітогідродінамичних хвиль в іоносфері. Вони викликають одно - півтора періоди зміни перерізу розсіяння іоносферної плазми спільною тривалістю 10 - 20 хв на висотах області F. Швидкість поширення збурень не менш 4 - 6 км/с. Друге збурення спостерігалося через 60 хв після старту ракети. Обчислена швидкість поширення збурення склала 700 м/с. З такими швидкостями поширюються внутрішні гравітаційні хвилі на висотах шару F.

Використання двочастотного вимірювального каналу і вдосконаленого способу вимірювань дозволило оцінити локалізоване у просторі та часі збурення іоносфери.

Висновки

У роботі розв'язано актуальну задачу визначення електронної концентрації іоносферної плазми одночасно у діапазоні висот 100-1000 км, для чого розроблено вдосконалений спосіб визначення електронної концентрації з покращеним висотним розрізненням, методики обробки НР сигналу і апаратуру що його реалізовує; розвинено модель узагальненого вимірювального каналу, експериментально протягом 2003-2008 років отримано та проаналізовано дані про просторово-часові варіації електронної концентрації в спокійні та збурені періоди методом НР.

Основні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1.Розроблено та реалізовано на Харківському радарі некогерентного розсіяння спосіб визначення електронної концентрації в іоносфері з використанням двохімпульсного двочастотного зондую чого сигналу;

2. Розроблено структуру двочастотного вимірювального каналу та надано розвиток моделі узагальненої схеми вимірювального каналу, яка враховує виміряну характеристику зміни потужності в імпульсному об'ємі та ефекту фарадеєвського обертання площини поляризації.

2. Виконано моделювання процесу вимірювання основних параметрів іоносфери, оцінено точність їх визначення. Має місце істотне зменшення похибки при використанні даних елементу вимірювального каналу із зондуючим імпульсом малої тривалості в районі максимуму шару F₂ і нижче.

3. Вперше у східно-европейському регіоні в період з 2003 по 2007 роки отримано дані про варіації електронної концентрації в інтервалі висот 100-1000 км одночасно та з покращеним висотним розрізненням нижче максимуму F₂, у тому числі під час сонячних затемнень, надсильних і помірних магнітних бур, а також збурень, викликаних стартами потужних ракет.

4. Для оцінки достовірності отриманих результатів і аналізу регіональних особливостей розподілу N_e на середніх широтах Європи проведено порівняння результатів, отриманих експериментально, з розрахунками по міжнародній моделі IRI-2001. Спостерігається принципова збіжність по характеру висотного і часового розподілу з даними, отриманими на радарі в Харкові.

5. Вперше з використанням розробленого методу отримано експериментальні дані про висотно-часовий розподіл електронної концентрації в широкому діапазоні висот 100-1000 км в умовах геомагнітних збурень.

6. Вперше для середніх широт Європи отримано дані про просторово-часовий розподіл неоднорідностей N_e, що викликають явище “когерентне ехо”. Розсіяні від цих неоднорідностей сигнали приймаються бічними пелюстками зенітної антени, перпендикулярними силовим лініям магнітного поля.

7. Встановлені зв'язки між змінами геомагнітних індексів і параметрів сонячного вітру з варіаціями ехо сигналу. Квазікогерентний сигнал високої інтенсивності з'являється в період, коли сумісно концентрація протонів, швидкість і температура плазми сонячного вітру набувають максимальних значень (чи є різкі зміни параметрів), а індекс D_st - негативних значень (100-300 нТл).

8. Вперше отримано результати спостережень іоносферних збурень з високим просторовим розділенням, викликаних запуском потужної ракети. Використання двочастотного способу зондування і вдосконалених методик вимірювань дозволило локалізувати збурення іоносфери у просторі та часі.

Список ПублікаціЙ за темою дисертації

1. Лысенко В.Н. Методика корреляционной обработки сигналов, некогерентно рассеянных ионосферной плазмой /В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Радиотехника. Всеукр. межв. нучн. техн. сб. 2006. Вып. 146. С. 178-186.

2. Лысенко В.Н. Двухчастотный измерительный канал для определения параметров ионосферы методом некогерентного рассеяния /В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. Харьков, 2005. Т.10, №2. C. 217- 223.

3. Лысенко В.Н. Обнаружение помехи при оценке параметров сигнала некогерентного рассеяния /В.Н. Лысенко, Т.А. Скворцов, Ю.B. Черняк // Радіофізика и електроніка: вісник ХНУ ім. Каразіна. 2004. Вип. 2. С. 234-240.

4. Лысенко В.Н. Определение параметров ионосферы при изменениях космической погоды. /В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Радиофизика и электроника: Сборник научных трудов / НАН Украины. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. Харьков, 2006. Т.11, №3. C. 409-414.

5. Бурмака В.П. Волновые процессы в F-области ионосферы, сопутствовавшие стартам ракет с космодрома Байконур /В.П. Бурмака, В.Н. Лысенко, Л.Ф. Черногор, Ю.В. Черняк // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т.46, № 6, C. 783-800.

6. Бурмака В.П. Волновые возмущения в геокосмосе, сопровождавшие старты и полеты ракет “Протон” и “Союз” /В.П. Бурмака, Л.Ф. Черногор, Ю.В. Черняк // Радиофизика и радиоастрономия. 2005. Т10, №3. С. 254-272.

7. Черняк Ю. В. Совместное использование методов некогерентного рассеяния и вертикального зондирования для определения электронной концентрации ионосферной плазмы /Ю.В. Черняк // Космічна наука і технологія. 2003. Т9, №2. С. 53-56.

8. Лысенко В.Н. Особенности методики определения параметров ионосферной плазмы во время естественных возмущений в ионосфере /В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Космическая наука и технология, 2004. Т10, №5/6, С. 110-113.

9. Ляшенко М. В. Суточные и сезонные вариации параметров ионосферной плазмы в период спада солнечной активности /М. В. Ляшенко, И. Б. Скляров, Л.Ф. Черногор, Ю.В. Черняк // Космічна наука і технологія. 2006. Т. 12, № 2/3. С. 45-58.

10. Пат. 63076 Україна, МПК G01N27/00. Спосіб визначення параметрів іоносфери / Черняк Ю. В. Таран В.І., Лисенко В.М; опубл. 15.01.2004, Бюл. № 1, 2004.

11. Черняк Ю. В. Определение электронной концентрации в ионосфере методом некогерентного рассеяния на Харьковском радаре метрового диапазона // Взаимодействие полей и излучения с веществом: VII Конференция молодых ученых БШФФ-2004, 13-18 сентября 2004 г.: Иркутск, Изд-во ИСЗФ СО РАН, 2004. С. 105-107.

12. Лысенко В.Н. Радиофизические исследования ионосферы во время сильных геомагнитных возмущений /В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Шестая украинская конференция по космическим исследованиям, 3-10 сентября 2006 г: cборник тезисов - Евпатория, ИКИ НАНУ-НКАУ, 2006. С. 50.

13. Дзюбанов Д. А. Применение модели ионосферы IRI-2001 для прогностического и ретроспективного анализа и ее тестирование про данным радара НР Института ионосферы. /Д. А. Дзюбанов, В.Н. Лысенко, Ю.В. Черняк // Седьмая украинская конференция по космическим исследованиям, 3-8 сент. 2007 г: cборник тезисов. Евпатория: ИКИ НАНУ-НКАУ 2007. С. 89.

14. Cherniak Iu.V. Observations of weak ionosphere disturbances on the Kharkov incoherent scatter radar /Iu.V. Cherniak, V.N. Lysenko // 7th COSPAR Scientific Assembly: internat. conf., 13-20 July 2008: book of abstr. Montreal, 2008. P. 259.

15. Cherniak Iu.V., Observations results of midlatitude coherent backscatter the Kharkov Incoherent Scatter Radar / Iu.V. Cherniak, V.N. Lysenko // XXIX URSI General Assembly: internat. conf., 7-16 August 2008: book of abstr. Chicago, 2008. P. 329.

16. Cherniak Iu.V. Radiophisical observations of ionosphere disturbances generated by heavy class launch vehicle start / Iu.V. Cherniak, V.N. Lysenko, Y.I. Podyachiy // XXIX URSI General Assembly: internat. conf., 7-16 August 2008: book of abstr. Chicago, 2008. P. 332.

Анотація

Черняк Ю. В. Визначення електронної концентрації іоносферної плазми методом некогерентного розсіяння радіохвиль у режимі двочастотного зондування. -Рукопис.

Дисертації на здобуття наукового ступеням кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, Харків, 2008.

Дисертаційну роботу присвячено підвищенню точності та розширенню можливостей радіофізичного методу НР для визначення електронної концентрації іоносферної плазми. Розроблено та реалізовано на харківському радарі некогерентного розсіяння спосіб визначення електронної концентрації в іоносфері з використанням двохімпульсного двочастотного зондуючого сигналу, який полягає у тому, що до інформації про потужність та кінетичні температури, отримані при зондуванні імпульсом великої тривалості, запропоновано додавати одержані з великим розрізненням дані про потужність сигналу розсіяння, отримані одночасно під час зондування діапазону висот 100-200 км коротким імпульсом. Розвинено модель вимірювального каналу, яка враховує ефект Фарадея, а також зміну потужності розсіяного сигналу в імпульсному об'ємі. З використанням моделі вимірювального каналу проведено оцінку похибок при використанні зондуючих елементів великої та малої тривалості. Запропоновано методику виділення сигналів когерентних відбиттів від штучних супутників Землі і "космічного сміття", яка підвищує точність визначення електронної концентрації в діапазоні висот 300-1000 км. Розроблено спосіб визначення електронної концентрації в діапазоні висот 100-200 км з використанням іонограм, як додаткової інформації. Проведено дослідження висотно-часових варіацій електронної концентрації іоносферної плазми в діапазоні висот 100-1000км і параметрів НР сигналу в умовах спокійної та збуреної іоносфери. Вперше під час сильних магнітних бур виявлено потужні сигнали середньоширотних когерентних ехо, проаналізовано їх характеристики. Вперше у східноєвропейському регіоні в період з 2003 по 2007 роки розробленими методами отримано дані про варіації електронної концентрації одночасно в інтервалі висот 100-1000 км, у тому числі під час сонячних затемнень, надсильних і помірних магнітних бур, а також збурень, викликаних стартами потужних ракет.

Ключові слова: вимірювальний канал, двочастотне зондування, електронна концентрація, іоносферне збурення, когерентне ехо, метод некогерентного розсіяння.

Аннотация

Черняк Ю. В. Определение электронной концентрации ионосферной плазмы методом некогерентного рассеяния радиоволн в режиме двухчастотного зондирования. - Рукопись.

...