Інформаційно-вимірювальний комплекс на базі радіотелескопа уран для дослідження слабких акусто-іоносферних збурень

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Національна академія наук україни

Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка

Івантишин Олег-Михайло Любомирович

УДК 621.396.24

ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНИЙ КОМПЛЕКС НА БАЗІ РАДІОТЕЛЕСКОПА УРАН_3 ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ СЛАБКИХ АКУСТО-ІОНОСФЕРНИХ ЗБУРЕНЬ

05.11.16 - Інформаційно-вимірювальні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2007



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Фізико-механічному інституті ім. Г. В. Карпенка НАН України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Кошовий Володимир Вікторович, Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, завідувач відділу фізичних методів розпізнавання слабоконтрастних об'єктів у неоднорідних середовищах.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Чорногор Леонід Феоктистович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, м. Харків, професор кафедри космічної радіофізики,

доктор фізико-математичних наук, професор Яворський Ігор Миколайович, Фізико-механічний інститут імені Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, завідувач відділу відбору та обробки стохастичних сигналів.

Провідна установа: Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра інформаційно-вимірювальних технологій.

Захист відбудеться „ 19 ” червня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.01 в Фізико-механічному інституті імені Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Фізико-механічного інституту імені Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, вул. Наукова, 5.

Автореферат розісланий „ 16 ” травня 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук Погребенник В.Д.



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Багато фізичних явищ як природного (землетруси, вулкани, цунамі, торнадо тощо), так і техногенного походження (промислові та науково-дослідні вибухи, запуски ракет, дія потужних сейсмовібраторів) супроводжуються генерацією акустичних полів інфразвукового діапазону і проявляються у вигляді збурень в іоносфері Землі. Такі збурення, трансформуючись у плазмові хвилі різних типів, поширюються на значні відстані та існують тривалий час. Цей процес супроводжується цілою гамою ефектів, які, з одного боку, піддаються дистанційній діагностиці, зокрема, наземними засобами, з другого -- відображають природу збурюючого акустичного поля, джерело та його розташування.

Крім того, такі ефекти дозволяють діагностувати стан іоносферної плазми за її реакцією на акустичне збурення, а також, при наявності керованих джерел акустичних полів, цілеспрямовано впливати на стан іоносфери.

Коректне розв'язання проблеми виявлення та ідентифікації акусто-іоносферних збурень (АІЗ), а на їх основі і джерел інфразвуку на поверхні Землі вимагає знань про закономірності впливу на іоносферу різних джерел збурень, в тому числі акустичних.

Для дослідження цієї проблеми здебільшого використовують явища природного походження. Серед вчених, які займаються дослідженнями літосферно-іоносферних зв'язків при сейсмо-акустичних явищах є: Hayakawa M. (University of Electro-Communication, Japan), Parrot M. (LPCE/CNRS, France), Blaunstein N. (Ben-Gurion University of the Negev, Israel), Гохберг М.Б., Ліперовський В.A. (Інститут фізики землі РАН, Росія), Афраймович Е.Л. (Інститут Сонячно-земної Фізики, Росія), Ларкіна В.І. (ІЗМІРАН, Росія), Чорногор Л.Ф. (Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Україна).

Як модельний вплив акустичних полів на іоносферу використовуються, як правило, потужні вибухи. Цим напрямком досліджень займаються такі вчені як Jacobson A. R., Carlos R.C, Fitzgerald T. J. (Los Alamos National Laboratory, USA), E. Blanc (Laboratory of Detection of Geophysics, France), Нагорський П.M., (Сибірський Фізико-Технічний інститут, Росія), Дробжев В.І., Краснов В.М. (Інститут іоносфери МОН РК, Казахстан), Гохберг М.Б. (Інститут фізики землі РАН, Росія), Чорногор Л.Ф. (Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Україна).

Проте через випадковість і некерованість явищ природного походження ефективність їх використання є низькою, а проведення потужних наземних вибухів пов'язано з проблемами екологічного характеру. Крім того, вони є слабо керованими процесами, що не сприяє їх широкому використанню.

Тому актуальним для задач фізичного моделювання збурення середовищ атмосфера-іоносфера є створення інформаційно-вимірювального комплексу (ІВК) як елементу системи дистанційного радіозондування штучних АІЗ, спричинених дією наземного керованого акустичного випромінювача (НКАВ), розробленого в ЛЦ ІКД НКАУ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові результати дисертації одержано в ході виконання планових бюджетних науково-дослідних робіт Фізико-механічного інституту НАН України “Теоретичні та експериментальні дослідження по відновленню радіозображень космічних джерел в декаметровому діапазоні радіохвиль на радіоінтерферометрі з наддовгою базою УРАН з використанням комплексної діагностики іоносферно-тропосферних неоднорідностей і нелінійних перетворень інформаційних сигналів” (номер держреєстрації 0193U029963), “Експериментальні і теоретичні дослідження декаметрового радіовипромінювання галактичних джерел методом інтерферометрії” (номер держреєстрації 0197U003373), контрагентського договору з ЛЦ ІКД НКАУ та НАНУ проекту “Заряд” (держконтракт ЛЦ ІКД НКАУ та НАНУ №7-37/96 з Національним космічним агенством України), проекту INTAS # 97-1964, проекту УНТЦ № 1681.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка, створення і апробація в натурних умовах інформаційно-вимірювального комплексу на базі декаметрового радіотелескопа УРАН-3 для дистанційних досліджень слабких іоносферних збурень, спричинених дією наземного акустичного випромінювання.

Досягнення мети здійснюється шляхом вирішення наступних завдань:

Аналіз властивостей АІЗ природного і техногенного походження та аналіз відомих радіофізичних методів і засобів дистанційного зондування іоносфери. Визначення основних вимог до ІВК.

Розробка методології проведення натурних експериментів для дослідження іоносферних збурень спричинених дією наземного акустичного випромінювання.

Модельне оцінювання параметрів іоносферних сигналів, спричинених акустичним збуренням.

Розробка та створення ІВК на базі радіотелескопа УРАН-3 для дослідження слабких АІЗ. Експериментальні дослідження основних метрологічних характеристик ІВК.

Експериментальна апробація ІВК шляхом проведення в натурних умовах експериментальних досліджень впливу штучного керованого наземного акустичного збурення на іоносферу Землі.

Об'єктом дослідження є дистанційне зондування слабких іоносферних збурень, спричинених дією наземного акустичного збурення.

Предметом дослідження є інформаційно-вимірювальний комплекс на базі радіотелескопа УРАН-3 для дослідження слабких АІЗ.

Методи дослідження. В дисертаційній роботі використано: системотехнічні аспекти побудови просторово-рознесених інформаційно-вимірювальних систем, методи радіофізичної діагностики іоносферної плазми, методи виявлення слабких радіосигналів, методи статистичної обробки радіосигналів, методи планування натурних експериментів з радіофізичної діагностики іоносфери, методи математичного моделювання радіосигналів в системах радіофізичної діагностики іоносфери, теорія інформаційно-вимірювальних систем, методи оцінювання похибок вимірювань.

Наукова новизна отриманих результатів. На основі теоретичних та експериментальних досліджень, проведених в дисертаційній роботі:

1. Розвинуто метод діагностики іоносфери, який дозволяє виявляти та ідентифікувати АІЗ на основі динамічного інформаційного еталону відгуку іоносфери на штучне акустичне збурення, що відкриває зокрема перспективи створення системи виявлення сейсмо-іоносферних передвісників високоенергетичних літосферних явищ.

2. Розроблено структуру та cтворено високочутливий ІВК на базі фазованої антенної решітки декаметрового радіотелескопа УРАН-3 для дослідження слабких АІЗ, спричинених дією наземного акустичного випромінювання.

3. Запропоновано і розвинуто новий підхід до фізичного моделювання іоносферних збурень, який ґрунтується на спільному використанні відносно малопотужного наземного керованого акустичного випромінювача та розробленого високочутливого ІВК, що дозволило провести в натурних умовах експерименти із збурення в іоносфері та дистанційного дослідження слабких штучних АІЗ.

4. Встановлено, теоретично і експериментально обґрунтовано інформаційні характеристики іоносферних радіосигналів, за якими можна виявляти та ідентифікувати слабкі штучні АІЗ наземного походження при проведенні натурних експериментів з використанням відносно малопотужного НКАВ.

5. Експериментально встановлено, що реалізовані на базі розробленого ІВК УРАН-3 радіофізичні методи дистанційної діагностики іоносфери дають змогу виявляти та ідентифікувати штучні АІЗ, спричинені випроміненою за 60 с акустичною енергією на поверхні Землі близько 2106 Дж, що на 45 порядків менше мінімальної акустичної енергії, характерної для науково-дослідних вибухів, які застосовувалися для штучної модифікації іоносфери до цих пір.

Практичне значення отриманих результатів. Створений високочутливий ІВК на базі декаметрового радіотелескопа УРАН-3 у поєднанні з НКАВ дозволив реалізувати в натурних умовах ефективні методи дистанційного акусто-електромагнітного зондування іоносфери з метою виявлення в іоносфері та дослідження слабких штучних АІЗ. Це дало змогу значно збільшити обсяги, підвищити якість і достовірність експериментальних досліджень іоносферних збурень, викликаних високоенергетичними явищами в літосфері, на земній поверхні і в приземних шарах атмосфери, що супроводжуються утворенням інтенсивних акустичних збурень (землетруси, виверження вулканів, запуски ракет, потужні вибухи). Екологічна безпечність експериментів, контрольованість і дозованість наземних акустичних збурень, можливість їх багаторазового повторення відкриває принципово нові можливості у вивченні особливостей акустичного каналу літосферно-іоносферних зв'язків і у розв'язанні в подальшому задач прогнозування природних катаклізмів типу землетрусів.

Особистий внесок автора в отримання наукових результатів полягає в в тому, що положення, які складають суть дисертації були сформульовані і вирішені ним самостійно або при його безпосередній участі, а саме:

- розроблено і створено на базі радіотелескопа УРАН-3 ІВК як елемент системи дистанційного радіозондування штучних АІЗ [1, 2, 9, 12, 16, 17];

- розроблено математичні моделі радіосигналів в методі слабонахиленого зондування іоносфери з різними моделями збуреної іоносфери [3, 8];

- досліджено задачу залежності результуючих кутів радіохвилі від різницевої фази мод при багатопроменевому поширенні [7];

- запропоновано методи акусто-радіофізичної діагностики іоносфери, проведено експериментальні дослідження, обробку і фізичну інтерпретацію експериментальних результатів [4, 5, 6, 10, 11, 13, 14, 15, 18, 19, 20, 21].

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні та практичні результати дисертації доповідались і обговорювались на: 30-й Конференції молодих європейських радіоастрономів (Краків, Польша, 1997), науковому семінарі “Прямі та обернені задачі теорії електромагнітних та акустичних хвиль” (DIPED-97) (Львів, 1997), 2-й науковій конференції пам'яті відомого астрофізика Бабія Богдана Теофіловича (Львів, 1998), 5-й Відкритій конференції молодих вчених по радіоастрономії і космічній фізиці (Київ, 1998), 26-й Генеральній асамблеї міжнародного Радіосоюзу (Торонто, Канада, 1999), 6-й Відкритій конференції молодих вчених по радіоастрономії і космічній фізиці (Київ, 1999), 15-й Відкритій науково-технічній конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів, 2000), 8-й Всеукраїнській конференції-школі по фізиці і контрольованому синтезу плазми (Алушта, 2000), 16-й Відкритій науково-технічній конференції молодих науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (Львів, 2001), 8-й Міжнародній науково-технічній конференції “Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів ЛЕОТЕСТ2003” (с. Славське Львівської області, 2003), 8-ому Міжнародному семінарі/симпозиумі по прямих і зворотних задачах електромагнітної і акустичної хвильової теорії (DIPED-2003) (Львів, 2003), 3-й Українській конференції по перспективних космічних дослідженнях (Кацивелі, 2003).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 21 науковій праці, в тому числі 7 -- в фахових наукових журналах та збірниках.

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та переліку використаних джерел. Роботу викладено на 180 сторінках друкованого тексту, містить 139 сторінок основного тексту, 54 рисунки та 9 таблиць. Перелік використаних джерел містить 120 бібліографічних посилань.

Основний зміст роботи

іоносфера збурення випромінювання

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано її мету та завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, а також викладено структуру та короткий зміст роботи.

У першому розділі проаналізовано основні властивості АІЗ природного та антропогенного походження та здійснено класифікацію їх джерел.

Розглянуто теоретичні підходи до аналізу хвильових процесів в плазмі.

Проведено огляд і аналіз методів, засобів і результатів експериментальних досліджень штучних та природних АІЗ. Ці дослідження проводять із застосуванням як наземної техніки, так і за допомогою супутників з низькими орбітами. Як основну інформаційну характеристику для виявлення АІЗ використовують варіації електронної густини іоносфери.

За результатами досліджень з використанням наземних вибухів (проект “МАССА”) зроблено висновок про те, що вибухи в сотні кілограмів тринітротолуола стимулюють виникнення АІЗ, виявлення яких можливе методами вертикального і нахиленого радіозондування іоносфери, але знаходиться на границі чутливості цих методів.

На основі проведеного аналізу і встановлення типів АІЗ та їх характеристик сформульовано основні вимоги до ІВК, який необхідно розробити для дослідження слабких АІЗ.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячений опису розробленого ІВК як елемента просторово-рознесеної системи створення та дистанційного радіозондування штучних АІЗ (рис. 1).

Система включає джерело зондуючих радіосигналів, НКАВ та ІВК. Елементи системи розташовані на одному меридіані, що підсилює очікувані ефекти впливу на іоносферу акустичного поля. Відстань між приймальним і передавальним пунктами, та між приймальним пунктом і НКАВ складає відповідно 225 км і 200 км.

Акустичний випромінювач генерує дві акустичні хвилі з основними частотами, рознесеними на величину близько 10 Гц. При поширенні цих хвиль в атмосфері внаслідок параметричного ефекту, що визначається нелінійністю нейтрального газу, формуються різницеві інфразвукові складові.

При середній тривалості роботи НКАВ в режимі випромінювання 60 с загальна випромінена акустична енергія складає близько 2106 Дж.

Створений ІВК дозволяє проводити дослідження стану іоносфери на основі декількох радіофізичних методів, а саме: радіоастрономічного методу з використанням як зондуючого радіовипромінювання космічних радіоджерел, методу нахиленого радіозондування іоносфери і методу розсіяння радіохвиль на дрібномасштабних іоносферних неоднорідностях з використанням зондуючих сигналів станцій радіомовлення або спеціальних радіостанцій. Кожен з методів використовує як інформаційні відповідно наступні радіосигнали -- пройдений крізь іоносферу, відбитий від іоносфери і розсіяний іоносферою. Сумісне використання кількох методів, в яких використані інформаційні радіосигнали, сформовані за рахунок різних механізмів акусто-електромагнітної взаємодії в іоносферній плазмі підвищує достовірність виявлення та ідентифікації слабких АІЗ. При цьому спостереження можуть проводитися в одному із трьох режимів:

- вимірювання і дослідження кутомістних характеристик відбитих іоносферних радіосигналів;

- вимірювання і дослідження амплітудних і поляризаційних характеристик та доплерівської частоти відбитих або розсіяних іоносферних радіосигналів;

- радіоінтерферометричні дослідження пройденого крізь іоносферу космічного радіовипромінювання.

Структурна схема ІВК показана на рис. 2.

Спрощену математичну модель сигналу, що поступає на антену при нахиленому дистанційному радіозондуванні представимо у вигляді:

, (1)

миттєва частота сигналу

, (2)

де  амплітуда і  миттєва частота іоносферного сигналу є функціями часу у випадку вузькосмугового процесу.

З фазованої антенної решітки (окремо з двох половин антени, двох лінійних поляризацій А і Б) сигнали надходять на чотириканальний приймальний комплекс. До складу кожного каналу входять: атенюатор, який забезпечує роботу приймальних пристроїв у лінійному режимі; радіоприймач Р399А, що реалізує виділення інформативного сигналу і перетворення його за частотою; фільтр нижніх частот з частотною смугою до 17 Гц і крутизною характеристики загасання 30…35 дБ/октаву.

Частотне перетворення сигналу та його низькочастотна фільтрація дозволяють отримати на виході приймальних каналів биття, частота яких є сумою постійної складової і миттєвого доплерівського зміщення частоти , що визначається швидкістю зміни зміщення фази

. (3)

При перенесенні спектру сигналу вздовж осі частот в сторону її менших значень лінійність перетворення частоти забезпечується за умови забезпечення співвідношення амплітуд сигналу і гетеродина <<1.

Необхідну для доплерівських вимірювань стабільність приймальних каналів забезпечує зовнішня синхронізація гетеродинів приймачів сигналом “5 МГц” від рубідієвого стандарту частоти СЧВ-74.

Як опорний сигнал для 3-го змiшувача радіоприймача використаний сигнал частотою з синтезатора частоти Ч6-31.

Сигнали з виходiв приймальних каналів на третій проміжній частоті перетворюються в цифровий код за допомогою АЦП і записуються в ЕОМ для подальших досліджень амплітудних, поляризаційних і частотних характеристик сигналів.

Створено на базі двох половин антени кореляційний мініінтерферометр з базою 100 м, що дало змогу проводити трансіоносферне зондування радіовипромінюванням космічних джерел.

Сигнали з виходiв приймальних каналів на другій проміжній частоті подаються на корелятор. Після перемноження сигналів і фільтрування високочастотної складової відгук радіоінтерферометра записується у вигляді

, (4)

де - амплітуда сигналу, - діаграми спрямованості антен інтерферометра по полю, - довжина бази інтерферометра, - довжина хвилі.

З виходу корелятора сигнали двох поляризацій подають на блок АЦП і записують в ЕОМ для подальшої обробки.

Вимірювання траєкторних параметрів досліджуваного сигналу проводять керуванням діаграми спрямованості антени ІВК. За кут приходу сигналу приймають таке кутове положення (кут місця, азимут) променя антени, при якому амплітуда сигналу, що приймається, досягає максимального значення. Сканування променем антени реалізують програмно через регістр керування реле в заданому секторі кутів місця і азимуту. Проміжки часу між переключеннями положення променя антени задають оператором і складають 5-10 с. Результати записують в ЕОМ для подальшої обробки.

Проведено аналіз метрологічних параметрів ІВК. Зокрема, розглянуто задачу визначення залежності результуючих кутів приходу від різницевої фази мод при багатопроменевому іоносферному поширенні. За результатами чисельного моделювання встановлено:

1) азимут сумарного сигналу значно змінюється при різницях фаз між модами, що лежать у діапазоні 150-210;

2) кут місця сумарного сигналу зазнає значних змін при різницях фаз між модами, що лежать в діапазоні 120-240;

3) максимальний градієнт змін сумарного сигналу (і, відповідно, максимальна похибка) відповідає значенню різниці фаз 180, тобто коли сигнали мод знаходяться у протифазі;

4) азимутальний кут і кут місця результуючого сигналу наближається до значень відповідних кутів тих мод, амплітуда яких домінує, тобто залежить від відношення амплітуд (>>1 або ). При (>>1 результуючі кути близькі до першої моди, а при <1 -- до другої. Що сильніше виконуються вказані нерівності, то менша похибка у визначенні істинних кутів окремих мод.

Проведено експериментальне дослідження похибок вимірювань ІВК. Для цього на вхід ІВК подавали зразковий сигнал. Аналіз вихідного сигналу дозволив оцінити похибки вимірювань комплексу. Визначення довірчих границь випадкової складової похибки вимірювання д проводили на основі визначення значення оцінки середньоквадратичного відхилення результату вимірювання з врахуванням заданої довірчої імовірності і кількості мірянь :



, (5)

де - коефіцієнти Стьюдента, які залежать від заданої довірчої імовірності та кількості мірянь .

У створеному ІВК досягнуто такі технічні характеристики, що задовільняють основним вимогам:

- максимальна ефективна площа антенної решітки A = 14000 м2;

- мінімільна реєстрована густина потоку радіовипромінювання Smin=100 Ян;

- просторова роздільча здатність у напрямку схід_захід 3,5, а у напрямку північ_південь 15;

- діапазон робочих частот F = 3 30 МГц;

- ширина смуги досліджуваного сигналу в режимі кореляційного приймання F=10 кГц; в інших режимах F=17 Гц;

- стабільність частоти настройки приймачів F/F=510-9;

- відносна похибка вимірювань обвідної амплітуди 14 ;

- відносна похибка вимірювань доплерівського зміщення частоти 3;

- крутизна загасання фільтрів низької частоти (не менше) 3035 dB/октаву;

- антена забезпечує прийом сигналів з двома лінійними поляризаціями.

У третьому розділі розглянуто радіофізичні методи дистанційного зондування іоносфери, які реалізовані на базі ІВК і адаптовані для експериментальних досліджень штучних АІЗ.

Представлено схему та особливості радіоастрономічного методу зондування іоносфери з використанням як зондуючого радіовипромінювання космічних радіоджерел, наведено розроблені методики експериментальних досліджень за цим методом, запропоновано модель прийнятого іоносферного сигналу та оцінено його параметри.

Проаналізовано метод слабонахиленого зондування іоносфери. Наведено його схему та методики експериментальних досліджень. Шляхом математичного і чисельного моделювання отримані аналітичні залежності дзеркально відбитого від іоносфери сигналу і проведено оцінку параметрів цього сигналу для кількох моделей іоносферного каналу, а саме: із змінною висотою відбиваючого плоского екрану, у вигляді плоского іоносферного відбиваючого коливного екрану та у вигляді хвильового відбиваючого екрану із синусоїдальним профілем.

Достатньо проста форма отриманих тут співвідношень для опису законів зміни частоти доплерівського зміщенння fд дає можливість порівняти теоретичні графіки з відповідними експериментальними графіками часової залежності величини fд, отримати умови переходу до багатопроменевого прийому, врахувати кути нахилу фронтальної площини.

Розглянуто метод розсіяння радіохвиль на дрібномасштабних неоднорідностях іоносфери. Наведено схему та описані особливості методу розсіяння радіохвиль. Розглянуто теоретичні аспекти використання ефекту розсіяння для дослідження параметрів плазми. Розроблено методику експериментальних досліджень слабких АІЗ на основі цього методу.

Розвинуто метод дистанційної діагностики іоносфери, націлений на раннє виявлення високоенергетичних сейсмо-акустичних явищ в атмосфері Землі шляхом виявлення та ідентифікації АІЗ.

Технічну суть методу складають такі процедури:

Дозоване періодичне акустичне збурення іоносфери з поверхні Землі за допомогою НКАВ.

Реєстрація впродовж певного часу відгуку іоносфери на це збурення з використанням розроблених методик і створеного ІВК.

Формування на основі параметрів відгуку його динамічного інформаційного еталону.

Моніторинг стану іоносфери за цими ж методиками до наступного сеансу акустичного збудження і застосування до результатів моніторингу інформаційних технологій виявлення та ідентифікації АІЗ на основі сформованого динамічного інформаційного еталону відгуку іоносфери.

Оцінка інфразвукової обстановки на поверхні Землі за результатами моніторингу іоносфери і встановленими закономірностями впливу акустики на іоносферу.

Даний метод відрізняється від відомого наявністю процедур керованого збурення іоносфери акустичною хвилею, отримання еталону відгуку іоносфери на дане збурення та ідентифікації АІЗ на основі сформованого динамічного інформаційного еталону відгуку іоносфери.

Четвертий розділ дисертації присвячено експериментальним дослідженням з допомогою розробленого ІВК.

Наведено результати дослідження радіоіоносферного каналу зв'язку з використанням вибраної зондуючої радіостанції.

Проаналізовано результати експериментальних досліджень штучних АІЗ радіоастрономічним методом. Дослідження проводилися на частоті fроб=25 МГц. Акустична хвиля випромінювалася НКАВ, який функціонував в режимі одноразового або n-разового 60-ти секундного звучання з 60-ти секундними паузами між ними. Відповідно до вибраної геометрії експерименту вибиралися космічні радіоджерела, випромінювання яких може взаємодіяти з акустичною хвилею на висотах порядку 100200 км.

Після обробки експериментальних записів (всього проведено 24 сеанси спостережень) виявлено імпульсні сплески сигналів (рис.3), поява і часи затримки яких корелюють із роботою НКАВ. У даному методі інформативним параметром є час затримки реакції іоносфери відносно початку акустичного збурення. Результати статистичної оцінки результатів експериментів за 24 сеансами спостережень радіоджерел подано на рис. 4 у виді гістограми варіацій часу затримки виявлених іоносферних ефектів.

Вважаючи похибки вимірів незалежними і розподіленими за нормальним законом, побудовано довірчі інтервали центру розподілу і середньо-квадратичного відхилення часів затримок з надійністю 95 %.

Було розглянуто 5 вибірок і встановлено наявність наступних стійких значень часів затримок у всіх експериментах радіастрономічним методом, що супроводжувалися випромінюванням акустичної хвилі, а саме:  = 5,8 0,5 хв; 20,7 2,3 хв; 29,3 1,3 хв; 41,7 2,3 хв; 59,6 4,2 хв. Це свідчить про причинну обумовленість виявлених іоносферних збурень атмосферною акустичною хвилею, генерованою акустичним випромінювачем.

Проаналізовано результати експериментальних досліджень штучних АІЗ методом слабонахиленого зондування іоносфери. Як зондуючі використовувалися сигнали спеціальної радіостанції (м. Миколаїв, Львівська область). Робоча частота вибрана після попереднього дослідження радіотрас і склала fроб=6.1МГц < fМЗЧ (максимальна застосовна частота), а кут місця відповідно склав =62. Відбитий від іоносфери сигнал приймали антеною ІВК по двох лінійних поляризаціях, перетворювали в радіотехнічному тракті до проміжної частоти 3 Гц і реєстрували у цифровій формі з частотою дискретизації 35 Гц. Сеанс вимірювань передбачав один, два або три цикли включення акустичного випромінювача тривалістю 12 хв кожний.

Всього проведено 39 експериментів. Через 12 хв після початку акустичного збурення виявлено зростання величини обвідної відбитого іоносферного сигналу та зменшення періоду її флуктуацій в 23 рази (рис.5).

Через 30 хв від початку акустичного збурення зареєстровано хвилеподібні варіації частоти сигналу з амплітудою близько 1,1-1,2 Гц. Такі зміни частоти сигналу свідчать про відгук на проходження в іоносфері збурень, що спричинені акустичною хвилею.

Проаналізовано результати досліджень штучних АІЗ методом розсіяння радіохвиль на іоносферних неоднорідностях.

Робочу частоту сигналу вибрано fроб=16,3 МГц, що перевищує максимально застосовну частоту fМЗЧ. Розсіяний іоносферний сигнал приймали антеною ІВК при фіксованому куті місця =38,6 по двох лінійних поляризаціях, перетворювали в радіотехнічному тракті до проміжної частоти 3 Гц і реєстрували в цифровій формі з частотою дискретизації 35 Гц.

Всього проведено 7 експериментів. На часових реалізаціях обвідної розсіяного іоносферного сигналу прослідковуються певні закономірності їх зміни, які чітко корелюють із початком акустичного збурення. Через проміжок часу близько 10 хв (рис.7) спостерігається довготривале зростання (1,5-2,5 раза) з коливним характером величини сигналу.

Такі зміни обвідної розсіяного іоносферного сигналу викликані зміною радіолокаційного січення розсіяння за рахунок зміни просторових масштабів іоносферних неоднорідностей.

Спектри потужності розсіяного радіосигналу від збуреної області іоносфери під час проходження через неї штучної акустичної хвилі показано на рис.8.

Аналіз спектрів розсіяного радіосигналу від збуреної області іоносфери дав змогу виявити доплерівський зсув частоти, що є відгуком на акустичне збурення. Час появи доплерівського зсуву частоти відповідає розрахунковому часу поширення акустичної хвилі до області розсіяння, а його величина -- проекції на напрямок спостереження розрахункової швидкості іоносферного збурення, обумовленого акустичним збуренням.

У Висновках сформульовано основні результати роботи.

До Додатку віднесено акт про впровадження.



Висновки

У дисертаційній роботі розв'язано задачу розробки та створення високочутливого інформаційно-вимірювального комплексу на базі фазованої антенної решітки радіотелескопа УРАН-3 для дистанційних досліджень слабких іоносферних збурень, спричинених дією наземного акустичного випромінюваня та проведено його експериментальне випробовування в натурних умовах.

Основні результати роботи полягають в наступному:

1. Запропоновано і розвинуто новий підхід до фізичного моделювання іоносферних збурень, який грунтується на спільному використанні відносно малопотужного наземного керованого акустичного випромінювача та розробленого високочутливого ІВК, що дало змогу провести в натурних умовах експерименти із збурення в іоносфері та дистанційного дослідження в декаметровому діапазоні АІЗ.

2. Розроблено структуру та cтворено високочутливий ІВК на базі фазованої антенної решітки декаметрового радіотелескопа УРАН-3 для дослідження слабких АІЗ, спричинених випроміненою за 60 с акустичною енергією на поверхні Землі близько 2106 Дж, що на 45 порядків менше мінімальної акустичної енергії, характерної для науково-дослідних вибухів, які застосовувалися для штучної модифікації іоносфери до цих пір.

3. Розвинуто метод діагностики іоносфери, який дозволяє виявляти та ідентифікувати АІЗ на основі динамічного інформаційного еталону відгуку іоносфери на штучне акустичне збурення, що відкриває зокрема перспективи створення системи виявлення сейсмо-іоносферних передвісників високоенергетичних літосферних явищ.

4. Адаптовані до умов натурного моделювання і реалізовані на базі створеного високочутливого інформаційно-вимірювального комплексу радіофізичні методи дистанційної діагностики іоносфери, в тому числі радіоастрономічний метод, метод слабонахиленого зондування іоносфери та метод розсіяння радіохвиль на дрібномасштабних неоднорідностях іоносфери, що дозволило розробити нові методики акусто-електромагнітної діагностики іоносфери на їх основі, провести експериментальну апробацію створеного інформаційно-вимірювального комплексу і експериментально підтвердити можливість виявлення та ідентифікації за його допомогою слабких акусто-іоносферних збурень штучного походження.

5. Проведено експериментальну апробацію створеного інформаційно-вимірювального комплексу шляхом натурного моделювання процесів літосферно-іоносферної взаємодії на основі використання наземного керованого акустичного випромінювача. Це дало змогу виявити ряд інформаційних ознак іоносферних сигналів, які можна використати для розробки інформаційних технологій виявлення та ідентифікації слабких акусто-іоносферних збурень у процесі дистанційного радіозондування іоносфери, а саме:

зростання інтенсивності космічного радіовипромінювання в розрахунковий часовий проміжок проходження акустичної хвилі через іоносферу (=5,8 0,5 хв від початку акустичного збурення);

поява повторних відгуків в сигналах космічного радіовипромінювання з різним запізненням відносно початку акустичного збурення 20,7 ± 2,2хв; 29,3 ± 1,3хв; 41,7 ± 2,3хв; 59,6 ± 4,2хв;

зростання амплітуди і зміну характеру амплітудних флуктуацій відбитого іоносферного сигналу через 1213 хв після початку акустичного збудження з тривалістю ефекту близько 1 хв;

доплерівський зсув частоти відбитого іоносферного сигналу, характерне для рухомих іоносферних збурень з періодом 18 хв, через 30 хв від початку акустичного збурення;

квазіперіодичні коливання обвідної розсіяного іоносферного сигналу, корельовані із початком акустичного збурення;

доплерівський зсув частоти розсіяного іоносферного сигналу, який відповідає розрахунковому значенню швидкості вертикального переміщення іоносферних неоднорідностей, близькому до величини швидкості поширення звуку в атмосфері.

Інформаційно-вимірювальний комплекс впроваджено в Львівському центрі Інституту космічних досліджень НАН України та НКА України для проведення наукових досліджень.



Публікації за темою дисертації

1. Досин Д.Г., Ивантишин О.Л. Система автоматического управления сбором данных в декаметровой радиоастрономии // Проблемы управления и информатики. - 1995. №6. - С. 142-146.

2. Досин Д.Г., Івантишин О.Л., Кошовий В.В., Лозинський А.Б. Іоносферно-діагностичний комплекс ІДК УРАН-3 // Відбір та обробка інформації. - 1997. - Вип. 11(87). - С. 3-7.

3. Івантишин О.Л., Кошовий В.В., Левицький О.Є. До питання визначення частоти доплерівського зміщення при відбиванні електромагнітної хвилі від іоносферного збурення у вигляді двомірного відбиваючого екрану // Відбір і обробка інформації. 1997. - Вип. 11(87).- С. 15-20.

4. Кошовий В.В., Івантишин О.Л. Виявлення слабких акусто-іоносферних збурень методом розсіювання радіохвиль на дрібномасштабних неоднорідностях з використанням декаметрового радіотелескопа УРАН-3 // Відбір і обробка інформації. - 1998. - Вип. 12(88).- С. 32 - 36.

5. Кошовий В.В., Івантишин О.Л. Дослідження штучних акусто-іоносферних збурень радіоастрономічним методом // Відбір і обробка інформації. - 1999. - Вип. 13(89). С. 21 - 25.

6. Кошовий В.В., Сорока С.А., Івантишин О.Л., Романишин І.М. Використання поляризаційних параметрів для виявлення впливу на іоносферу штучного акустичного збурення // Відбір і обробка інформації. - 2000. - Вип. 14(90). С. 5 - 8.

7. Левицький О.Є., Івантишин О.Л., Кути приходу відбитої іоносферної радіохвилі при багатопроменевому поширенні // Відбір і обробка ін формації. - 2000. - Вип. 14(90). С. 9-14.

8. Ивантишин О.Л., Кошевой В.В., Левицкий О.Е. Доплеровское смещение при отражении электромагнитной волны от перемещающегося ионосферного возмущения в виде двухмерной поверхности с синусоидальным профилем / Збірник доповідей семінару “Прямі та обернені задачі теорії електромагнітних та акустичних хвиль” (DIPED-97). - Львів: ІППММ, 1997. - С. 113-116.

9. Koshovy V.V., Lozynsky A.B., Romanchev Y.V., Ivantyshyn O.L Radiophysical Complexes for Cosmic Investigations based on Ukrainian Radiotelescope URAN-3 // Acta Cosmologica. - 1997. - Fasciculus XXIII. - P. 67-70.

10. Ivantyshyn O.L., Koshovy V.V., Lozynsky A.B., Lozynsky B.A. Investigation of the artificial acousto-ionospheric disturbances by the radio sounding methods / 5th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics. April 27-30, 1998, Kyiv, Ukraine. Abstracts. YSC-5. - Kyiv: Kyiv Shevchenko University, 1998. - P. 30-31.

11. Кошовий В., Івантишин О., Лозинський А. Дослідження штучних акусто-іоносферних збурень радіоастрономічним методом // В кн.: Вибрані питання астрономії та астрофізики. Збірник матеріалів ІІ наукової конференції пам'яті відомого астрофізика Бабія Б.Т., 3-5 листопада, 1998. - Львів: Львівський держ. університет ім. І Франка, 1998. - С. 114-116.

12. Koshovy V., Lozynsky A., Lozynsky B., Romanchev Yu., Ivantyshyn O. Radiophysical Complexes based on Decameter Radiotelescope URAN-3 // В кн.: Вибрані питання астрономії та астрофізики. Збірник матеріалів ІІ наукової конференції пам'яті відомого астрофізика Бабія Богдана Теофіловича. 3-5 листопада 1998р. - Львів: Львівський державний університет ім. І.Франка, 1998. - С. 179-183.

13. Ivantyshyn O.L. Research of the artificial acousto-ionospheric disturbances using technique of radio waves scattering // 6th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics. April 27-30, 1999, Kyiv, Ukraine. Abstracts. YSC-6. - Kyiv: Kyiv Shevchenko University, 1999. - P. 54.

14. Koshovy V.V., Ivantyshyn O.L. Research of the Artificial Acousto-Ionosperic Disturbances // XXVI th General Assembly of the International Union of Radio Science. August 13-21, 1999, Toronto, Canada. - Abstracts. - Toronto: University of Toronto, 1999. - P. 506.

15. Івантишин О.Л. Виявлення штучних акусто-іоносферних збурень радіофізичними методами з використанням РТ УРАН-3 // Матеріали XV Відкритої науково-технічної конф. науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (КМН-2000). - Львів. - 2000. - С. 97-98.

16. Івантишин О.Л. Інформаційно-вимірювальний комплекс на базі радіотелескопа УРАН-3 для іоносферних досліджень // Матеріали XVІ Відкритої науково-технічної конф. науковців і спеціалістів Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України (КМН-2001). - Львів. - 2001. - С. 177-180.

17. Ivantyshyn O.L. High frequency passive radar for ionosphere researches // Abstracts of XVI Open scientific and technical conference of young scientists and specialists of the Karpenko Physico-Mechanical Institute of NAS of Ukraine (YSC-2001). - Lviv. - 2001. - P. 50.

18. Кошовий В.В., Сорока С.А., Ивантишин О.Л., Романишин И.М. К исследованию ионосферного отклика на искусственное акустическое возбуждение / Зб. наук.праць: Фізичні методи та засоби контролю середовищ, матеріалів та виробів. Львів. - 2003. - Вип.8. - С. 219-222.

19. Назарчук З.Т., Кошевой В.В., Сорока С.А., Ивантишин О.Л., Лозинский А.Б., Романишин И.М. К вопросу акусто-электромагнитного зондирования ионосферы // Матеріали ІІ Української конференції з перспективних космічних досліджень. - 2002 р. Космічна наука і технологія. Додаток до журналу. - 2003. Т 9, №2. - С. 120-131.

20. Кошевой В.В., Ивантишин О.Л., Романишин И.М., Сорока С.А. Сравнительный анализ акусто-ионосферных возмущений при взрывах и управляемом акустическом возбуждении // Сб. тезисов ІІІ Украинской конференции по перспективным космическим исследованиям. Кацивели. - 2003. - С. 107.

21. Dosyn D.G., Ivantyshyn O.L., Koshovyy V.V., Romanyshyn I.M., Soroka S.O. To a question on the mechanism of formation of ionospheric disturbances at ground-based artificial acoustic excitation / Proceedings of VIII International Seminar/Workshop “Direct and inverse problems of electromagnetic and acoustic wave theory” (DIPED-2003), September, Lviv, Ukraine, 2003. - С. 211-214.



Анотація

Івантишин О.-М.Л. Інформаційно-вимірювальний комплекс на базі радіотелескопа УРАН-3 для дослідження слабких акусто-іоносферних збурень. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.16 -- Інформаційно-вимірювальні системи. -- Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, 2007.

Встановлено основні властивості акусто-іоносферних збурень природного і техногенного походження і визначено радіофізичні методи дистанційного зондування іоносфери, потенційно придатні для виявлення зазначених збурень наземними засобами. Розвинуто новий підхід до фізичного моделювання іоносферних збурень, який ґрунтується на використанні наземного керованого акустичного випромінювача та інформаційно-вимірювального комплексу.

Розроблено, створено і досліджено високочутливий інформаційно-вимірювальний комплекс на базі декаметрового радіотелескопа УРАН-3. На основі проведених теоретичних досліджень і результатів експериментальної апробації інформаційно-вимірювального комплексу шляхом натурного моделювання процесів літосферно-іоносферної взаємодії виявлено низку характерних інформаційних ознак сигналів, які отримано у процесі дистанційного акусто-електромагнітного зондування іоносфери в результаті взаємодії зондуючих радіохвиль з модифікованою акустичними хвилями областю іоносфери за рахунок ефектів відбиття, розсіяння або проходження радіохвиль.

Розвинуто метод діагностики іоносфери, який дозволяє виявляти та ідентифікувати АІЗ на основі динамічного інформаційного еталону відгуку іоносфери на штучне акустичне збурення, що відкриває зокрема перспективи створення системи виявлення сейсмо-іоносферних передвісників високоенергетичних літосферних явищ.

Ключові слова: інформаційно-вимірювальний комплекс, акустичний випромінювач, штучні акусто-іоносферні збурення, радіозондування іоносфери.



Аннотация

Ивантишин О.-М.Л. Информационно-измерительный комплекс на базе радиотелескопа УРАН-3 для исследования слабых акусто-ионосферных возмущений. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук за специальностью 05.11.16 -- Информационно-измерительные системы. -- Физико-механический институт им. Г. В. Карпенка НАН Украины, г. Львов, 2006.

Установлены основные свойства акусто-ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения и определены радиофизические методы дистанционного зондирования ионосферы, потенциально пригодные для выявления указанных возмущений наземными средствами.

Развит новый подход к физическому моделированию ионосферных возмущений, который базируется на использовании наземного управляемого акустического излучателя и информационно-измерительного комплекса. Разработан, создан и исследован высокочувствительный информационно-измерительный комплекс на базе декаметрового радиотелескопа УРАН-3. На основе проведенных теоретических исследований и результатов экспериментальной апробации информационно-измерительного комплекса путем натурного моделирования процессов литосферно-ионосферного взаимодействия выявлен ряд характерных информационных признаков сигналов, полученных в процессе дистанционного акусто-электромагнитного зондирования ионосферы в результате взаимодействия зондирующих радиоволн с модифицированной областью ионосферы за счет эффектов отражения, рассеяния или прохождения радиоволн.

Развит метод диагностики ионосферы, который позволяет выявлять и идентифицировать акусто-ионосферные возмущения на основе информационного эталона отклика ионосферы на искусственное акустическое возмущение, что открывает в частности перспективы создания системы выявления сейсмо-ионосферных предвестников природных высокоэнергетических литосферных явлений.

Ключевые слова: информационно-измерительный комплекс, акустический излучатель, искусственные акусто-ионосферые возмущения, радиозондирование ионосферы.



Annotation

Ivantyshyn O.-М.L. Informative measuring complex on the basis of the radiotelescope URAN - 3 for investigations of the weak acousto-ionospheric disturbances. -- Manuscript.

Thesis intended for obtaining of the scientific degree of the Candidate of Engineering Science (speciality 05.11.16 - informative-measuring systems). -- Karpenko Physiko-Mechanical Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 2007.

The basic properties of the natural and artificial acousto-ionospheric disturbances are determined. The radiophysical methods of ionosphere remote sounding, potentially suitable for revealing specified disturbances by groundbased facility are defined.

The approach to physical modeling of the ionospheric disturbances is advanced. It's based on use of acoustic radiator and high-sensitive ground system for remote ionosphere radio sounding. Informative measuring complex based on the decameter radio telescope URAN-3 was created and investigated. It make possible to carry out ionosphere researches by radio-astronomy method using radiation from cosmic radio sources and methods of one-jumped small inclined sounding of the ionosphere and radio waves scattering on small-scale plasma inhomogeneities using the signal of broadcast radio stations as a sounding one. The observations realizes in three modes:

researches of radio signal declination;

amplitude and polarization measurements of the signal and it frequency Doppler shift measurements;

interferometric researches of the radiation from cosmic radio sources.

Created complex will allow to carry out an experimental researches directed on modeling of the acoustic channel in natural lithosphere-atmosphere-ionosphere system during a high-energy action of the phenomena in lithosphere, on terrestrial surface and in atmosphere, which are exciting the intensive acoustic disturbances (earthquake, eruption of volcanos, rockets launching, powerful explosions).

As a result of the theoretical and experimental researches that were carried out the information characteristic of signals were defined.

The acousto-electromagnetic method of ionosphere diagnostics was advanced. It may be used as a basis for development of remote detection and identification system of acousto-ionospheric disturbances using created informative measuring complex.

The ecological safety of experiments, controllability and acoustic disturbances batching, opportunity of their recurrence opens essentially new opportunities to study the peculiarity of the acoustic channel of lithosphere-ionosphere interactions and will allow to increase reliability of experimental researches and to make the interpretation of their results easy.

Key words: informative measuring complex, acoustic radiator, artificial acousto-ionospheric disturbances, radio sounding of the ionosphere.

Размещено на Allbest.ru