Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Характеристики среднеширотной ионосферной турбулентноссти по результатам трансионосферного зондирования

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Характеристики среднеширотной ионосферной турбулентноссти по результатам трансионосферного зондирования"

Л Я ■ / ' ;

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ

Н& правах рукописи

ЗВЕЗДИН ВАЛЕРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДНЕШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРНОЙ ТУРБУЛЕНТНССТИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ТРАНСИОНОСФЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

04.00.52. ОГ:£М; 12 - геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Иркутск 1992

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени институте солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН СССР

Официальные оппоненты:

д.ф.н.н. М. В. Тинин. к.ф.м.н. А. Д. Калихман

Ведущая организация ¡ИКФИА, г. Якутск.

Защита диссертации состоится " " 1902г.

в " " часов " " минут на заседании специализированного совета

при институте солнечно-земных связей , г. Иркутск.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ.

Автореферат разослан " 1992 г. .

Ваш отзыв на реферат в двух экземплярах просим направить в адрес

ученого секретаря специализированного совета ИСЗФ:

664017, Иркутск, Лермонтова 126, ИСЗФ

Ученый секретарь специализированного совета

к.ф.м.н. ( А. И. Галкин

I ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

" Г!

Актуальность темь. В настоящее время увеличивается объем информации, передаваемой' в радиодиапазоне с использованием искусственных спутников земли; ионосфера является при этом естественной средой распространения радиосигналов. Присущая ионосфере турбулентность приводит к появлению неоднородностей электронной концентрации', которые" вызывают быстрые флуктуации параметров радиосигнала.

Этот эффект, получивший название "мерцания", препятствует достижению технически, возможных предельных характеристик .радиосистем, испо'льзуюших трансионосферные сигналы. С другой бороны, он может быть использован для получения геофизическо" информации, так как считается установленным Фактом наличие хорошего соответствия между • параметрами мерцаний и характеристиками неоднородностей, ответственных за их появление 111. Изучение мерцаний поэтому может прояснить понимание физики самих неоднородностей и, следовательно, ввязанной с ними ионосферной турбулентности. .

Важно также отметить, что в настоящее вреМя применительно к среднеширотноя ионосфере получила широкое распространение концепция ионосферной лаборатории. В рамках этой концепции Проводятся работы по изучению искусственных неоднородностей. При этом для разделения эффектов искусственных и естественных неоднородностей необходимо ■ хорош знать характеристики Последних.

Феномен мерцаний интенсивно изучался, начиная с 1946 го/»-11-41, однако большинство измерений было проверено в западном полушарии и, в основном, в экваториальной и полярных областях.

Другим недостатком этих наблюдений, с навкй точки зрения, является тот факт, что, как правило, они производились с использованием ИСЗ одного типа - обычных с низкой круговой орбитой с далее для краткости именуемых пролетными ИСЗэ, или геостационарных.

Каждый из этих видов измерений имеет свои преимущества и недостатки. Так, в случае геостационарного ИСЗ мы можем изучать мерцания радиосигнала и порождающие их неоднородности локально, в окрестности подионосферной точки, в течении длительного времени. Наоборот, в случае пролетного ИСЗ мы получаем информацию о мерцаниях сигнала вдоль траектории ИСЗ, но при этом теряем возможность исследовать временную эволюцию явления.

В обоих случаях весьма полезным оказывается применение разнесенного приема; в случае геостационарного ИСЗ это позволяет определить направление и скорость дрейфа неоднородностей I5.6J, а при использовании пролетного ИСЗ - высоту вызывающих мерцания неоднородностей сп.

Автором с коллегами была предпринята попытка совместить преимущества обоих видов измерений, проведя совместные наблюдения с использованием геостационарного исз ets-s и пролетного ИСЗ Polet- Bear-4.

Недостатком известных исследований мерцаний сигналов ИСЗ

является также и то, что для обработки экспериментальных данных не в полной мере использован весь арсенал современных средств анализа процессов, в частности Фракталыый анализ, позволяющий выявить скрытые закономерности хаотически:; процессов, к каковым относится и ионосферная турбулентность.

Можно отметить следующие пробель: в наших знаниях о мелкомасштабной турбулентности, лороадс.ошей неоднородности и связанные с ними мерцания радиосигналов в области средних широт. Существует неопределенность в вопросе о ¡оклсне спектра мощности мерцаний и связанных с ними спектрах мелкомасштабной турбулентности. При 'этом обычно анализ проводился с использованием временных, а не пространственных спектров. Нет уверенности в том, что квазипериодическке изменения амплитуд^, сигналов, известные также как ОР-мерцания, действительно порождаются неоднородностями электронной • концентрации, а не имеют другую природу, в частности, не являются результатом интерференции двух близких по частоте спутниковых сигналов. Мало экспериментальных оценок высоты расположения области турбулентности и скорости дрейфа неоднородностей по результатам наблюдений сигналов ИСЗ.

Для географического региона, в котором расположен Иркутск, исследования мелкомасштабных ионосферных неоднородностей по данным трансионосферного зондирования ранее вообще не проводились.

Целью данкон работы является; создание

- в -

экспериментального комплекса для изучения мерцаний трансионосферных радиосигналов с использованием сигналов геостационарного и пролетного ИСЗ, с последующим проведением цикла измерений в различных режимах работы комплекса, а также исследование природы среднеширотной мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием спектрального, корреляционного и фрактального анализа.

Научная новизна. 'Впервые создан автоматизированный приемный комплекс для исследования мерцаний радиосигналов и связанной с ними мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием одновременно геостационарного и пролетного ИСЗ; проведены наблюдения мерцаний в географическом регионе, для которого подобные эксперименты не проводились; определены спектральные^ и пространственно-временньЁ характеристики среднеширотной мелкомасштабной Ионосферной турбулентности.

Предложен новый метод оценки среднего спектра неоднороднэстея, основанный на переносе спектров мерцаний радиосигналов в область пространственных частот.

По результатам фрактального. спектрального и корреляционного анализа обнаружено существование двух режимов ионосферной турбулентности с высокой и низкой Фрактальной размерностью. Существование режима с высокой фрактальной размерностью находится в соответствии с предположением о наличии в ионосфере обширных областей с однородной турбулентностью, что предсказывается теорией генерации ионосферных неоднородностей в

результате переноса электрических полей из турбосферы £8,01. Соответственно записи мерцаний с низкой фрактальной размерностью,видимо, свидетельствуют о существовании локальной турбулентности.

Практическая значимость диссертации определяется полезностью полученных автором количественных характеристик ионосферной турбулентности для проектирования и оценки качества Функционирования перспективных радиотехничских систем, использующих трансионосферные сигналы. Результаты., работы внедрены в научно-исследовательских работах "Баргузин"," Проект ТИР", "Арктика", "Мараверс".

Личный вклад автора заключался в активном участии в разработке и создании экспериментального комплекса дл„ исследований мерцаний, в проведении цикла измерений, в разработке алгоритмов и программ, обработке экспериментальных данных, их анализе и.обобщении.

На защиту выносятся»

Разработка автоматизированного приемного комплекса для исследования мерцаний радиосигналов методом разнесенного приема с использованием геостационарного и пролетного ИСЭ; результаты цикла измерений параметров мерцаний; спектральные и пространственно-временные характеристики среднеширотной мелкомасштабной ионосферной турбулентности .-

Разработка и применение новых методоЕ анализа экспериментальных данных, , в том числе методика оценки

- в -

пространственного спектра неоднородностей, основанная на преобразовании исходных временных спектров в область пространственных частот, и Фрактальный анализ сигналов.

Обнаружение по результатам фрактального анализа существования двух режимов ионосферной турбулентности, предположительно, локальной с низкой размерностью и однородной с высокой.

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на совещаниях по проблеме "Неоднородная структура ионосферы" в Якутске с 19883, в Новороссийске г 19915; в лаборатории распространения радиоволн Иллинойского Университета. США, С1990>, на международной конференции по распространению волн в случайной среде в Сиэтле. США, с1992Э на семинарах в ИСЗФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения й списка литературы. Она содержит 125 страниц, в том числе 114 страниц основного текста, 37 рисунков и список литературы из 9е наименовании.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследований эффекта мерцаний радиосигналов ИСЗ как с точки зрения практических применений, так и для лучшего понимания механизмов ионосферной турбулентности. Излагается краткое содержание работы

., X

- Q -

и формулируются выносимые на защиту полоюгния.

В первой главе дается обзор литературы по предмету диссертации. Сравнивокггся результаты исследований спектров среднеширотных „ неоднородностей по мерцаниям радиосигналов и прямыми методами. Делается вывод о значительном разбросе оценок индекса наклона спектра неоднородностей.

Анализ литературы показывает такие малый обьем экспериментальных сведений о других параметрах среднеширотных неоднородностей - направлении и скоростях дрейфа, высоте расположения, стёпёни вытянутости в направлении магнитного поля.

Отсутствуют попытки экспериментальных исследований природы ионосферной турбулентности. Не применялся такой перспективный метод, как Фрактальный анализ, позволявший выявлять скрытьь закономерности в хаосе.

Во второй главе дано описание аппаратурно-программного комплекса, разработанного в СибИЗМИР СОАН СССР сг.Иркутсю и предназначенного для исследовайия мерцаний радиосигналов ИСЗ в метровом диапазоне радиоволн. В качестве маяков использовались передатчики геостационарного ИСЗ ets-2 на частоте 136.112 МГц и пролетного ИСЗ Polar Веаг-i на частоте 137.В7б МГц.

Применение разнесенного . приема позволяет получить информацию о параметрах дрейфе, спектре неоднородностей и высоте их расположения. При этом для сигнала ets-2 предусмотрен режим регистрации квадратурных составляющих, что позв ляет при последующей их обработке восстановить амплитуды^и фазы сигналов

с разнесенных антенн. Из этих величин затеи можно извлечь информацию не только об амплитудных, но й Поляризационных ¡и угловых мерцаниях.

Комплекс регистрации мерцаний развернут " на полигоне СиОИЗМИР вблизи Иркутска соколо 52° с.ш.,104° в.д.?. Угол места между направлением на ИСЗ ETS-2 и поверхностью Земли в точке приема равен 25.Bf азимутальный угол, отсчитываемый от направления на' север, 14в.з°. Соответствующие координаты подионосферной точки ETS-a на высоте 300 км равны 48° с.ш. и 107.9° в.д.

Комплекс состоит из следующих основных частей:

- 4-х канальное устройство разнесенного приема сигнала ИСЗ ETS-2 на частоте 136.112 МГц ;

- 2-х канальное устройство разнесенного прима сигнала ИСЗ Polar Bear-4 на частоте 137.676 МГц ;

- подсистема точного времени и частоты - ТВЧ;

- подсистема автоматизации - ПА.

Приемное устройство 136.112 МГц предназначено для анализа узкополосного радеосигнала геостационарногоcHC3iETS-2.

Три приемных пункта сл. о .расположены в .вершинах близкого к прямоугольному треугольника со сторонами .порядка 200 м. Приемные антенны каналов 4, гВ, с г представляют собой спиральные антенны одной поляризации. >Кроме того, на.¡центральном пункте с Аэ установлена дополнительно антенна го противоположное поляризации. Такой набор антенн позволяет регистрировать

- ¡1,1 -

мерцания амплитуды, углов .прихода и поворота плоскости •поляризации сигнала ¡втз-а.

Для.приема ¡и (регистрации сигнала пролетного спутника Polar |Bear-4 ¡в пиктах А м ¡в дополнительно установлены спиральные антенны (Е .и F. Эти антенны имеют широкие диаграммы 1 направленно^, (р,' н^рядка.60° по уровню половинной мощности? и их ■максимумы .изъявлены в зенит. Такая ориентация антенн обусловлена необходимостью обеспечить прием сигнала пролетного спутника в широком диапазоне углов места относительно зенитного направления.

Так как линия, соединяющая антенны ей F, примерно параллельна проекции траектории;.ИСЗ на землю, то, определяя относительную задержку сигналов риг можно вычислить высоту расположения неоднородностей t7i.

Приводятся описания алгоритмов обработки Экспериментальных данных, а также примеры записей сигналов и: результаты . их обработки, даюиие представление о возмохвюстях описьваеного комплекса.

В третьей главе приводятся типичные результаты обработки записей мерцаний сигналов геостационарного и пролетного ИСЗ. .Проводится сравнение .результатов двух видов наблюдений по Iрезультатам спектрального и корреляционного анализов.

Предложен способ оценки спектра неоднородностей, основанный на.переносе,в обла-.ть.пространственных частот. При этом вначале по методу¡разнесенного приема.находится значение модуля средней

скорости дрейфа интерференционной картины за промежуток времени, соответствующий каждому временному спектру, затем временные спектры переносятся в пространственную область и усредняются. Таким образом, удастся избавиться от зависимости спектральных отсчетов от скорости дрейфа интерференционной картины, присущей временным спектрам.

С помощью предложенного способа были найдены одномерные логарифмические пространственные спектры мерцаний. Было обнаружено, что они имеют линейный характер с показателем наклона спектра равным -2.

Приблизительно такое же значение показателя наклона было найдено при построении гистограммы значений показателей наклона, найденных обычным способом по временным спектрам.

Был опробован способ определения высоты изолированных неоднородностей, вызывающих мерцания ОР-типа, предложенный Титереджем 1101. Полученный результат указывает на то, что изолированные неоднородности существуют в г-слое ионосферы.

В результате совместного анализа записей мерцаний сигналов геостационарного и пролетного ИСЗ за период 13.10.90-14.10.90 была обнаружена граница зоны неоднородностей, проходйвшая около 53° с.ш., причем неоднородности располагались севернее границы. Был определен высотный разрез области неоднородностей, оценена скорость перемещения фронта неоднородностей. При этом было обнаружено, что краю области соответствуют большие высоты расположения неоднородностей.

Б четвертой главе приводятся результаты анализа мерцаний трансионосферных сигналов с применением метода фрактального анализа 1111. Предполагается, что исследуемый экспериментальный ряд рсю порождается динамической системой, которая описывается набором обыкновенных дифференциальных уравнений . конечного порядка. Хаотическое поведение рсо свидетельствует о том, что в Фезовом пространстве рассматриваемой системы ее предельные состояния образуют неустойчивое притягивающее множество -странный аттрактор. Применения фрактального анализа позволяет определить Фрактальную размерность аттрактора, которая дает, в частности, нижнюю оценку размерности пространства, в которое вложен аттрактор.

Обрабатывались записи амплитудных мерцаний сигнала геостационарного ИСЗ, полученные на среднеширотной станции вблизи Иркутска. Был использован алгоритм Грасбергера-Прокаччо 1123; в соответствии с ним из исходных данных строился набор т-мерных векторэв РП,СЮ = СРСЪкЭ. .РСЪк»т.,5Э ДЛЯ Ж=1,2 Й Т.Д. Затем вычислялись корреляционные интегралы -

с^сгз я о,з-Е вср-'|ртскэ-1""с1э"|, где всх1=0 для х , есхэ=1 для х > 1. Если исследуемая система имеет аттрактор, то -

ПрИ Г-. О, СтСГЭ^ г", '

причем показатель » является оценкой фрактальной размерности аттрактора; Результаты обработки данных разделились на две группы. Для первой группы характерна низкая фрактальная

размерность с порядка 3.53, а для второй - высокая ссолее ©.

Нэ.основе проанализированных дгкных можно.утверждать, что существует, по крайней мере, два режима ионосферной гур^улекткости. По-видимому,. режим с низкой размерностью -характерен для локализованных турбулентных процессов, а высокая размерность являэтея признаком однородной турбулентности, охватывающей обширный участок ионосферы, В пользу этой интерпретации говорят также некоторые особенности в спектрах сигналов, характерные для каждой из выделенных групп.

Таким образом, показано, что использование фрактального анализа в дополнение к традиционным методам корреляционного и спектрального анализов позволяет повысить информативность анализа экспериментальных данных.

В заключении' сформулированы основные результаты работы:

1. Разработан и создан, автоматизированный приемный комплекс для исследования' мерцаний, радиосигналов методом разнесенного приема с использованием геостационарного и пролетного ИСЗ. Проведены наблюдения мерцаний в географическом регионе, для

.которого подобные эксперименты не проводились; определены спектральные и 'Пространственно-времс лные. характеристики среднеширотной мелкомасштабной ионосферной турбулентности.

2. Предложен способ оценки' спектра неоднородное!ей,

'основанный на переносе спектра мерцаний в область пространственных частот. Определен индекс наклона спектра среднеширотных мерцания равный ~2. Наяде?нное значение

согласуется с тем, ■ что предсказывает атмосферная теория генерации мелкомасштабных неоднородности.

3. Подтверждена работоспособности метода определения высоты

неоднородностей, вызывающих мэрцэнкя ор-типа. Полученные

/

значения высоты распбложения неоднородностей соответствуют высотам расположения Г-слоя с 400кмз.

4. Получен экспериментальный результат, согласующийся . с предположением о существовании северной границы мелкомасштабной ионосферной турбулентности. В период наблюдения 13.10.90-14.10.90 граница зоны неоднородностей располагалась в районе 53^С.Ш.

6. Впервые проведен фрактальный анализ среднеширотных мерцаний геостационарного и пролетного ИСЗ. Показано, что в ряде случаев записи мерцаний имеют низкую Фрактальную размерность, лежащую в диапазоне 3-4.

7. По результатам фрактального, спектрального и корреляционного анализа обнаружено существование двух режимов ионосферной турбулентности с высокой и низкой Фрактальной

размерностью. Существование режима с высокой Фрактальной

\

размерностью находится в соответствии с предположением о наличии в ионосфере обширных областей с однородной турбулентностью, что предсказывается теорией генерации ионосферных неоднородностей в результате переноса электрических полей из турбосферы с 8,91, Соответственно -чписи мерцаний с низкой Фрактальной размерностью, видимо, свидетельствуют о существовании локальной

- te -

турбулентности. Публикации.

1. Афрзймович Э.Л., Звездин D.H., Минько Н.П., Шаповалов А.Н. Система ТИР - двухчастотныя интерферометр для исследования трандионосферного распространения радиоволн. Исследования по „геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, M.« Наука, 1989. вып.84, с. 126-136,

а. Звездин В. Н., Фридман, С. В. Режимы ионосферной турбулентности по результатам фрактального анализа мерцаний радиосигнала ИСЗ, В кн.: 8-е совещание - семинар по проблеме "Неоднородная структура ионосферы", тез.докл., Нижний Новгород 1991, с.84-85.

3. Звездин В. Н., Фридман, С, В. Режимы ионосферной турбулентности по результатам фрактального анализа мери шип радиосигнала ИСЗ - Препринт СибИЗМИР, июнь 1991, Иркутск 1941.

4. Афраймович Э. Л,, Звездин В. Н., Шаповалов А. Н. -Измерения характеристик мерцаний при разнесенном приеме

радиосигналов-ИСЗ в Иркутске. В кн.: 8-е совещание - семинар по проблеме "Неоднородная структура ионосферы", тез.докл., Нижний Новгород

О. Afraiinovich Б, f.., Hin**o Н. Р-, Shapovalov А. Н., ZvezdXn V.N. Simultaneous »eesuremente of the polarization, angles of arrival, Doppler frequency, and amplitude оГ t.he VHF radio Signal from ETS-2. Radio Science, 1991, v.26, H 5, p.1177-119Й,

6. Афраймович Э.Л., Звездин В.Н., Шаповалов А.Н. Измерения характеристик мерцаний при разнесенном приеме радиосигналов ИСЗ в Иркутске. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, К.: Наука, 1991, внп.96, с. 72-86.

7. Звездин В. Н., Фридман, С. В. Режимы ионосферной турбулентности по результатам фрактального анализа мерцаний радиосигнала ИСЗ. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и Физике Солнца, М.: Наука, 1992, вып.93. с.84-96.

0. ZvezcUn V. H. and Kridman S. V. Eeijimes of ionospheric turbulence from fructel analysis of satellite radio signal scintillations.- принята К печати В J. Atmos. arid Terr. Phys.

9. Афраймович Э.Л., Жеребцов Г, А., Звездин В. h'., С. Фрэнк, Характеристики мелкомасштабных ионосферных

неоднородностей по результатам наблюдений мерцаний радиосигналов ИСЗ ETS-a и POLAR bear-4 в Иркутске. Препринт ИСЗФ Н5-92, 1992.

Литература.

1. Kung С., LiU С. H. Radio wave scintillation in the ionosphere Proc, IEEE. 1902, Vbl.70, No.4, P.324-380.

2. Crane. R. K.,Ionospherec Scintillation.. Proceedings of IEEE Vbl.63. N2, 1977.

3. Ерухимов Л. M., Максименко 0. И. " Исследование неоднородностей ионосферы. Дрейфы и неоднородности в ионосфере. М.: Академия наук СССР, 1973, с.41-69.

4. AaronS J. Global morphology оГ ionospheric scintillations Proc. IEEE. 1982.Vol .70,H 4. P.300-378.

\

5. Burke' Й. J'. Waving random surfaces end' correlation1 analysis. Radio Sci., 198?, v.22, К 4, p.607-024'.

6. Wright J. W. artd' Pitteway И. L. V. Computeísi'irtül ati on of radio dHft «eaeUfements, and their analysis by correlation' methods. Radio Sci., 1678, v. 13, HI, p.ie9-210.

7., ti'ii C. it. CfoSs-Corre 1 at 1 oil Functions of Spherical Waves Propagating' ititoiitfk a Slab Containing Anisotropic Irreguíferities. 24-58, 190S, Urbana, Illinois.

8. Óagg1 tí- "ilte origin of the Ionospheric irregularities responsible tot radia-star scintillations and epread-F-II J. Atmos. and tei-I-. Phys., 10Э7.. Vbl .11 , P.130-148.

9. ti-téitííiti, S. V. The formation of small - scale irregularities as a result of ionosphere plasma mixing' by large-scáíe drifts. Pfsnat. Space £ci .,v.38,Mo.в 'imü, pp.961-S72i..

Id. tiihefrldge J. E. The diffraction of satellite signals by isolated 1ohospherlc Irregularities. J.Atmos. and Terr.Phys., 1971, у.33, Й i, p. 47-69.

11. Мун ф. Хаотические колебания. Вводный курс для научных работников Й инженеров M.s Мир, l990, 312 с.

12. dt-assbefQei- Р., Próctícclq I. Measuring the strangennes of stratíge tíiii-élcíbrs. fysica 0.,v.S, НО.1-2,1983, pp.189-208.

/