ОСНОВНЫе научные РЕЗУЛЬТАТЫ

в области распространения радиоволн,

полученные научными организациями в 2007 году

 

 

1. Создан аппаратно-программный ЛЧМ комплекс для автоматизированного определения в режиме реального времени оптимальных рабочих частот связной радиолинии по данным наклонного зондирования ионосферы. Проведены трассовые испытания ЛЧМ комплекса на среднеширотных радиолиниях. По данным наклонного ЛЧМ зондирования сделаны оценки вероятности битовой ошибки и надежности KB радиосвязи для узкополосных и широкополосных систем связи. Показано, что качество канала связи существенно зависит от соотношения регулярной и флуктуационной составляющих сигнала, а также от уровня магнитной активности. Созданный ЛЧМ комплекс может быть использован в составе ионосферно-волновой и частотно-диспетчерской службы для динамического управления частотным ресурсом радиолинии в интересах эффективного функционирования радиоэлектронных систем различного назначения (ФГНУ НИРФИ, ЮФУ, физический факультет, г.Ростов-на-Дону).
 

2. Предложен, разработан и экспериментально проверен новый метод определения электронной концентрации на высотах Е-области ионосферы, основанный на создании искусственных периодических неоднородностей с помощью мощных радиоволн на двух разнесенных частотах и определении отношения времен релаксации искусственных неоднородностей (ФГНУ НИРФИ).
 

3. На базе ЛЧМ ионозонда впервые разработан и создан не имеющий в мире аналогов новый инструмент - ЛЧМ ионозонд/пеленгатор, позволяющий кроме дистанционно-частотных (ДЧХ) и амплитудно-частотных (АЧХ) характеристик измерять угловые частотные характеристики (УЧХ). Разработана математическая модель функционирования ЛЧМ ионозонда/пеленгатора на основе многоканального приема радиосигналов. На основе измерений ДЧХ и УЧХ с помощью ЛЧМ ионозонда/пеленгатора разработан метод и алгоритм восстановления высотного профиля электронной концентрации в области отражения радиоволн. Проведена апробация макета двухканального ЛЧМ ионозонда на трассах наклонного зондирования Кипр - Ростов-на-Дону и Инскип - Ростов-на-Дону. С помощью ЛЧМ ионозонда/пеленгатора практически продемонстрирована возможность определения местоположения источников радиоизлучения, работающих в различных режимах, в частности, установлено местоположение незарегистрированного ЛЧМ передатчика и определены его географические координаты (45,91њN, 6,12њЕ, Франция). Использование ЛЧМ ионозонда/пеленгатора позволило установить происхождение диффузных треков, наблюдаемых на трассе Кипр - Ростов-на-Дону и проследить изменения их азимута с частотой. Показано, что регестрируемые на ионограммах диффузные треки с примерно линейной зависимостью времени группового распространения от частоты обусловлены рассеянием от кавказских гор и Иранского нагорья излученных с Кипра ЛЧМ сигналов (ФГНУ НИРФИ, ЮФУ, физический факультет, г.Ростов-на-Дону, ГКБ "Связь", г.Ростов-на-Дону).
 

4. Изучены свойства искусственного F-рассеяния, появляющегося на зонограммах при нагреве F₂-области ионосферы мощной радиоволной О-поляризации. Показано, что области резонансного взаимодействия мощной радиоволны с плазмой (области развития стрикционной и тепловой параметрических неустойчивостей), где происходит практически полное поглощение энергии волны накачки, интенсивный ее разогрев и генерация МИИН, оказывают существенное влияние на развитие самофокусировочной неустойчивости мощной радиоволны и генерации среднемасштабных (l_^ ' 0.4 - 1.5 км) искусственных ионосферных неоднородностей. Установлено, что интенсивность таких неоднородностей зависит от знака и величины отстройки частоты волны накачки относительно частоты гармоники гирорезонанса электронов, демонстрируя таким образом асимметричность гирогармонических свойств механизма их возбуждения (ФГНУ НИРФИ, МарГТУ).
 

5. Основываясь на данных томографических измерений (см. Tereshchenko E.D., Khudukon B.Z., Gurevich A.V., et al. // Physics Letters A, 325 (2004), P.381-388), выполнена детальная спектральная обработка флуктуации амплитуды сигналов ИСЗ на частоте 150 МГц, прошедших через возмущенную область ионосферы и принятых в трех точках, разнесенных на поверхности Земли вдоль геомагнитного меридиана на расстояния ~100-150 км. Установлено, что пространственный спектр искусственных неоднородностей может быть разделен на две компоненты: крупномасштабную, для которой значения показателей спектра в направлении магнитного поля и в ортогональной плоскости приблизительно совпадают, и мелкомасштабную, для которой их значения сильно различаются. При этом неоднородности с l_^ £ 1 км сильно вытянуты вдоль геомагнитного поля, а для l_^ > 1 км с увеличением размера неоднородностей форма пространственного спектра флуктуаций концентрации плазмы все более приближается к изотропной (ФГНУ НИРФИ, ПГИ КНЦ РАН).
 

6. Разработан пассивно-активный радиотехнический метод обнаружения смерчеопасных облаков (и их распознавания), основанный на применении метеорологического радиолокатора, СВЧ-радиометра и РЛС обнаружения, каналов молний или грозопеленгатора-дальномера и приемника ЭМИ на частоте более 100 кГц. На предложенный способ получено авторское свидетельство (Филиал ГГО НИЦ ДЗА).
 

7. На основе экспериментальных исследований влагозапаса атмосферы и водозапаса облаков в пос.Воейково с помощью автоматизированного 2-х канального СВЧ-радиометра (работающего на частотах 22,2 ГГц и 36,5 ГГц) разработан СВЧ-радиометрический прогностический критерий развития опасных явлений, связанных с развитием конвективных облаков, гроз и осадков (Филиал ГГО НИЦ ДЗА).
 

8. Разработана методика и программное обеспечение стыковки данных наблюдений метеорологического радиолокатора МРЛ-5 и данных измерений грозопеленгатора. Применение таких систем позволяет повысить вероятность распознавания гроз МРЛ-5 (более чем на 20 %) (Филиал ГГО НИЦ ДЗА).
 

9. Получена система параболических уравнений, описывающих распространение электромагнитных волн достаточно высоких частот (выше 40 кГц) в неоднородном анизотропном волноводе. Если направление трассы распространения отличается от некоторой окрестности вектора гирочастоты, то система параболических уравнений разбивается на два независимых уравнения для обыкновенной и необыкновенной волны. Разработана численная схема решения параболических уравнений с использованием поперечного квантования поля (НИИ Радиофизики СПбГУ).
 

10. В рамках развития численно-аналитических методов моделирования низкочастотных электромагнитных полей в волноводном канале Земля-ионосфера получено поверхностно-линейное интегральное уравнение, допускающее применение прямых численных методов. В рамках плоской модели волноводного канала метод распространен на случай произвольно неоднородной, геометрически достаточно гладкой подстилающей поверхности, электрические свойства которой описываются импедансом, заданным в виде функции трех пространственных координат (Физический факультет СПбГУ).
 

11. Проанализирована задача построения профилей электронной концентрации N_e(h) нижней околополуденной ионосферы (45-75 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. Однако, представляется целесообразным их совместное решение, так как на высотах ниже 60-62 км образование электронов и под действием галактических космических лучей и солнечного вспышечного рентгеновского излучения характеризуется одинаковыми закономерностями. Обоснована структура модели профилей N_е(h) и оценены ее параметры для средних широт. Достигнутая хорошая сходимость модельных и экспериментальных СДВ-данных свидетельствует о высокой адекватности построенного модельного описания характеристик нижней ионосферы реальным условиям и о возможностях дальнейшего расширения исследований (НИИ Радиофизики СПбГУ).
 

12. На основе профилей электронной концентрации, измеренных методами частичных отражений (ЧО) и некогерентного рассеяния (HP), спутниковых данных о потоках рентгеновского и корпускулярного излучений Солнца, а также модельных расчетов впервые получены оценки концентрации атомарного кислорода в нижней части D-области полярной ионосферы во время мощной протонной вспышки 17 января 2005 г. Показано, что во время этого события концентрация атомарного кислорода на высотах ниже 75 км была примерно в 4 раза меньше известных теоретических значений. Следствием этого является падение концентрации электронов и увеличение концентрации положительно и отрицательно заряженных ионов и кластеров в нижней части D-области ионосферы (ПГИ КНЦ РАН).
 

13. С помощью метода частичных отражений исследованы ионосферные эффекты четырех мощных вспышек, которые произошли на Солнце в период с 5 по 14 декабря 2006 г. Показано, что наблюдаемые возмущения в ионосфере вызваны высыпаниями высокоэнергичных корпускул. Внезапное возмущение ионосферы проявилось в изменении вертикальной структуры ионосферы и магнитосферы и в смещении авроральных явлений на более низкие широты. При этом наблюдается полное поглощение средних радиоволн в области Е и частичное поглощение в области D, а также необычайно высокое увеличение значений N_e (до Зх10³ см^-3 на высотах 50-60 км) и рост градиента профилей N_e(h) по сравнению с соответствующими значениями при спокойной и умеренной солнечной активности (ПГИ КНЦ РАН).
 

14. Решена задача о нахождении электромагнитного поля, переизлученного деревьями лесного массива. В результате анализа полученного решения установлено, что влияние лесных массивов может быть учтено в модели однородного слоя, эффективные электрические свойства которого зависят от температуры воздуха. Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что наличие лесных массивов приводит к существенному влиянию волны Ценнека. Этот новый результат показывает, что на некоторых расстояниях от излучателя электромагнитное поле вдоль залесенных трасс оказывается больше поля над идеально-проводящей поверхностью (НИИ Радиофизики СПбГУ).
 

15. На основе длительных экспериментов (ежеквартальные четырехнедельные круглосуточные циклы) по ЛЧМ зондированию с высоким пространственно-временным разрешением, проведенных на трассах наклонного зондирования при низкой солнечной активности, выявлено распространение широкого спектра волновых возмущений в спокойных и возмущенных геомагнитных условиях, проявляющихся в виде искажений ионограмм НЗ (петли и расслоения) и временных вариаций максимальных наблюдаемых частот с периодами от 1 до 10 часов (ИСЗФ СО РАН)
 

16. Разработана модель среднего состояния ионосферного радиоканала для загоризонтной локации земных и морских поверхностей, позволяющая выполнять нацеливание максимума диаграммы направленности антенны по угловым характеристикам отраженного сигнала. Модель может адаптироваться к текущей ситуации на трассе посредством использования оперативной информации, характеризующей состояние канала (НИИ прикладной физики при ИрГУ).
 

17. Созданы эффективные алгоритмы расчетов распространения ОНЧ-СЧ широкополосных сейсмогенных электромагнитных эмиссий над неоднородными средами, учитывающие электромагнитные и геометрические характеристики радиотрасс. Разработаны численный метод и алгоритм, создана программа расчета функции ослабления поля земной волны над неоднородными радиотрассами (ОФП БНЦ СО РАН).
 

18. Впервые реализовано двухпозиционное радиозондирование солнечного ветра с использованием космических аппаратов GALILEO и CASSINI. В период с 12 до 24 мая 2000 г. эти аппараты двигались за Солнцем с востока на запад, и их сигналы зондировали области, разнесенные в радиальных направлениях на несколько миллионов километров. Обнаружена устойчивая корреляция между флуктуационными эффектами, регистрируемыми при прохождении через разнесенные в пространстве трассы радиозондирования возмущенных плазменных структур типа корональных выбросов масс (СМЕ). Обнаружена также корреляция между радиоэффектами и измерениями концентрации плазмы в околоземном космическом пространстве. Показано, что метод двухпозиционного радиозондирования с привлечением данных об излучении Солнца в рентгеновском и оптическом диапазонах и контактных измерений плазмы позволяет получать информацию о структуре и скорости СМЕ на пути их движения от фотосферы до орбиты Земли. Для наиболее мощного события, зарегистрированного 13 мая 2000 г., скорость коронального выброса масс на гелиоцентрических расстояниях около 15 солнечных радиусов Rs возрастала до значения 1200 км/с. В интервале расстояний 15...25 Rs величина скорости составила 1300 км/с. В области торможения на дистанциях, больших 25 Rs, наблюдалось уменьшение скорости от 1300 км/с до 450 км/с на орбите Земли. Установлено также, что радиозондирование корональных выбросов масс в области их ускорения может обеспечить прогнозирование геомагнитных возмущений с опережением на 2-3 суток (ФИРЭ РАН, ПРАО, Боннский университет, Германия).
 

19. Разработан метод прецизионного определения огибающей и фазы когерентных радиосигналов, увеличивающий чувствительность экспериментов двухчастотного радиопросвечивания к вариациям показателя преломления. Апробация нового метода при анализе данных спутников "Венера-15, 16" позволила обнаружить слои ионосферной плазмы на высотах 80-110 км, которые не наблюдались ни в одной миссии к Венере (ФИРЭ РАН).
 

20. Разработан метод экспериментального определения параметров внутренних гравитационных волн (ВГВ) в атмосфере Земли по измерениям вертикального профиля температуры или плотности для случаев, когда ВГВ являются насыщенными благодаря механизму динамической неустойчивос-ти. Сформулирован критерий положительной идентификации ВГВ, в случае выполнения которого наблюдаемые флуктуации могут рассматриваться как волновые проявления. Применение разработанной методики для мониторинга параметров ВГВ позволяет расширить базу определяемых волновых характеристик, таких как:

- "внутренняя" частота ВГВ;

- вариации горизонтальной и вертикальной скорости ветра;

- горизонтальная и вертикальная компоненты волнового вектора;

- внутренняя горизонтальная и вертикальная фазовые скорости;

- плотность волновой энергии;

- компоненты вектора потока волновой энергии;

- компоненты тензора потока волнового количества движения.

Метод применим для анализа вертикальных профилей температуры или плотности, полученных спутниковыми и другими способами (ФИРЭ РАН).
 

21. На основе экспериментальных и теоретических данных показано, что обратное радиолокационное рассеяние от леса в метровом диапазоне длин волн на горизонтальной поляризации (НН) увеличивается с ростом биомассы растительного покрова и размера диаметров деревьев (ИРЭ РАН).
 

22. Измерения, проведенные с помощью георадара, подтверждают пространственную изменчивость диэлектрической проницаемости (отражения) верхнего поверхностного слоя почвенного покрова леса. Показано, что крупномасштабные неоднородности диэлектрической проницаемости верхнего слоя почвы, связанные с наличием корневой системы деревьев, играют важную роль в формировании обратного отражения от лесного массива (ИРЭ РАН).
 

23. С помощью специально оборудованного комплексом научной аппаратуры (радиометры на l = 2,5 и 21 см, приборы ИК и видимого диапазона, лидар) самолета-лаборатории MIRAMAP (Голландия, Болгария, Россия) проведено обширное летное картирование гидрологического состояния подстилающей поверхности в районе г.Русе (Болгария) до и после выпадения осадков. По результатам проведенных экспериментов разработаны и созданы элементы геоинформационной системы района с включением в нее динамических моделей гидрологического режима местности (наводнения, подтопления, высыхание и т.п.) (ФИРЭ РАН).
 

24. Завершена серия из 70 экспериментов по калибровке японского космического радара с синтезированной апертурой L-диапазона "PALSAR". По измерениям ЭПР трех параболических антенных рефлекторов на полигоне ОКБ МЭИ показана высокая временная стабильность калибровки (лучше 1 dB). Показана возможность поляриметрической калибровки при использовании доработанной конструкции одной из антенных систем путем установки дифракционной решетки в фокальной области антенны. По измерениям ЭПР шести уголковых отражателей с длиной ребра 2 м, расположенных в Байкальском регионе, показано, что временная стабильность системы "уголковый отражатель-радар" лучше 2 dB. Отмечено, что уголковые отражатели такого размера могут быть использованы для калибровочных измерений с некоторыми ограничениями на условия их размещения (ФИРЭ РАН, ОКБ МЭИ, БНЦ СО РАН).
 

25. Получено аналитическое решение задачи о распространении радиоимпульсов с нелинейной частотной модуляцией в ионосферной плазме. На основе решения, исследованы закономерности искажений указанных частотно-модулированных импульсов прямоугольной формы на однородных трассах. До настоящего времени аналогичная задача в литературе не ставилась (ФИРЭ РАН).
 

26. Разработан и испытан интегральный спектрометр субмм диапазона волн для мониторинга атмосферы со свсрхпроводниковым генератором гетеродина (CГГ). Этот спектрометр разрабатывается совместно с Институтом космических исследований Голландии и предназначен для дистанционного исследования атмосферы с борта высотного аэростата в диапазоне 500-650 ГГц в режиме лимбового сканирования (проект TELIS). Разработана технология изготовления интегральных сверх-проводниковых СВЧ микросхем на основе туннельных переходов Nb-AlOx-Nb и Nb-AlN-NbN. Все элементы супергетеродинного приемника интегрированы в одной сверхпроводниковой микросхеме, при этом сигнал СГГ распределяется между двумя СИС-смесителями, один из них используется как приемный квазичастичный элемент, интегрированный с планарной приемной антенной, в то время как второй работает в режиме гармонического смесителя, обеспечивая режим фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для СГГ. Для бортового интегрального приемника реализован частотный диапазон 500-650 ГГц, шумовая температура менее 200 К (DSB), полоса ПЧ 4-8 ГГц, диаграмма направленности с боковыми лепестками < -17 dB, спектральное разрешение лучше 1 МГц. Первый тестовый полет состоится на полигоне в Бразилии в мае 2008 года (ИРЭ РАН).
 

27. Предложен новый дисперсионно-фазовый многочастотный метод дистанционной диагностики неоднородной структуры искусственного возмущения, возникающего при нагреве ионосферы мощным высокочастотным радиоизлучением. Метод основан на статистическом анализе дифференциально-фазовых характеристик пробных радиоволн, обратно рассеянных искусственными мелкомасштабными анизотропными неоднородностями. С использованием данного метода на нагревном стенде "Сура" были проведены экспериментальные исследования эффектов обратного ракурсного рассеяния ВЧ радиоволн от области искусственного возмущения ионосферы.

В результате был впервые определен частотный интервал корреляции разности фаз радиоволн, резонансно отраженных от сильно вытянутых магнитно-ориентированных искусственных неоднородностей. Этот интервал оказался величиной порядка 1 кГц и это позволило получить оценку продольного эффективного размера области формирования сигналов ракурсного рассеяния (~2-10 км), а также провести измерения групповой дальности до области искусственного возмущения с точностью порядка 0,5 км.

Полученные результаты дополняют результаты исследований возмущенной области методом некогерентного рассеяния и находятся в хорошем соответствии с теорией искусственных ионосферных неоднородностей, возбуждаемых мощным ВЧ радиоизлучением (ИЗМИРАН, ФГНУ НИРФИ)

 

 

Председатель Научного совета РАН

по распространению радиоволн

д.т.н., профессор Н.А.Арманд