Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы и обратные модельные задачи

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Рассеяние радиоволн на неоднородностях ионосферы и обратные модельные задачи"

РГ6 од

2 9 МАЙ 1395

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ пм. М.В.ЛОМОНОСОВА

фпзпческпп факультет

На правах рукописи УДК 551.510.534

У Сяопин

РАССЕЯНИЕ РАДИОВОЛН НА НЕОДНОРОДНОСТЯХ ИОНОСФЕРЫ И ОБРАТНЫЕ МОДЕЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ

Специальность 04.00.22 - геофпзпка

АВТОРЕФЕРАТ

дпссерташш на сопсканпе ученой степени кандидата фпзпко-математпческпх наук

Москва ■ 1995

Работа выполнена на кафедре фпзпкп атмосферы физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель -доктор фпзпко-математнческнх наук, профессор В.Д.Гусев

Официальные оппоненты -

доктор фпзпко-математпческих наук,

профессор Н.П.Данплкпн доктор физико-математических наук, профессор А.И.Чуличков

Ведущая организация -Институт земнего магнетизма, понсферы и распространения радиоволн РАН, г. Москва.

Зашита состоится "______1995г. в

на заседании Специализированного Совета Д.053.05.81 по геофизике в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, г.Москва, Ленинские горы, МГУ.физический факультет, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета

Автореферат разослан " "__1995 г.

У

ченьш секретарь Специализированного Совета

кандптат физико-математических, нау

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена теоретическому пс-следовашпо рассеяния плоских радиоволн на неоднородно-стях ионосферы и обратной модельной задачи определения функции корреляции неоднородностей ионосферы. В качестве модели регулярной ионосферы использованы линейный и параболический слои. Неоднородности среды представляются случайным процессом статистически однородным в пространстве. Сечение функции корреляции неоднородностей ионосферы аппрокспровано эллипсоидом вращения. Обратная модельная задача состоит в определении параметров сечения корреляционной функции неоднородностей по результатам анализа индикатрисы рассеяния, определяемой вторыми моментами рассеянного поля.

В целях упрощения решения прямой задачи использован переход от реальной гпротропной неоднородной ионосферы к локально изотропной среде, что является обоснованным прп достаточно высоких частотах зондирования по сравнению с гиромагнитной частотой.

Актуальность темы. Изучение неоднородностей ионосферы составляет одну из фундаментальных проблем геофизики. Исследования неоднородностей ионосферы с помощью классического метода зонднрованпя ионосферы позволили получить большое количество сведений о геометрии п кинематике дифракционной структуры поля. Вместе с тем осталось еще много нерешенных вопросов экспериментального и теоретического характера. Главным образом это касается проблемы определения объемных свойств рассеивающих неоднородностей.

Многочисленные экспериментальные псследованпя позволяют сделать вывод, что ионосферный слой - это неоднородная среда пз ионизированных образований - неоднородностей различного масштаба. На основе результатов радиозондирования выработаны представления о пространственно-временной изменчивости диэлектрической пронппаемостп и электронной конпентрашш ионосферной плазмы. Обратная задача состоит в определении параметров сечения неоднородностей ионосферы по результатам измерения пространственно-временных флуктуации какого-либо элемента радиосигнала на поверхности Земли. Для решения обратной задачи необходимо знать функциональную связь между флуктуашгоннымп характеристиками рассеянного поля п параметрами корреляционного эллипсоида неоднородностей поносферы. Такая связь может быть получена только на основании решения прямой задачп рассеяния радиоволн в неоднородной ионосфере.

Решение прямой задачп рассеяния радиоволн в неоднородной ионосфере не только необходимо для решения обратной задачп определения неоднородностей поносферы, но п актуальна п вал-сна для улучшения работы систем связи и навпгашш. повышения точности геодезических измерений при помогли ИСЗ и т.д.

В связи со сложностью и изменчивостью структуры поносферы основную роль в ее исследовании играют методы дпстаппонного зондирования, позволяющие получить информацию в реальном времени. Особое место среди этих методов занимают методы радиозондирования.имеющие достаточно развитую техническую базу, хорошо разработанную метотпку измерений п давшие за свою более чем

шестпдесятплетную псторто основную долю информации о строении ионосферы. Развитие спутниковых систем радиозондирования открыло новые возможности и перспективы исследования ионосферной плазмы и происходящих в ней процессов. С этой точки зрения актуальность разработки алгоритма определения параметров корреляционной функции неоднородностей ионосферы по рассеянному излучению, не вызывает сомнений.

Таким образом, целью диссертации является разработка методов определения параметров сечения корреляционной функции неоднородностей на основе результатов решения прямой задачи рассеяния радиоволн на неоднород-ностях ионосферы.

В связи с этим основными задачами работы являются следующие:

1. Исследование рассеяния радиоволн для типичных моделей ионосферы: плоскослопстой рассеивающей среды с полным отражением и плоскослопстой рассеивающей среды с просачиванием.

2. Уточнение условий применимости основного метода теорпп рассеяния волн - метода геометрической оптпкп для решения прямой задачи.

3. Разработка методов определения параметров корреляционного эллипсоида неоднородностей ионосферы по индикатрисе углового рассеянпя.которая определяется характеристиками рассеянного поля на выходе из неоднородной ионосферы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Решена задача рассеяния радповолн в параболическом слое прп наличии случайных неоднородностей в случае. когда частота волны равна критической чатоте слоя для нормального зондирования, пли частота волны равна максимально применимой частоте слоя для наклонного зондирования.

2. Предложен метод определения параметров корреляционного эллипсоида неоднородностей ионосферы по характеристикам флуктуации углов прихода рассеянного излучения.

3. Получены параметры корреляционного эллипсоида неоднородностеп ионосферы по результатам экспериментальных наблюдений.

4. Предложены критерии справедливости метода геоме-трпчесх-соп оптики, определяющие возможность его использования при распространении и рассеянии плоских радповолн в среде со с лл "чайными неоднородностямп в виде случайного, однородного в пространстве процесса.

Практическая ценность. Полученные результаты оказывается существенными прп решении обратных задач восстановления свойств неоднородной среды методом дпстаппонного зондирования. Учет эффекта анизотропии рассеяния в среде с анпзомерными неоднородностямп, позволяет устранить погрешности модельного восстановления пнформадпп о структуре неоднородной ионосферы по статистическим характеристикам принятого излучения.

С другой сороны, результаты проведенного анализа распространения и рассеяния волн в неоднородной среде дают возможность учета влияния случайных неоднородностеп

среды на характеристики распространяющихся сигналов, что с\тественнно прп создания систем, направленных на повышение надежности передачи пнформацпп п точности проводимых измерений.

Апробация диссертации. Материалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедры атмосферы физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, и на международной конференции по распространению радиоволн 1993-го года (г.Пекпн).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в двух научных работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержит 160 страниц текста, 8 рисунков. Библиография включает в себе 109 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы работы, описываются главные проблемы, изучению которых посвящена диссертационная работа, сформулированы основные задачи работы. Кратко изложено содержание каждой пз глав.

В первой главе сформулирована обратная модельная задача определения неоднородностей ионосферы. Вводятся и обсуждаются различные модели регулярно неоднородной ионосферы. Для описания случайных неоднородностей ионосферы используется корреляционная функция дпэлек-

трпческой прошшаемостп среды, сеченпе корреляционной функции

Щ-. 1), С) = const. (1)

аппроксировало эллипсоидом вращения с вытянутосгью е и большой осью, расположенной в плоскость магнитного ме-рпдпана под углом а относительно вертикали к поверхности Земли. Дается краткий обзор об основных положениях теории рассеяния радиоволн в ионосфере. Обосновывается преимущества метода геометрической оптики по сравнению с другими известными методами, в тоже время отмечена необходимость более глубокого анализа условий применимости метода ГО в неоднородных средах. Основное внимание данной работы при решении обратной молельной задачи направлено на определение формы и ориентации корреляционного эллипсоида неоднородностей ионосферы. В конце главы изложены основные методы экспериментального исследования неоднородностей ионосферы. Обсуждаются различные способы измерения временных варпаипй рассеянного поля с помощью пространственно разнесенного приема.

Во второй главе рассмотрены вопросы справедливости метода геометрической оптики в неоднородной среде. (1) Рассмотрены основные уравнения ГО - уравнение эйконала п уравнение переноса. Предложен один из вариантов перехода от уравнения эйконала к векторному уравнению лучей и годографу вектор-фунышп лучей. Условием справедливости ГО определено как условие непересекаемости соседних лучей между двумя фазовыми поверхностями. Это условие соответствует единственности решения соответствующей-

(

задачи Копт для лучевого уравнения

^ = <2>

где (х, у, z) - текущие координаты луча, (хо, Уо, 0) * заданые начальные координаты луча, а - длина луча от начальной точки до текущей. Отмечено, что условие (2) одновреме-но определяет конечность амплитуды определяемой уравнением переноса, для всех точкек фронта волны. В конпе этой главы рассмотрено условие (2) для регулярной плос-кослолистой среды. Показано, что нарушение условия (2) в области отражения может быть снято при использова-нппп модификации ГО - метода модифицированных бегущих волн, управляемых нелокальным эффективным коэффициентом преломления среды то(-). Причем указано, что для достаточно толстых слоев разница между эффективным коэффициентом преломления то(:) и локальным гго(~) незначительна за исключением малой окрестности области отражения. Получены явные выражения для эффективных коэффициентов преломления среды для лие ;;ного и параболического слоев, которые использованы в задачах рассеяния радиоволн в ионосфере. Показано, что для модифицированных бегущих волн условие (2) выполнено во всей области их существования, включая область отражения.

Третья глава посвящена исследованию распространения радиоволн в рефрагпруюшей среде с рассеивающими неоднородностями. Волновое поле оппсывется следующим уравнением

ДЕ + /г2[ео(^) + е1(т,у..)]Е = 0, (3)

(3) где €0(2) - детерминированная часть диэлектрической проницаемости среды, е^х. - флуктуационная часть диэлектрической проницаемости среды, представляющая собой однородный в пространстве нормальный случайный процесс. Решение уравнения (3) представлено в виде модифицированных бегущих волн

Е = УЩе.тр[Ф(х,у, г) + {Щх, у, г)],

где у, г) - определяет флуктуации уровня амплитуды, кФ(х, у,:) - полная фаза, функция определяется эффективным показателем преломления среды <2(-) = (?Пц — 5гп2бо)~5: н удовлетворяет следующему уравнению

20(2" - д'2 + 4/С2[е0(г) - = 4/с2,

где во - угол падения на слой. При условии малой возму-шенности < 6] ><< 1 получена совокупность уравнений, позволяющих полностью решить поставленную задачу рассеяния поля в рефрагнруюшеп среде с рассеивающими неод-нородностями. Далее обсуждаются условия существования решения в виде бегущих волн, которое определяется условием (2). Для наклонного зондирования линейного слоя это условие имеет вид

ЬурИдО^ < 1,

где Ь - числовой коэффициент, зависящий от угла падения 00: ПРП бо = 5° ~ 70°, Ь меняется в интервале [\/2 ~ 2\/2]; Оф - стандарт флуктуации фазы; 7Р - зависит от заданной вероятности выполнения неравенства (2) Р, Р(*)'р) —

Р, -Г(.'г) - функция вероятности: £)р = Ьд/ка2, Ьд - групповой путь луча на выходе из слоя. Для наклонного зондирования параболического слоя в случае, когда зондпру-юшая частота / равна максимально применимой частоте слоя /Л„ч условие (2) имеет вид

2Ч/2Тр-0^Ф < 1- (4)

Для нормального зондирования параболического и линейного слоя условие (2) имеет одинаковый вид. аналогичный

(4)-

В четвертой главе рассмотрен вопрос распространения рассеянного поля в свободном пространстве. На основе условия непересекаемости лучей (2) получено определение гранииы области бегущих волн в свободном пространстве

2%/27р1><7ф < 1,

где £) = Ь/ка2 - волновой параметр свободного пространства, Ь - расстояние от точки отражения до точки приема. Полученное условие существенно расширяет область применимости геометрической оптики в свободном пространстве по сравнению со стандартным условием ГО Б « 1. Далее предложен критерий, определяющий гранппу зоны нормализации, т.е. области применимости нормального закона распределения фазоквадратурных компонент флукту-ацпонной состовляющей рассеянного поля. Показано, что при условии

\/3£сф > 1.

в точку наблюдения приходят большое число лучей и соответствующие им волны взаимно некоррелпрованы. Суммарное поле в точке наблюдения является суммой этпх

Ю

волн, поэтому распределение поля стремится к нормальному закону.

Пятая глава посвящена анализу функипанальных связей между характеристиками флуктуации углов прихода и направляющих коспнусов отраженной волны на выходе из ионосферы п параметрами корреляционного эллипсоида неоднородностей ионосферы прп нормальном п наклонном зондировании ионосферы, а также рассмотрению возможности использования этх функцианальных связей для решения обратных модельных задач. Проведены расчеты дисперсии п коварпацпп флуктуации направления луча на плоскости невозмушенного фронта волны и на горизонтальной плоскости.

Флуктуации направляющих косинусов на горизонтальной плоскости имеют вид

где Six, Siy - флуктуация на правляющпх косинусов. Флуктуации направления луча на плоскости невозмущенного фронта волны выражаются через флуктуации углов прихода

где д\,ф\ флуктуашш азимутального п полярного углов прихода луча. -

На основе, приближения ГО плл модифицированной ГО получен ряд выражений для дпсперспп и ковариа-шш (< 31: >,< Б21у >,< 51У > ) п

( < вI > ^ < О] > ,50 < б] ; ф] > ) для избранной в работе модели неоднородностен ионосферы. В обшем случае параметры {1г. Щ п {Ь.Е), г.де

/г =

< > д = < > .

\ < 3\у > \/< ^Ьс^у > '

к =

\

<в,> й= <Мх> | (5)

502<Р?>' ><ф\>

являются функциями от (///с- $0- О.'- м). угловые скобки означа- ют усреднение по ансамблю реализации, / - зондирующая частота, /с - критическая частота слоя, и- азимут невозмлтненноп плоскости распространения волн относительно плоскости магнитного меридиана. Сущность метода решения обратных модельных задач состоит в определении параметров (е. а) корреляционного эллипсоида неоднородностеп ионосферы по эксперпментальнымм значениям (/г. Щ пли (1г. Я), полученным с помощью пространство-ранесенного приема рассеянных радиоволн. При нормальном зондировании

/г = уе^п^а^со^а. Я = 0,

т.е. имеет место одно уравнение для определения (е.а), поэтому решение обратной задачи в этом случае неоднозначно. Прп наклонном зондпрованпп, когда / << /с. используется модель линейного слоя. В этом слл'чае затруднительно решить обратную молельную задачу в связи со

сложностью функции в (5). В случае / ~ /с используется модель параболического слоя. Для радиотрасс, расположенных перпендикулярно плоскости магнитного меридиана, получны следующие результаты

к =

е2

(е2-1 )$гпа-со5о: / / \2

е^г 1псЬд^ \/сн /

где е2 = е^эгг^а + соа2а, е2 = е2со$2а + вгп2а. /ся = Г = 1 - = Когда / £ /ся, (6) не

может быть попользована. В этом случае рассматривается индикатриса на плоскости невозмущенного фронта волны, для которой получены следующие выражения

У 61 ^ (е2 — Штасова

Л = Я = ----, (7

е2 в1е2

что позволяет оптимальном образом решить обратную задач}'. В связи с тем, что в этом случае вытянутость п ориентация индикатрисы рассеяния на плоскости невозмущенного фронта волны определяются соотношениями

. _ /г2 + 1 + \/(1 — /г2)2 + 4Д2/г2 С" ~ К2 + 1 - У(1-/12)2 + 4Л2/г2'

1 2 Юг аи = (8)

Подставка (7) в (8) дает возможность получить простейший результат

ё„ = е, аи = | - а. (9)

Таким образом, соотношения (7-9) позволяют сделать следующие реконмендаппп по постановке экспериментального исследования неоднородностеп ионосферы: зондирующая частота должна обеспечить односкачковой режим п долже-на быть достаточно высокой, чтобы выполнилось условие / = /ся; радиотрасса должна быть перепендпкулярЕа плоскости магнитного меридиана.

В конце главы приводится пример использования разработанной теории к анализу экспериментального материала по псследованпю рассеяния радиоволн в ионосфере, осуществленному в группе проф. В.Д. Гусева в 1980-1982г. Экспериментальные данные относятся к двум радиотрассам Лондон-Москва и Калининград-Москва на частотах близких к соответствующим значениям fJlnч.

а). На основанпп анализа была установлена непротиворечивость теории и эксперимента, состоящая в том. что

К К

>1± Лк

(10)

теор.

при использовании значения Л из (6).

б). Далее в соответствии с (6) по средним значениям < Л >, < Я > по многим сеансам получены параметры среднего корреляционного эллипсоида неоднородностеп

е = 2.3, а = 46°.

Этп данные получены для перемещающихся ионосферных возмущении с масштабом 2 ~ 5 км.

Таким образом, итоги проверки (10) позволяют утверждать, что раработанная теория достаточно обоснована и

может быть рекомендована для практического использования.

В заключении сформулированы основные выводы диссертации, ко- торые заключаются в следующем:

1. Решена задача рассеяния плоских радиоволн на не-однородностях ионосферы, представляющие собой однородные в пространсве случайные флуктуации электронной концентрации для нормального п наклонного зондирования при произвольных частотах радиоволн, включая случаи равенства рабочих частот к критической частоте при нормальном зондировании пли максимально применимой частоте при наклонном зондпрованпп.

2. Получены функциональные связи между параметрами корреляционного эллипсоида неоднородностей и параметрами средней индикатрисы рассеяния радиоволн на выходе из ионосферы для параболического слоя в плоскости фронта волны и в горизонтальной плоскости.

3. Предложены алгоритмы решения обратной модельной задачи, на основе полученных функциональных связей для предложенной модели корреляционного эллипсоида неоднородностей.

4. Получены дополнительные обоснованные условия использования теории при рассеянии плоских радиоволн на случайных, пространственно однородных структурах ионосферы и при последующем распространении их в свободном пространстве.

5. Проведен анализ экспериментальных исследований неоднородностей ионосферы на основе разработанных алгоритмов. При этом

а). Показана внутренняя непротиворечивость массива экспериментальных данных и полученных функциональных связей;

б). Решена обратная модельная задача для этого массива экспериментальных данных по определению формы и ориентации корреляционного эллипсоида неоднородностей.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гусев В.Д., Голынскпй С.М.. У Сяопин. Вестник моск.ун-та. сер.фпз.астрон. 1993,Т.34. No.6. с.40-43.

2. Голынскпй С.М., Гусев В.Д.. У Сяопин. Область нормализации рассеянного излучения в свободном пространстве. тез. док. XII конференции по распрастраненшпо радповолн авг. 1993г. (г.Ульяновск).

3. Wu Xiaoping, Gusev Y.D.. Golynski S.M. A new criterion of geometric optics validity in random refractive media. 1993 Interuatioual asymposium on radio propagation. Beijing, China. August 18-22.

4. Golynski S.M., Gusev V.D., Wu Xiar:ag. A condition of scattered field normalization behind a ran .on phase screen. 1993 International asymposium on radio propagation. Beijing, China. August 18-22.