Радиотехника и электроника, 2024, № 6
научный журнал
Покупка
Новинка
Издательство:
Наука
Наименование: Радиотехника и электроника
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 98
Дополнительно
Доступ онлайн
4 485 ₽
В корзину
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Российская академия наук
РАДИОТЕХНИКА
И ЭЛЕКТРОНИКА
Том 69 № 6 2024 Июнь
Журнал основан в январе 1956 г.
Выходит 12 раз в год
ISSN 0033-8494
Журнал издается под руководством
Отделения физических наук РАН
Главный редактор
Ю.В. Гуляев
Редакционная коллегия:
А.Ф. Александров, А.С. Бугаев,
В.А. Калошин, В.А. Кашин, Д.С. Лукин,
В.Е. Любченко, С.П. Морев, С.А. Никитов,
А.О. Раевский (отв. секретарь), М.В. Терешонок,
В.А. Черепенин, В.Г. Шавров, В.В. Шевченко,
М.С. Ярлыков
Адрес редакции: 125009, Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7
Институт радиотехники и электроники РАН,
редакция журнала “Радиотехника и электроника”
Тел. 8-495-6293380
Зав. редакцией И.М. Столярова
Москва
ФГБУ «Издательство «Наука»
© Российская академия наук, 2024
© Редколлегия журнала “Радиотехника
и электроника” (составитель), 2024
СОДЕРЖАНИЕ Том 69, номер 6, 2024 ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН Математическое моделирование влияния неоднородностей ионосферы земли на распространение электромагнитных волн А. С. Крюковский, Д. С. Лукин, Е. В. Михалева, Е. А. Палкин, Д. В. Растягаев 501 Применение волноводного подхода для исследования коротковолновых радиотрасс С. Н. Пономарчук, Н. В. Ильин, В. И. Куркин, М. С. Пензин 513 Модифицированный метод разрезов при сравнительном исследовании площадок для систем космической связи и радиоастрономии в миллиметровом диапазоне длин волн И. Т. Бубукин, И. В. Ракуть, М. И. Агафонов, А. Л. Панкратов, Т. Ю. Горбунова, Р. В. Горбунов, В. И. Бубукин 524 Синтез и анализ апланатической зеркально-линзовой системы с осевой симметрией А. С. Венецкий, В. А. Калошин, Чинь Ван Туан 533 Прогнозирование распространения длинных, средних и коротких радиоволн над импедансной структурой «лед–море» М. Г. Дембелов, Ю. Б. Башкуев 541 Сравнительное исследование особенностей распространения обыкновенной и необыкновенной мод коротких волн в ионосфере К. В. Раубо, В. Е. Захаров 547 Зависимость взаимодействия солитонов от типа нелинейности В. А. Еременко, Н. И. Манаенкова 553 Групповые скорости поверхностной электромагнитной волны вдоль импедансной двухслойной среды В. К. Балханов, Ю. Б. Башкуев 558 СТАТИСТИЧЕСКАЯ РАДИОФИЗИКА Физическое моделирование контролируемой многолучевой среды распространения радиоволн А. И. Сулимов, А. А. Галиев, Р. Р. Латыпов, О. Н. Шерстюков, А. Д. Смоляков, Р. Ф. Халиуллин, А. В. Карпов 562 ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ Комбинированные спутниковые средства обнаружения и мониторинга мезомасштабных конвективных комплексов В. П. Саворский, А. П. Чернушич, О. Ю. Панова, О. О. Кузнецов 574
Исследование метода сверхвысокочастотного радиометрического зондирования для тропосферной коррекции в радионавигации Д. М. Караваев, Г. Г. Щукин 582 Применение параметра «база сигнала» для радиолокационного распознавания опасных явлений Д. А. Денисенков, В. Ю. Жуков, Г. Г. Щукин 589
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2024, том 69, № 6, с. 501–512 DOI: 10.31857/S0033849424060017, EDN: IKKDID Представлены новые методы диагностики тонкой структуры ионосферы Земли и их верификация путем сопоставления результатов их применения с результатами моделирования и независимыми прямыми измерениями. Развиты методики восстановления профилей электронной концентрации и частоты соударений электронов в ионосфере с использованием информации о поляризационных и амплитудных характеристиках обыкновенной и необыкновенной компонент регистрируемых сигналов с линейной частотной модуляцией при вертикальном и наклонном зондировании. Выполнено математическое и численное моделирование влияния ионосферных неоднородностей на распространение коротковолнового излучения, а также анализ временных вариаций амплитудных, поляризационных и траекторных характеристик декаметровых радиосигналов, отраженных от ионосферы. На основе метода бихарактеристик и волновой теории катастроф разработаны методы математического моделирования особенностей распространения частотно-модулированных радиосигналов в ионосферной плазме при наличии локальных неоднородностей среды. Разработаны численные алгоритмы программ построения ионограмм наклонного и вертикального зондирования при наличии локальных неоднородностей в ионосфере. Ключевые слова: ионосфера, неоднородности ионосферы, эффективная частота соударений, профили электронной концентрации, зондирование ионосферы, лучи, бихарактеристики, характеристики декаметровых радиосигналов, расходимость, поглощение Поступила в редакцию 28.10.2023 г. После доработки 28.10.2023 г. Принята к публикации 25.11.2023 г. Российский новый университет, ул. Радио, 22, Москва, 105005 Российская Федерация *E-mail: kryukovsky56@yandex.ru © 2024 г. А. С. Крюковский*, Д. С. Лукин, Е. В. Михалева, Е. А. Палкин, Д. В. Растягаев МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИОНОСФЕРЫ ЗЕМЛИ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН 1 УДК 537.87 ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Интенсивное развитие наземных и спутниковых средств диагностики околоземного космического пространства открывает новые перспективы высокоточного определения характеристик среды и предъявляет новые требования к моделированию распространения радиоволн. Для эффективной обработки и визуализации регистрируемой информации, а также решения широкого круга задач как по диагностике свойств среды распространения различных сигналов (радиосвязь, радиолокация, навигация и т. д.), так и по определению источников (и их характеристик) естественных и искусственных возмущений среды актуальным является разработка методов численного моделирования распространения сложных широкополосных сигналов в анизотропной диспергирующей среде с неоднородностями различного масштаба. Диагностика и контроль ионосферы, постоянный мониторинг динамических процессов в атмосфере является актуальной задачей в связи с существенным влиянием состояния ионосферы на работу радиосистем различного назначения. Эффективность работы этих систем, и в первую очередь коротковолновой (КВ) радиосвязи и радионавигации, зависит от адекватно описания среды распространения с учётом всех возможных процессов, проходящих в ионосфере. Не менее важным представляется и непосредственный мониторинг экстремальных явлений в атмосфере Земли с помощью зондирования в КВ-диапазоне [1‒3]. Примеры реальных ионограмм, отражающих сложную структуру сигналов зондирования, полученных в Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН [4] и любезно предоставленных авторам статьи, представлены на рис. 1. 1Некоторые результаты работы представлены на XXVIII Всероссийской открытой научной конференции «Распространение радиоволн» (23–26 мая 2023 г., Йошкар-Ола, ПГТУ) в виде пленарного доклада.
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 6 2024 502 КРЮКОВСКИЙ и др. 2. МОДЕЛИ ЛУЧЕВОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ И КАУСТИЧЕСКИХ СТРУКТУР ЧАСТОТНО МОДУЛИРОВАННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ В ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЕ ПРИ НАЛИЧИИ ЛОКАЛЬНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ Локальные неоднородности в ионосфере Земли различной природы играют существенную роль в процессах распространения на линиях КВ-радиосвязи, вызывая замирания, образование зон фокусировки (каустик) и дефокусировки электромагнитных волн. Для исследования влияния таких неоднородностей на распространение радиосигналов может быть использован метод моделирования, основанный на решении бихарактеристической системы (БС) уравнений [5, 6], гамильтониан Рис. 1. Примеры реальных ионограмм, полученных на трасс ах: а) Торы–Торы (09.01.2023, 05:52 UT), б) Торы– Торы (07.02.2022, 03:00:00 UT), в) Усолье–Торы (07.02.2022, 03:00:00 UT), г) Торы–Торы (09.01.2023, 05:30:00). которой соответствует дисперсионному соотношению для волн, распространяющихся в неоднородной плазме. Бихарактеристическая система представляет собой систему из восьми обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих изменение компонент волнового вектора G k , частоты ω , группового времени распространения сигнала t и координат Gr вдоль лучевой траектории, связанной с волной в рамках геометрооптического (ГО) подхода: dr d k G G τ = ∂ ∂ Γ , dk d r G G τ = −∂ ∂ Γ , dt dτ ω = −∂ ∂ Γ , d d t ω τ = ∂ ∂ Γ , (1)
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 6 2024 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИОНОСФЕРЫ ЗЕМЛИ 503 где Γ = + + − k k k c r k t x y z 2 2 2 2 2 ω ε ω ( , , , ) G G (2) – гамильтониан волнового уравнения, τ – параметр вдоль траектории [6,7], ε – эффективная диэлектрическая проницаемость среды, которая в ионосфере представима в виде формулы Эпплтона–Хартри (Лассена) [8, 9]. В нее входят значение электронной концентрации в точке пространства, модуль напряженности магнитного поля Земли, а также угол между волновым вектором и вектором напряженности магнитного поля. Бихарактеристическая система (1), (2), дополненная уравнениями для вычисления производных по параметрам лучевого семейства, известна как расширенная бихарактеристическая система Лукина [10, 11]. В стационарной среде она имеет вид dr dt h k h j j G G = −∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ − Γ Γ ω 1 , dk dt h r h j j G G = ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ − Γ Γ ω 1 , j = 1,2, (3) где hj – это величины, параметризующие начальное многообразие лучевых траекторий, например угловые координаты направлений выхода лучей. Совместно с (3) система (1), (2) позволяет не только рассчитывать лучевые траектории в неоднородных анизотропных средах, но и определять положения каустик и иных сложных фокальных структур, а также при известной модели ионосферы и магнитного поля Земли находить максимальные и минимальные применимые частоты, зоны радиосвязи и радиомолчания, рассчитать характеристики ионограмм вертикального и наклонного зондирования (ВЗ, НЗ), а также групповые задержки [12,13]. Комплексный расчет геометрических и энергетических характеристик лучевых семейств позволяет определять также фазовые характеристики сигнала, доплеровское смещение частоты, учитывать поглощение вдоль траекторий и вращение вектора поляризации [7, 14–17]. В качестве примера рассмотрим лучевую структуру, образующую каустики в ионосфере [18–20]. Для представленных результатов расчета использована модель высокоширотной ночной ионосферной плазмы. На рис. 2 представлена зависимость электронной концентрации от высоты, а на рис. 3 – высотная зависимость электронной частоты соударений νe. На рис. 4а, 4б представлены результаты расчетов трехмерной лучевой структуры радиосигнала в проекции на плоскость (x, z) для обыкновенной волны (о-волны) и необыкновенной (х-волны) соответственно в случае, когда излучение волны осуществляется точечным источником, расположенным на поверхности Земли на рабочей частоте f = 3.3 МГц. Начало системы координат совмещено с источником, углы выхода лучей меняются от 0 до 90°. В виде фона различной плотности, как и на рис. 3, показана электронная концентрация в ионосфере. Лучи, соответствующие распространению о-волны, с небольшим углом выхода отражаются от слоев Е и F и возвращаются на землю, а лучи с большими углами выхода проходят сквозь ионосферу. Из рис. 4а видно, что семейство лучей образует сложную каустическую структуру, содержащую три разделенных в пространстве каустических острия. В соответствии с классификацией волновых катастроф каждое каустическое острие это особенность A3 [6]. Нижнее каустическое остриё обусловлено отражением от слоя E, а два верхних каустических острия определяются ионосферными Рис. 2. Зависимость электронной концентрации N от высоты z. lg[νe (c–1)] N, 106 cм–3 Рис. 3. Зависимость электронной частоты соударений от высоты z.
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 6 2024 504 КРЮКОВСКИЙ и др. слоями, образующими главный максимум. В случае х-волны (рис. 4б) все лучи отражаются от ионосферы и возвращаются на поверхность Земли, формируя только одно каустическое острие и простую каустику, особенность A2. Из численного решения расширенной БС уравнений можно найти расходимости лучевых потоков по формуле R J J s = −10 0 lg , (4) где J – якобиан расходимости в рассматриваемой точке на луче, а J0 – начальный якобиан расходимости [14, 15], определенный для условного расстояния от источника. На рис. 5а и 5б приведены зависимости расходимости вдоль лучей для обыкновенной и необыкновенной волн от горизонтальной координаты x. Для обыкновенной и необыкновенной волн графики не сильно отличаются. Видно, что при удалении от источника излучения амплитуда волны резко падает, примерно на 100…110 дБ, а далее медленно спадает до уровня –120 дБ. При этом на каждом луче существуют узкие области, в которых расходимость стремится к нулю. Это каустики. Поскольку лучевое описание амплитудно-фазовой структуры волнового поля в областях каустик (огибающих лучевых семейств) и их особенностей неприменимо, то для описания волновых полей в этих областях были использованы методы волновой теории катастроф (ВТК). Методы ВТК помимо определения полного волнового поля позволяют построить наглядную геометрическую (лучевую и каустическую) интерпретацию особых фокальных пространственных или Рис. 5. Расходимости о-волны (а) и х-волны (б). Рис. 4. Лучевые структуры в плоскости (x, z): о-волна (а) и х-волна (б).
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 6 2024 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИОНОСФЕРЫ ЗЕМЛИ 505 пространственно-временных интерференционных (дифракционных) структур электромагнитных полей [6,19]. В рамках ВТК всякая особенность фокального типа, возникающая при построении лучевого семейства, есть особенность (катастрофа) проектирования семейств бихарактеристических решений из координатно-импульсного (фазового) пространства в координатное (конфигурационное) пространство и соответствует эталонной амплитудно-фазовой структуре волнового поля. Для анализа волнового поля в области каустик было проведено математическое и численное моделирование амплитуды поля х- и о-волны в окрестности этих особенностей, на основе решения расширенной бихарактеристической системы Лукина. Выполнено сопоставление равномерного (каустического) приближения и неравномерного (лучевого) приближения, а также проведена качественная оценка влияния х-волны на амплитуду поля о-волны в окрестности каустики [20, 21]. Для численного моделирования был разработан и реализован метод интерполяционной локальной асимптотики, позволяющий на основе данных интерполяции вычислить параметры интерферирующих парциальных полей, а затем по известным формулам находить поля как в лучевом, так и в каустическом приближении [15, 22]. Для примера на рис. 6а, 6б приведены результаты численного расчета амплитуды поля о-волны с учетом вклада х-волны в окрестности каустики в каустическом и геометрооптическом приближениях без учета поглощения. Положение каустики показано точкой на нижней оси. Из рис. 6 видно, что х-волна может вносить существенный вклад в структуру каустического поля о-волны, что выражается в модуляции поля одной волны другой волной. При этом внутри осциллирующей огибающей присутствует и более быстрая интерференционная составляющая при условии когерентности полей волн разной поляризации (на рисунках не показана). Однако учет поглощения нивелирует этот вклад (рис. 7). 3. МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ СИЛЬНО НЕОДНОРОДНЫХ АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД ИОНОСФЕРЫ ЗЕМЛИ В РАМКАХ МЕТОДА БИХАРАКТЕРИСТИК И ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ КАТАСТРОФ Для оценки погрешностей математического моделирования, связанных с асимптотическим характером используемых методов, было проведено исследование их применимости для решения задачи о критическом отражении радиоволн от плазменного слоя. Большим параметром асимптотик в этом случае является отношение толщины слоя к длине волны. На основе метода канонического оператора Маслова [6] построено асимптотическое решение для модельной задачи о падении на параболический плазменный слой электромагнитной волны, излученной точечным источником, находящимся вне слоя плазмы в условиях, когда существенными являются эффекты «подбарьерного Рис. 6. Зависимость модуля напряженности электрического поля от расстояния без учета поглощения: равномерная асимптотика (а), ГО-приближение (б); точка ‒ положение каустики. Рис. 7. Зависимость модуля напряженности электрического поля от расстояния с учетом поглощения.
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 6 2024 506 КРЮКОВСКИЙ и др. просачивания» волны и «надбарьерного отражения» [23, 35]. Решение учитывает как формирование в неоднородном слое фокальных структур различного типа, так и эффекты полупрозрачности слоя для различных частей пространственного спектра волны. Эффекты полупрозрачности слоя (частичное отражение проходящих слой волн и частичное просачивание волн, отраженных слоем) представлены в виде взаимодействия отдельных мод решения, отвечающих различным подмногообразиям лагранжева многообразия задачи, определенного в рамках метода бихарактеристик и ВТК. Показано, что в значимой окрестности критического значения параметров слоя существенным является эффект полупрозрачности, для адекватного учета которого предложены новые асимптотические решения. На основе методов ВТК проанализированы типы фокусировок, возникающие в данных условиях (как основные – A2, A3, так и краевые – B3, B4 [23‒24]). Показано, что в области над плазменным слоем возможно образование фокальной области для волны просачивания. Показано, что в случае отражающего слоя формируется особенность семейства лучей типа простой каустики, однако равномерная по углу падения волны асимптотика для описания волнового поля не представима через функцию Эйри и ее производную, а требует использования функции Вебера‒Эрмита. На рис. 8 представлен пример геометрии лучевых семейств, особенностей многообразия и карт канонического атласа при отражении радиоволн от плазменного слоя при учете эффектов полупрозрачности. Решение может быть использовано при интерпретации сложных ионограмм НЗ и слабонаклонного зондирования (СНЗ) при наличии эффектов, связанных с переходными областями в частотной области, соответствующими изменениям условий отражения для различных ионосферных слоев, а также при дифракционном возбуждении волн в ионосферных межслоевых волноводных каналах. 4. МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ РАЗЛИЧНОГО МАСШТАБА В ИОНОСФЕРЕ НА ОСНОВЕ РЕГИСТРАЦИИ ВРЕМЕННЫХ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕПРЕРЫВНЫХ ЧАСТОТНОМОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ ЗОНДИРОВАНИИ Неоднородности ионосферной плазмы естественного и искусственного происхождения оказывают существенное влияние на распространение радиоволн; их учет необходим при прогнозировании линий КВ-радиосвязи. Поляризационные характеристики коротких радиоволн существенно зависят от наличия неоднородностей на трассе распространения. Для исследования этих эффектов проведено моделирование влияния локальных неоднородностей электронной концентрации ионосферы Земли на амплитуду отраженного сигнала и его поляризационные характеристики при ВЗ частотно-модулированным (ЧМ) КВ-излучением. Использовалась модель анизотропной магнитоактивной ионосферной плазмы, было y/a x/a Рис. 8. Геометрия лучевых семейств, особенностей многообразия и карт канонического атласа при отражении радиоволн от плазменного слоя: A2, A3 – основные особенности, B3, B4 – краевые особенности [23, 24].
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА том 69 № 6 2024 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ИОНОСФЕРЫ ЗЕМЛИ 507 проведено моделирование распространения радиоволн различной поляризации, соответствующей о- и х-волнам. Математическое моделирование распространения коротких радиоволн выполнено в рамках метода БС и ВТК. Были исследованы траекторные, энергетические и поляризационные зависимости отраженных сигналов от частоты, а также влияние локальной неоднородности на характеристики сигнала [16, 17, 24, 25]. Для численных расчетов рассматривалась модель ионосферы, включающая ионосферные слои E и F. В модель было введено локальное возмущение (рис. 9а, 9б), расположенное ниже главного максимума ионосферного слоя. Учитывалось влияние эффективной частоты соударений электронов, ответственной за поглощение радиоволн. Эффективная диэлектрическая проницаемость описывалась формулой Эпплтона–Хартри [8], при этом поправка, связанная с эффективной частотой соударений, в части рефракционного отклонения не учитывалась, поскольку расчеты показали, что она не приводит к существенным отличиям в траекторных параметрах, а сказывается только на энергетике отраженных сигналов. В качестве иллюстрации на рис. 10а и 10б представлены типичные зависимости от частоты f действующей высоты Vh, определяемой через время прихода луча tm в точку отражения [26, 27]: для локальной неоднородности с пониженной и повышенной электронной концентрацией. Графики согласуются с ионограммами ВЗ. Локальные максимумы соответствуют положению на частотной оси областей характеристических частот плазменных неоднородностей: в левой части графика – слоя E, справа – локальной неоднородности. Важной характеристикой отраженных от ионосферы радиоволн являются коэффициенты поляризации. В рамках проведенных исследований Рис. 9. Зависимости электронной концентрации N от высоты z в случае неоднородности с пониженной (а) и повышенной (б) электронной концентрацией. Рис. 10. Зависимость действующей высоты от частоты, локальная неоднородность с пониженной (а) и повышенной (б) электронной концентрацией: о-волна (1) и х-волна (2).
Доступ онлайн
4 485 ₽
В корзину