Основные научные результаты

по проблеме "Распространение радиоволн",

полученные в 2001 году

 

1.      Получено строгое решение, обобщающее ранее известные результаты по модовой теории возбуждения полости Земля - анизотропная ионосфера в импедансной постановке для случая с наклонным магнитным полем Земли в ближней зоне источника, что впервые дает основу для корректных расчетов электромагнитных полей в ультранизкочастотном диапазоне радиоволн (НИРФИ, РИМР).

2.      Исследована резонансная структура спектра атмосферного электромагнитного шумового фона в диапазоне 0,1-10 Гц на сети обсерваторий от полярных (Соданкюля, Финляндия) до приэкваториальных (о.Крит) широт. Установлено, что суточные и сезонные вариации этой структуры и зависимость от геомагнитной активности на всех широтах имеют общие особенности, объясняемые влиянием ионосферного альвеновского резонатора (НИРФИ, ИПФ РАН, ПГИ КНЦ РАН).

3.      Основываясь на экспериментах по модификации F-области ионосферы пучком мощных КВ радиоволн, на стенде Сура (1996-2000 гг.) выполнен анализ данных об измерении продольных (относительно линий геомагнитного поля Земли) скоростей распространения различных типов возмущений, создаваемых в областях резонансного взаимодействия мощной волны с плазмой. В основе метода таких измерений лежит использование генерации искусственного радиоизлучения ионосферы (ИРИ). Установлено, что скорость переноса возмущений, как правило, превышала тепловую скорость ионов, часто достигая значений тепловой скорости электронов или даже в некоторых случаях значительно превышая величину v_Te. Изучена зависимость особенностей эволюции наблюдаемых явлений от схемы выполнения измерений (частоты и мощности нагревной и диагностической волн, временных режимов их излучения, разноса по высоте областей генерации возмущений и их диагностики и др.). На основе выполненных исследований сформулированы требования к проведению такого рода измерений и определены задачи дальнейших экспериментов (НИРФИ, Институт им. Макса Планка (ФРГ) ).

4.      Исследованы характеристики "кавитонного" сигнала (КС), рассеянного искусственной ионосферной турбулентностью при зондировании ее короткими пробными радиоимпульсами обыкновенной и необыкновенной поляризации. С помощью численного решения нелинейного уравнения Шредингера для неоднородного плазменного слоя получена качественная интерпретация следующих характеристик КС: уменьшение периода КС с увеличением мощности нагревного передатчика, увеличение периода КС на начальных стадиях нагрева с последующими флуктуациями, перемещение максимума амплитуды КС со временем на меньшие высоты (НИРФИ, ИПФ РАН).

5.      Проведены измерения суточных вариаций абсолютного времени распространения (АВР) КВ сигналов на среднеширотной трассе ЛЧМ зондирования Хабаровск-Н.Новгород. Инструментальная ошибка измерения составляла 15 мкс. Получено, что в течение суток вариации АВР на отдельных частотах в диапазоне 8-25 МГц достигали 700 мкс. Установлено, что временной ход вариаций АВР хорошо коррелирует с поведением параметра b = f / МНЧ, где f - рабочая частота, а МНЧ - максимальная наблюдаемая частота. Показано, что определяющий вклад в вариации АВР вносит дисперсия - АВР растет с приближением рабочей частоты к МНЧ (НИРФИ, ИКИР ДВО РАН).

6.      Методом рассеяния радиоволн на искусственных периодических неоднородностях измерены временные вариации температуры, плотности и скорости вертикальных движений в атмосфере на высотах 95-120 км. Сравнение измеренных величин с рассчитанными на основе поляризационных соотношений для внутренних гравитационных волн свидетельствует о хорошем их соответствии в большинстве случаев для периодов неоднородностей в интервале 0,25-4 часа (НИРФИ).

7.      Проведены детальные измерения аномального ослабления пробных волн необыкновенной поляризации в возмущенной области ионосферы, создаваемой вертикальным пучком мощных КВ радиоволн как О-, так и Х-поляризации. Эксперименты были выполнены на нагревном стенде Сура. Значительное ослабление (до 10 и более дБ) объясняется за счет многократного рассеяния сигналов пробных волн на искусственных неоднородностях с масштабами поперек магнитного поля 0,1-1 км. Разработана процедура определения спектральных и динамических характеристик этих неоднородностей по результатам измерения ослабления на сетке частот пробных волн (НИРФИ, Ростовский государственный университет).

8.      Дистанционным радиометрическим методом по измерениям в ИК и СВЧ диапазонах в условиях ветрового волнения измерены температурные градиенты в поверхностной температурной пленке и определен тепловой поток на границе морская поверхность - атмосфера. Обнаружены вариации теплового потока в зависимости от времени суток и солнечного прогрева. В условиях проведенного летом эксперимента в прибрежной зоне восточного побережья Крыма температурные градиенты на глубинах 0,07-1,8 мм изменялись в пределах от 0 до 2 град/мм и определяли величину теплового потока, направленного в атмосферу, от 0 до 1000 дж/с×м². Имели место ситуации, когда тепловой поток был направлен в сторону моря. Для применявшейся аппаратуры и методов характерное время измерений составляло 10-15 минут, что позволяет регистрировать быстрые вариации температурных распределений и тепловых потоков (НИРФИ).

9.      Проведены экспериментальные и теоретические исследования свойств метеорного распространения радиоволн. Основные результаты, полученные в ходе исследований:

ћ        по тематике гранта РФФИ - разработан новый вариант решения радиотомографической задачи изучения распределения радиантов по небесной сфере, основанный на гипотезе дискретного распределения, с повышенными характеристиками точности и чувствительности к неоднородностям распределения. Метод позволяет получить более детальную первичную информацию для целей прогнозирования метеорного распространения радиоволн;

ћ        в рамках гранта Минобразования РФ - выявлены уникальные возможности метеорного радиоканала, которые на основе высокоточной сверки шкал времени позволяют обеспечить защиту информации в открытом эфире.

Результаты доложены на Международной конференции 'Meteoroids 2001' (6.08-10.08.2001 г., г.Кируна, Швеция). (Казанский государственный университет).

10.    Экспериментально установлено, что дисперсия разрушает ионосферные радиоканалы с полосой более 30-100 кГц. Разработан метод коррекции дисперсионных характеристик сверхширокополосных КВ радиоканалов. Путем численного моделирования и экспериментальных исследований установлены степени многочленов, интерполирующих дисперсионные характеристики каналов с полосой Df = 1 МГц для радиолиний различной протяженности. Разработаны методики, алгоритмы обработки данных и программное обеспечение для реализации разработанного метода при обработке зондирующего сигнала с ЛЧМ-методом сжатия в частотной области. Их экспериментальная апробация на радиотрассах различной протяженности и географической ориентации показала, что в большинстве случаев разработанный метод позволяет реализовать радиоканалы с полосой 1 МГц и добиться сверхразрешения по времени группового запаздывания (МарГТУ).

11.    Исследованы частотные, статистические характеристики диапазона однолучевого распространения (ДОР) КВ радиоволн на радиолиниях ЛЧМ зондирования ионосферы протяженностью 2,6-5,7 мм и влияние на него моды Педерсена, моды следующего порядка, геомагнитной возмущенности, а также взаимосвязь ОРЧ и ДОР. Получены аналитические зависимости частотных диапазонов ДОР и диапазонов педерсеновских мод от протяженности радиолиний и уровня возмущенности магнитного поля Земли; а для отношения сигнал / шум в ДОР - от протяженности радиолинии и времени суток. Оценены вероятности попадания оптимальных рабочих частот (ОРЧ) в ДОР. Получены выборочные оценки для наклонов дисперсионных характеристик и скорости передачи информации в ДОР (МарГТУ).

12. В рамках международного проекта CLIWA-NET, предназначенного для исследования переноса влаги в атмосфере над бассейном Балтийского моря и выполняемого по программе и при поддержке Европейского Союза, в течение 2001 г. проведены две стадии комплексного радиофизического эксперимента в пос.Воейково Ленинградской области (апрель-май) и в Голландии, г.Де-Билт (август-сентябрь). В пос.Воейково эксперимент включал непрерывные СВЧ-радиометрические наблюдения за общим содержанием парообразной и жидкокапельной влаги на длинах волн 0,3, 0,8, 1,35 и 2,25 см. Одновременно проводились радиолокационные измерения с помощью метеорадара МРЛ-5, работающего на длинах волн 3,2 и 10 см, инфракрасные измерения в диапазоне длин волн 10-12 мкм и измерения со спутников NOAA-10, -12. В Голландии СВЧ-радиометри-ческий эксперимент проведен с использованием аппаратуры 0,8 и 1,35 см и сопровождался радиолокационными и инфракрасными измерениями. Проведенная предварительная обработка данных показала их хорошее согласие с данными других 11 измерительных станций из 7 европейских стран, участвующих в данном проекте. Полученные данные о влагосодержании атмосферы используются в настоящее время для анализа возможности использования их для сверхкраткосрочного прогноза погоды и метеорологического обеспечения авиации (ИРЭ РАН, НИЦ дистанционного зондирования атмосферы ГГО им. Воейкова).

13. Разработан комплекс нейросетевых методик тематической обработки космических изображений в оптическом, инфракрасном и СВЧ диапазонах. При анализе радиолокационных и многозональных изображений Земли из космоса разработанные методики позволяют осуществлять автоматизированную классификацию типов земной поверхности, производить сжатие изображений, что применяется при подготовке атласов и архивов космических изображений в цифровом виде, обрабатывать данные  от  совокупности  разнородных датчиков. Разработанные нейросетевые методики используются в настоящее время в ИРЭ РАН при тематическом анализе радиолокационных изображений, полученных с космического аппарата "Shuttle SIR/C" и многозональных изображений МСУ-Э, МСУ-СК, МСУ-В, полученных с борта космического модуля "Природа" и спутника "Океан-0" (ИРЭ РАН).

14. В период действия факторов естественного и антропогенного происхождения проведена обработка данных по радиопросвечиванию ионосферы Земли на трассе "наземный пункт - навигационный спутник". Показана возможность регистрации землетрясений и запуска ракетоносителей типа "Протон" и "Союз" по возмущениям в ионосфере, наблюдаемым с помощью однопозиционных радионавигационных спутников системы GPS. Предварительные результаты показывают, что в ионосфере при запуске ракетоносителей наблюдаются два типа возмущений: первый - уменьшение электронной концентрации, второй - возникновение волнообразных колебаний с периодом 3-5 минут. За 1-3 суток по изменению состояния ионосферы в период прохождения сильных землетрясений показана возможность определения места и времени их возникновения (ИРЭ РАН).

15. Предложен и теоретически обоснован альтернативный существующим метод дистанционного зондирования озоносферы с борта ИСЗ. Метод предполагает одновременные измерения на двух частотах резонансного поглощения озона, причем на одной частоте измеряется мощность радиосигнала, прошедшего по межспутниковой трассе, а на другой - яркостная температура земного лимба в направлении излучения сигнала на первой частоте. Как результат, обеспечивается получение высотных профилей концентрации озона и температуры атмосферы в широком интервале высот и с точностями, превышающими точности оптических методов (ИРЭ РАН).

16. Методом обобщенных телеграфных уравнений рассмотрена задача о распространении электромагнитных колебаний частот 0,1-10 Гц. Показано, что верхние слои ионосферы (до 2-3 тысяч км) существенно влияют на формирование поля (НИИ Радиофизики СПбГУ).

17. Выполнен комплекс работ по генерации и приему искусственных УНЧ излучений (0.3-15 Гц) на трассе протяженностью 1500 км. Исследована морфология регулярных суточных изменений частотных зависимостей. Оценена возможность применения искусственных УНЧ полей в исследованиях структуры Земной коры (Российский институт мощного радиостроения (СПб), НИРФИ (Н. Новгород), ВНИИ разведочной геологии - Рудгеофизика (СПб) ).

18. По данным о распространении СДВ на основе единого подхода исследованы регулярные изменения профилей электронной концентрации в спокойных условиях и в условиях внезапных ионо-сферных возмущений, а также исследована морфология связи вариаций амплитуд СДВ сигналов с характеристиками солнечных вспышек (НИИ Радиофизики С-ПбГУ).

19. Создано программное обеспечение и осуществлена реализация методики восстановления характеристик влагосодержания и температуры атмосферы и подстилающей поверхности по данным ИК и СВЧ измерений. Расчеты показали, что по данным ИК-измерений в каналах 11 мкм и 12 мкм ИСЗ NOAA возможно определение общего влагосодержания атмосферы Q = 10-20 кг/м³ и заметной разности температур поверхности и атмосферы, в противном случае ошибка заметно возрастает. Для проведения численных исследований информативности СВЧ радиометрического модуля температурно-влажностного зондирования (МТВЗА), работающего в диапазоне частот 21-183 ГГц были разработаны и реализованы алгоритмы рабочего поля уходящего радиоволнового излучения атмосферы с учетом поляризации и многократного рассеяния и алгоритмы оценки информативности и точности восстановления параметров состояния атмосферы и подстилающей поверхности.

Суммируя полученные результаты, можно отметить, что теоретические оценки точности позволяют надеяться на восстановление вертикального распределения температуры с точностью 1-3 К в зависимости от требуемого вертикального разрешения, восстановления распределения влажности воздуха с точностью 10-20 % облаков - I5-30 %. Для однородных участков подстилающей поверхности также можно ожидать приемлемой точности восстановления в случае, когда их радиационные свойства могут быть определены ограниченным набором (2-3) параметров их состояния. Перспектива совместной обработки спутниковых данных видимого, ИК и СВЧ диапазонов спектра с привлечением данных наземной метеосети интересна возможностью не только простого суммирования получаемой информации, но и методик обработки любого вида данных в отдельности.

20. Разработана отечественная система оперативного прогнозирования радиолокационной наблюдаемости - усовершенствованный аналог американских систем IREPS, EREPS, AREPS. Создано алгоритмическое и программное обеспечение системы. Разработаны и изготовлены специальные малоинерционные (0,02-0,05 с) и малогабаритные датчики температуры и влажности для шаров-зондов, используемых в системе прогнозирования (ТУСУР).

21. Проведена экспериментальная проверка возможности оперативного измерения тонкой вертикальной структуры индекса преломления атмосферы в слое до 2-3 км и использования полученных профилей для прогнозирования радиолокационной наблюдаемости. Эксперименты, включающие 16 пусков специально разработанных шаров-зондов и параллельные радионаблюдения, проведены на Охотском радиофизическом полигоне ТУСУР на о.Сахалин. Результаты обрабатываются (ТУСУР).

22. Теоретически обоснована возможность и способы одновременного измерения всех элементов полной матрицы рассеяния радиолокационных целей. Разработаны алгоритмы таких измерений с использованием сложных сигналов. Проведено математическое моделирование с оценкой погрешностей определения элементов матрицы рассеяния и ее инвариантов (ТУСУР).

23. Проведен анализ экспериментальных данных комплексных радиофизических и магнитных измерений во время мощных геомагнитных возмущении при высокой солнечной активности. Измерения высотных профилей параметров ионосферы (электронной концентрации, электронной и ионной температур, скорости дрейфа плазмы) на Иркутском радаре некогерентного рассеяния (НР) зарегистрировали очень сильные изменения в структуре и тепловом режиме среднеширотной ионосферы. В течение главной фазы бурь значительно падает электронная концентрация в F-слое, при этом наблюдается повышение интегральной концентрации в нижележащем Е-слое ионосферы. Температуры электронов и ионов возрастают до величин ~ 5000њ-5500њ и 2000њ-2500њК соответственно, что обычно наблюдается в полярной ионосфере. В это же время регистрируется уникальное для средних широт явление - когерентные эхо (радиоаврора), мощность которых на 2-3 порядка превышает обычный сигнал HP. Анализ измеренных характеристик эхо-сигналов показал, что они обусловлены рассеянием на неоднородностях двухпотоковой неустойчивости плазмы - эффекте, который наблюдается обычно в высоких широтах при наличии сильных электрических полей (ИСЗФ СО РАН).

24. С помощью разработанной в ИСЗФ новой технологии глобального GPS детектирования ионосферных возмущений GLOBDET установлено, что резкое возрастание временной производной напряженности магнитного поля во время магнитных бурь сопровождается практически мгновенным уменьшением среднеширотного полного электронного содержания (ПЭС) на всей дневной стороне. Соответствующий коэффициент корреляции не ниже -0,8; запаздывание относительно времени внезапного начала магнитной бури составляет около 3-10 минут. Особенно четко это проявляется для магнитных бурь с ясно выраженным внезапным началом SSC. Анализ проведен для набора от 90 до 300 станций GPS и для 10 суток с различным уровнем геомагнитной активности (Dst от -6 нТл до -295 нТл, К_р от 0 до 9). Амплитуда 'мгновенного' отклика ПЭС для рассматриваемых событий составила 0,1-0,4х10¹⁶ м^-2, а скорость перемещения возмущения от дневной стороны к ночной порядка. 10-20 км/с (ИСЗФ СО РАН).

25. По pезультатам исследования в Якутии распространения радиоволн в диапазоне длинных и средних волн земным лучом на различных радиотрассах методом радиокомпарирования и расчетов напряженности поля земной волны методом интегрального уравнения установлено достаточно хорошее соответствие расчетных и экспери-ментальных значений модуля функции ослабления при учете влияния лесослоя на затухание радиоволн. Наибольшее влияние лесослоя отмечено в летнее время года - модуль функции ослабления уменьшается в среднем на 5-9 дБ в зависимости от протяженности радиотрассы. В зимнее время года уменьшение функции ослабления составляет 3-5 дБ. Это связано с особенностями промерзания подстилающей среды и изменением параметров лесослоя в зимнее время года (ИКИА СО РАН, ЯГУ, ИКИРВ ДВО РАН).

26. Разработаны численные методы и создан пакет программ расчета уровня поля и функции ослабления в ДВ-СВ диапазонах радиоволн на многокусочной импедансной радиотрассе, проходящей в гористой местности. Основой для расчетов функции ослабления служат составленные в БНЦ СО РАН прогнозные карты геоэлектрических разрезов и топографические цифровые карты, характеризующие рельеф и площадное распределение различных типов лесной растительности (ОФП БНЦ СО РАН).

27. Разработана технология бесконтактной радиоинтроскопии горного массива в ОНЧ-НЧ-СЧ диапазонах радиоволн, позволяющая проводить интерпретацию радиоимпедансных зондирований непосредственно на месте проведения измерений. Технология повышает производительность малоглубинных электроразведочных работ в инженерной геофизике в 5-10 раз по сравнению с методом вертикального электрического зондирования (ОФП БНЦ СО РАН).

28. Предложен способ повышения помехоустойчивости дальнометрии грозовых разрядов при использовании электромагнитного и акустического излучения грозового разряда. Способ основан на приеме акустического сигнала системой территориально разнесенных акустических датчиков с формированием узконаправленной акустической диаграммы направленности по данным электромагнитного пеленга. Дальность до источника излучения оценивается по запаздыванию прихода сформированного при этом акустического сигнала относительно электромагнитного сигнала. Направленный прием акустического сигнала позволяет ослабить влияние близких источников акустического фона (ИРЭ РАН).

29. Предложен способ повышения точности однопунктового местоопределения грозовых разрядов, основанный на использовании для дальнометрии обыкновенного и необыкновенного компонентов магнитного поля атмосферика. Существо предложения основано на отсутствии у земного луча необыкновенного компонента волны и практически зеркальном отражении лучей от ионосферы на дальностях, превышающих сотни километров. Это позволяет на опробуемых дальностях сформировать из необыкновенного сигнала предполагаемые сигналы источника, образованные земным и пространственным лучами, и по степени несоответствия полученных сигналов используемой модели трассы судить о несоответствии опробуемого значения дальности истинному расстоянию до источника (ИРЭ РАН).

30. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования по определению координат и состояния изоляции подводных электрических кабелей радиофизическими методами в диапазоне СНЧ. Задача решается путем возбуждения в кабеле токов на сетке частот СНЧ диапазона с последующим измерением магнитных полей этих токов на поверхности водоемов. По данным измерений магнитных полей этих СНЧ токов определяют координаты кабеля и постоянные распространения волн в кабеле. Кабель при этом трактуется как трехслойная однородная длинная линия (центральный-изолирующая оболочка-проводящая среда). По найденным постоянным распространения такой линии вычисляют электрические характеристики ее слоев. Эксперимент показал, что для получения необходимой для практики точности оценки параметров изоляции при контроле участка кабеля длиной единицы километров на глубине около 3 м достаточно возбудить в кабеле ток порядка долей миллиампера (ИРЭ РАН).

31. Разработаны физическая теория и математические модели процессов распространения электромагнитных импульсов наносе-кундной длительности в неоднородных средах с произвольными потерями. На основе применения данных математических моделей созданы сверхширокополосные приемо-передающие антенны и конструкции принципиально новых импульсных электромагнитных приборов большой мощности, предназначенные для управления процессом бурения нефтегазовых скважин сложного профиля, в том числе и горизонтальных, а также для каротажа скважин после бурения (ИРЭ РАН).

32. Создана радиофизическая модель диэлектрических харак-теристик смеси грунтов и строительных материалов в метровом и сантиметровом диапазонах волн (МФТИ).

33. Разработан комплекс программ для построения трехмерных изображений подповерхностных объектов для георадара метрового диапазона (МФТИ).

34. Развиты теория и классификация пространственно-временных фокусировок (устойчивых) волновых полей (МФТИ).

 

Председатель Научного совета РАН

по комплексной проблеме

"Распространение радиоволн"

д.т.н., профессор Н.А.Арманд

 

Ученый секретарь

к.т.н. В.А.Карнаухов