РЕЗУЛЬТАТЫ научныХ Исследований

по проблемам распространения радиоволн,

помещенные в отчет о работе Научного совета

по распространению радиоволн

в 2009 году

 

1. Разработанные в ФИРЭ им. В.А.Котельникова РАН новые технологии обработки результатов двухчастотного радиопросвечивания использованы при анализе данных станций 'Венера-15, 16'. Выявлено регулярное формирование слоистых структур на высотах 160...200 км в ионосфере Венеры, обнаружены признаки волнового процесса на высотах 65...120 км, выявлен плазменный слой, фокусирующий радиосигнал (длина волны 32 см) с увеличением его мощности в 4 раза (ФИРЭ РАН).

 

2. На основе развитой технологии непрерывного мониторинга создан автоматизированный аппаратно-программный комплекс для определения параметров высотного распределения электронной концентрации ионосферы Земли, работающий в режиме реального времени по радиосигналам навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС. Комплекс позволяет определять параметры ионосферы Земли методом радиопросвечивания на трассе спутник - Земля одновременно по 10-14 азимутальным направлениям над территорией площадью около 3 млн. кв. км. Дискретность выдачи параметров ионосферы - значений высотного распределения электронной концентрации в интервале высот от 90 до 1000 км и максимально применимой частоты для прогнозирования условий КВ-радиосвязи - составляет 1 минуту (ФИРЭ РАН).

 

3. Предложена новая методика определения прозрачности толщи атмосферы по набору изображений одного и того же участка местности, полученных с борта искусственного спутника Земли в оптическом диапазоне под различными зенитными углами. Значения прозрачности, оцененные непосредственно по изображениям, могут быть источником дополнительной информации о состоянии атмосферы в месте проведения съемки (ИРЭ РАН).

 

4. На основе данных, полученных при совместных СВЧ радиометрических и волнографических (контактных) измерений взволнованной морской поверхности развита "радиационно-геофизическая" модель морской поверхности в диапазоне 3-50 ГГц. Предложенная ''модель предназначена для использования в технологиях интерпретации многочастотных спутниковых измерений яркостной температуры системы 'океан-атмосфера' с целью получения данных о влагосодержании атмосферы, температуре и волнении поверхности моря. Модель также может использоваться для интерпретации данных радиовысотометрических и радиолокационных измерений морской поверхности в области квазизеркального рассеяния (ИРЭ РАН).

 

5. Выполнены сезонные измерения влажности древесины (стволов), веток и хвои деревьев в районе полигона Спас-Клепики Рязанской области. Показано, что сильные изменения влажности отдельных элементов сосны происходит в холодный период времени года, предположительно при резких изменениях температуры воздуха. Проведенные модельные расчеты радиолокационной отражаемости леса показали, что характер изменения влажности отдельных элементов сосны могут объяснить ряд сезонных особенностей радиолокационной отражаемости соснового леса в L и Р диапазонах, исследованных ранее с помощью самолетного многочастотного поляриметрического радиолокационного комплекса 'ИМАРК' (ИРЭ РАН).

 

6. По результатам комплексных натурных экспериментальных исследований на океанографической платформе (Кацивели, Черное море) обнаружена зависимость регистрируемого под фиксированным углом наблюдения цвета морской воды от вариаций ветрового гравитационно-капиллярного поверхностного волнения (скорости ветра), причем максимум зависимости расположен в области миллиметровых длин волн морского волнения. Спектры кривизны морской поверхности восстанавливались по данным многочастотных поляризационных угловых СВЧ радиометрических измерений (ФИРЭ, ИКИ РАН, МГИ НАНУ).

 

7. Впервые проведены систематические исследования диэлектрических свойств материалов на основе углеродных нанотрубок в широких диапазонах частот 10-300 ГГц и температур 78-400 К. Исследованы частотные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости в композитных материалах с многостенными углеродными нанотрубками в полипропиленовой матрице. Обнаружен максимум диэлектрических потерь в миллиметровом диапазоне. Предложена теоретическая модель, объясняющая природу диэлектрических потерь на основе представления о том, что нанотрубки группируются в кластеры, в которых нанотрубки находятся в электрическом контакте между собой со значительно более низкой проводимостью контактов по сравнению с внутренней проводимостью нанотрубок. Данная модель хорошо описывает спектр диэлектрических потерь во всем широком диапазоне частот и температур (ФИРЭ РАН).

 

8. Разработан аналитический аппарат для расчета прохождения поля точечного источника через тонкий слой метаматериала с параметрами ε, ч, близкими к минус единице.

Установлены условия, при выполнении которых в линзах Веселаго (ε ' -1, ч ' -1) и Пендри (ε ' -1, ч ' -1) в ближнем поле наблюдаются эффекты субволновой фокусировки по поперечной координате. Проведено численное моделирование и рассчитаны картины полей в окрестности фокальной точки (ФИРЭ РАН, РОСНОУ).

 

9. Впервые создан коммерческий (коробочный) вариант учебно-научно-исследовательского комплекса (УНИК) 'Сверхширокополосные беспроводные сенсорные сети'. Комплекс включает в себя прямохаотические сверхширокополосные приемопередатчики, сенсорные блоки, средства программирования и сопряжения с компьютером, методические материалы, а также описания лабораторных работ. Комплекс позволяет реализовывать беспроводные сенсорные сети связи различной конфигурации, и предназначен как для обучения студентов, специализирующихся в области коммуникационных и информационных технологий, так и для исследовательских целей, в частности, для создания разработчиками своих собственных приложений на основе сенсорных сетей связи. Начата поставка УНИК вузам и исследовательским организациям (ИРЭ, МФТИ, ООО 'Нанохаос', ФГУП СКБ ИРЭ РАН).

 

10. По результатам проведенных в 2007-2008 гг. совместно с ФГУП НИИ Радио и другими заинтересованными организациями работ в Государственный Комитет по радиочастотам (ГКРЧ) внесены предложения относительно спектральной маски в частотном диапазоне 2,85 -10,6 ГГц для нелицензируемого использования в Российской Федерации сверхшироко-полосных средств связи. На основе этих предложений ГКРЧ приняла решение о разрешении нелицензируемого использования СШП сигналов на территории Российской Федерации в соответствии с предложенной спектральной маской. Таким образом, впервые в Российской Федерации легализовано нелицензируемое использование сверхширокополосных средств связи (ИРЭ РАН).

 

11. Разработан адаптивный метод распознавания спектральных образов объектов окружающей среды по данным дистанционного мониторинга в оптическом диапазоне. Метод основан на формировании векторного пространства, отражающего структуру и форму спектральной кривой. Принятие решения об идентификации объекта принимается на основе расчета характеристик расхождения между полученными измерениями и эталонными образцами обновляемой в режиме мониторинга базы спектральных образов. Эффективность метода оценена на основе данных мониторинга лесных экосистем с МКС (фотоспектрометр 'Ураган-ФСС'). Полученные данные показали, что ошибка распознавания лесных пологов хвойных, смешанных и лиственных деревьев не превышает 15 %. (ФИРЭ, НИР 'Радиовидение-5').

 

12. В рамках международного сотрудничества с Институтом прикладной механики Научного центра СРВ (г. Хошимин) создана информационно-моделирующая система (ИМС) для диагностики состояния водных систем Вьетнама по данным спектроэллиметрических измерений. Система включает спектроэллипсометр, обновляемую базу данных спектральных образов, человеко-машинный интерфейс, алгоритмы распознавания спектральных образов. На основе сформированной базы спектральных образов типовых водных систем Южного Вьетнама проверена эффективность ИМС при организации мониторинга качества водных систем. Показано, что ИМС обеспечивает экономию материальных затрат при организации мониторинга, повышает его мобильности и достоверность получаемых оценок качества воды. Алгоритмическое обеспечение ИМС позволяет расширять множество контролируемых загрязнителей водной среды путем включения их спектральных образов в базу эталонов (ФИРЭ РАН).

 

13. При нагреве нижней (D-область) ионосферы мощным радиоизлучением стенда Сура, излучавшим волны Х-поляризации на частоте 4300 кГц с эффективной мощностью 80 МВт, обнаружено уменьшение в среднем на 10 % интенсивности микроволнового излучения в линии атмосферного озона на частоте 110836.04 МГц. Измерения проводились в полуденные часы 14-17 марта 2009 г. Предполагается, что уменьшение является результатом ионизации молекул мезосферного озона в поле мощной радиоволны. Оценка вертикального профиля озона показала, что искусственное воздействие на D слой мощного радиоизлучения приводит к уменьшению измеренного содержания мезосферного озона на высотах 50-60 км в среднем на 17 %. При снятии воздействия содержание озона восстанавливается. Для сравнения амплитуда суточных колебаний содержания мезосферного озона на высоте 60 км, которые связаны с восходом и заходом Солнца, составила величину около 40 % (ФГНУ НИРФИ и ИПФ РАН).

 

14. В марте и сентябре 2009 г. на стенде Сура выполнены эксперименты по зондированию возмущенной области ионосферы сигналами навигационных спутников систем GPS/GLONASS. Установлено, что в дневных условиях проведения измерений видимые вариации ПЭС вне зоны магнитного зенита наблюдались только при полной мощности излучения волны накачки 80 МВт; в зоне магнитного зенита их появления зарегистрировано уже при Р_эфф = 8 МВт. В зоне магнитного зенита при Р_эфф = 80 МВт максимальная величина вариаций ПЭС не превышала 0.07 TECU, что в 5 раз меньше, чем в аналогичных измерениях в поздние вечерние часы, выполненных в августе 2008 г. (ФГНУ НИРФИ и МГУ им. М.В.Ломоносова).

 

15. Исследован механизм распространения в ионосферной плазме искусственных возмущений вниз от высоты отражения мощной волны. Эксперимент выполнен на стенде Сура, возмущение ионосферы проводилось излучением обыкновенной компоненты мощной волны на частоте 4,3 (4,7) МГц с эффективной мощностью 80 МВт. Зондирование ионосферы осуществлялось пробными радиоволнами на частоте 2,95 МГц. Во время возмущения ионосферы наблюдалось явление искусственного F-рассеяния. Показано, что оно могло обеспечиваться возбуждением искусственных ионосферных неоднородностей с продольными относительно геомагнитного поля масштабом 400-500 м. Обнаружено, что при нагреве ионосферы мощной радиоволной О-поляризации, которая отражалась вблизи максимума F-области, искусственные возмущения плазмы регистрировались значительно ниже, вплоть до высот 130-150 км, которые были на 80-100 км ниже высоты отражения мощной волны.

Оценки эффективной скорости распространения плазменных возмущений вдоль силовых линий геомагнитного поля вниз от высоты отражения мощной волны показали, что она намного превосходит тепловую скорость ионов на указанных высотах и близка к тепловой скорости электронов, что исключает возможность распространения искусственных ионосферных неоднородностей на более низкие высоты за счет процесса амбиполярной диффузии, и необходимо привлекать иной механизм для объяснения генерации искусственных неоднородностей на высотах 130-150 км. (ФГНУ НИРФИ).

 

16. Разработана и реализована в эксперименте методика одновременной регистрация сигналов, рассеянных естественными неоднородностями электронной концентрации D-области ионосферы на частоте 2,95 МГц (метод частичных отражений), и сигналов, рассеянных искусственными периодическими неоднородностями (ИПН), создаваемыми в нижней ионосфере (в D- и Е- областях) при возмущении ее мощным радиоизлучением на частоте 4,7 МГц. В результате получены высотно-временное распределение электронной концентрации и интенсивность турбулентности на высотах D-области ионосферы (70-85 км), высотно-временные зависимости амплитуды и фазы сигнала, рассеянного ИПН, по которым определяются температура и плотность нейтральной атмосферы, а также профиль электронной концентрации на высотах 90-110 км, скорость вертикального движения плазмы на высотах 60-120 км, скорость турбулентных движений на высотах 85-105 км. Показано, что комбинация методов ЧО и ИПН позволяет охватить практически весь высотный интервал нижней ионосферы и получить взаимодополняющие друг друга результаты определения ионосферных и атмосферных параметров (фгну нирфи).

 

17. В натурных условиях при ветровом волнении на основе дистанционных корреляционных измерений интенсивностей излучений морской поверхности и атмосферы в 5-миллиметровом диапазоне определены отражательная способность, диффузная компонента коэффициента отражения из-за рассеяния на волнах ряби, коэффициент отражения локально ровной поверхности и температура воды граничного пленочного слоя морской поверхности.

Определена диэлектрическая проницаемость воды в скин-слое. Обнаружено, что в натурных условиях мнимая часть диэлектрической проницаемости воды в поверхностном слое 0.2 мм больше величины, принимаемой для воды в стандартных моделях, что можно объяснить уменьшением в 1.5-2 раза времени релаксации дипольных молекул из-за наличия значительных концентраций растворенных неполярных газов, присутствующих в тонком поверхностном слое воды вследствие обменных процессов между атмосферой и морем.

Измерения сделаны впервые и стали возможны в результате создания метода одновременных дистанционных радиометрических измерений отражательной способности, диффузной компоненты коэффициента отражения из-за рассеяния на волнах ряби, коэффициента отражения локально ровной поверхности и температуры воды граничного пленочного слоя морской поверхности в натурных условиях морского волнения.

Натурные измерения излучения морской поверхности и атмосферы проводились на научной станции ФГНУ НИРФИ "Кара Даг" с пирса Карадагского природного заповедника НАН Украины (ФГНУ НИРФИ).

 

18. Проведен теоретический анализ зависимости ширины доплеровского спектра отраженного радиолокационного сигнала СВЧ-диапазона от ширины диаграммы направленности антенны для случая надирного зондирования. Показано, что радиолокационная или акустическая система, включающая несколько антенн с разными диаграммами направленности, позволяет при решении обратной задачи получить полную систему уравнений, связывающих параметры волнения с характеристиками отраженного сигнала. Для восстановления ключевых характеристик рассеивающей поверхности разработаны новые алгоритмы, использующие при обработке ширину доплеровского спектра и сечение обратного рассеяния. Показано, что применение системы из пяти антенн достаточно для восстановления статистических моментов второго порядка для основных параметров волнения. По измерительным возможностям новая система превосходит современные буи и может применяться для калибровки радиолокаторов в подспутниковых экспериментах (ИПФ PAН).

 

19. Проведен анализ влияния атмосферных искажений СШПС при их распространении по трассе зондирования на погрешности измерений. Для различных параметров состояния атмосферы получены зависимости систематических и флуктуационных ошибок измерения дальности от расстояния до объекта локации в МЧ РЛС с СШПС. Разработаны методики аппроксимации подобных зависимостей аналитическими функциями.

Показано, что фазовые искажения СШПС в тропосферной радиолинии могут привести к миграции отметок обнаруженных целей по дальности, причем степень миграции зависит от расстояния до цели. При изложенных выше технических характеристика величина миграции может достигать от 1...3 ячеек разрешения при дальности цели 3...5 км до 7...9 элементов разрешения при дальности цели 10...40 км. Кроме того, в дальностном портрете цели за счет фазовых и амплитудных искажений наблюдается размытие отметки объекта, а на радиолокационном изображении появляются искажения типа комы. Исследованы возможности использования различных преобразований для коррекции подобных искажений. Показано, что одним из наиболее эффективных преобразований является преобразование Меллина. Разработана структурная схема МЧ РЛС с автоматической коррекцией атмосферных искажений СШПС (МиВлГУ).

 

20. Разработан автоматизированный вычислительный комплекс для детектирования космических объектов (КО) и обработки данных в реальном масштабе времени на Иркутском радаре некогерентного рассеяния. Геофизические измерения на ИРНР скоординированы с международным расписанием работы мировой сети радаров HP, полное время работы за год может достигать 4000 часов. Одновременно с ионосферными наблюдениями, на ИРНР ведется регистрация КО, пересекающих сектор сканирования, это достигается за счет автоматического анализа в реальном времени реализаций на наличие в них отражение от КО. Реализации, в которых найден такой сигнал, записываются отдельно и обрабатываются в этот же день. Результатом обработки является координатная информация: дальность, лучевая скорость, азимут, угол места КО, а также амплитуда сигнала. Поток регистрируемых КО достигает нескольких десятков тысяч за месяц измерений. Для хранения координатной и некоординатной информации о наблюдаемых КО разработана и ведется поддержка собственной базы данных. Полученные данные могут использоваться для расширения каталогов регистрируемых фрагментов космического мусора КМ и для корректировки существующих моделей (КМ) (ИСЗФ СО РАН).

 

21. Разработан и проверен в эксперименте новый метод определения пространственно-временных характеристик перемещающихся ионосферных неоднородностей (ПИВ). Для исследований ПИВ создан 'интерферометр' с базой около 100 км, объединяющий две установки радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН - Иркутский радар некогерентного рассеяния и ионозонд DPS-4. С его помощью измеряются высотные профили ионосферных параметров в пространственно разнесенных точках, что позволяет изучать как вертикальную, так и горизонтальную структуру ПИВ. Исследование параметров ПИВ с помощью разработанного метода позволяет сделать следующие выводы:

- возмущения ANe амплитудой от 5 до 10 %, соответствующие распространяющимся в верхней атмосфере ВГВ, присутствуют постоянно, достигая в магнито-возмущенные дни 30% и более;

- в магнито-спокойные периоды ионосферные возмущения имеют очень сложную пространственно-временную структуру, сформированную интерференцией волн от различных источников;

- модель возмущения в виде плоской волны может применяться только в случаях, когда присутствует доминирующее возмущение, обусловленное мощным источником, например, авроральной активностью во время геомагнитных бурь;

- реконструкция трехмерной пространственно-временной структуры позволяет более достоверно определять динамические характеристики ПИВ по сравнению с традиционными измерениями, где фактически измерялась одна из проекций скорости (ИСЗФ СО РАН).

 

22. Экспериментально доказано существование поверхностной электромагнитной волны в естественных условиях. Эксперимент выполнен над двухслойной сильноиндуктивной радиотрассой 'лед-соленая вода' протяженностью 1,2 км на частотах 10 и 15 МГц. Установлено, что поверхностная волна затухает значительно слабее, чем 'земной' луч. За счет ее появления электромагнитное поле над такой трассой превышает поле над бесконечно проводящей плоскостью. Получены значения модуля функции ослабления |W|, существенно превышающие единицу и достигающие |W| ' 2, которые обусловлены поверхностной волной. В поле излучения вертикального диполя фиксируется волна, амплитуда которой убывает с расстоянием R до излучателя примерно, как 1/R^1/2. Поверхностная волна может существенно увеличить дальность действия радиолиний передачи информации, в частности в Арктическом бассейне, за счет того, что волна 'привязана' к поверхности и 'следует' за ее кривизной (ОФП БНЦ СО РАН).

 

23. Решена задача построения профилей электронной концентрации N_e(h) нижней околополуденной ионосферы (25-75 км) в новой постановке, в рамках которой по данным о распространении СДВ строится единая модель для спокойных условий и условий ВИВ. До настоящего времени задачи для указанных условий рассматривались раздельно. Совместное решение задач для спокойных условий и условий ВИВ основывается на вполне естественном предположении о равенстве эффективных коэффициентов потерь на высотах ниже 60-62 км в случаях воздействия на атмосферу галактических космических лучей и солнечного вспышечного рентгеновского излучения. Обоснована структура и оценены параметры модели профилей N_e(h) для средних широт. Получен сезонный ход этих величин. Для спокойных условий оценена проводимость на высотах 25-45 км в области повышенной концентрации ионов. Достигнутая хорошая сходимость модельных и экспериментальных СДВ-данных, что свидетельствует о достаточно высокой адекватности построенного модельного описания характеристик нижней ионосферы реальным условиям (НИИ Радиофизики СПбГУ).

 

 

Зам.председателя Научного совета РАН

по распространению радиоволн

д.ф.-м.н., профессор Д.С.Лукин