книги из ГПНТБ / Филипп, Н. Д. Рассеяние радиоволн анизотропной ионосферой

Сравнение параметров, характеризующих горбину

замираний

сигна­

лов

/-/ -рассеяния, с аналогичными величинами при других меха­

низмах распространения, показывает, что

исследуемые

сигналы

в

этом отношении ближе к некоторым видам

авроральных

радиоотра­

жений.

Автокорреляционные Функции амплитуды сигналов. Часть

сиг­

налов,

зарегистрированных на обеих частотах (74

и 44

МГц),

была

записана с большой скоростью и подвергнута в дальнейшем

стати­

стической обработке, в ходе которой, в частности, были

найдены

нормированные функции автокорреляции флуктуаций

амплитуды

ква-

зинепрерывных и вспышкообразных П вида

сигналов

большой

продол­

жительности.

Для последних корреляция

исследована

только

во

второй

фазе

их существования, так как в

первой,

когда

сигналы

ей

электронов выше критической, огибающая амплитуды

почти

не

изменяется (плоская вершина сигнала).

Большинство экспериментальных автокорреляционных функций

для

таких радиосигналов имеет гауссов вид в области

существен­

корреляции. Экспериментальные данные сравнивались с

шестью тео­

ретическими функциями [і0 8

] :

f ( T )

= exp

{

(3.18)

\ ~ * Г ~

при условии, что зеркально отраженная

волна

преобладает

над

спектром рассеянных волн, т .е .

когда J3 г= Е* / І Г £ |

»

7

, и

скорость дрейфа V

"решетки"

неоднородностей равна нулю.При

этом выражение (3.18) не ограничено условием малости

рассеива­

ющих неоднородностей

(

по

сравнению

с

д

;

г ) -

гу

( 4 л Ѵт

)

Яр

/

(3.19)

J

2я\Е С

Яо

при выполнении условий

уз2 >>

;

и средняя

скорость

хаотичных

движений мелкомасштабных неоднородностей

пренебрежительно мала,

f , ' ( c J = e*P

при

V = 0,

(3.20)

,

(3.21)

когда ß

- 2

«

1

когда спектр рассеянных волн преобладает

/, т .е .

над

зеркадьно

отраженными;

4jtV'C )

при

ß ‘ ^ > 1 ,

(3.22)

2з?Ѵг

* о

2

P W = m p -

/ б Х г 1>ог г г

д

а

, при

<<с

К

(3.23)

]

гл-ѵт-

с учетом влияния как хаотичной

скорости,

тал и дрейфа [ іІ 9 ] при

£

Л 0

и

я ^ = Ѵ б і п Ѳ .

Здесь

д 0 - длина волны,

J , -

функ­

ция

Бесселя

первого порядка мнимого аргумента.

Скорость

тя0

определялась

из требования

совпадения

тео­

ретического

ß t (^ )

или

_/*

(?

)

и экспериментального

значений

теоретических

уэ (т), ß^ ( ? ) функций корреляции.

........

Ни одна из приведенных теоретических функций (3.19)

-(3 .23)

не. учитывает

направленного движения ’заряженных частиц

(элек­

тронов) , например типа ионосферных токовых систем или

ради­

полагают турбулентный характер изотропной ионосферы

с

прису­

щими ей двумя основными видами движений:

хаотическим -

мелко­

масштабных неоднородностей и дрейфовым -

"шероховатого

экрана".

При этом вышеприведенные автокорреляционные функции

описывают

только частше случаи действующих механизмов: преобладание хао­

тического движения мелкомасштабных неоднородностей;

преоблада­

ние дрейфового

движения

крупномасштабных неоднородностей и слу­

чай , когда оба

движения 'существенно вягтат на

Нормирование

фдуктуационной

картины сигнала, но независимы друг от

друга.

Полученные

результаты показывают, что в большинстве

слу­

ных сигналов, так

и последней фазы .длительныя вспышек,

вплоть

до значения

0,2 -

0 ,3 . хорошо аппроксимируются гауссовдой. Для

значений

г

, при

которых

р ( г ) ^

0,2 - 0,3,

функции р* (т) и

р а (t)

не

аппроксимируют экспериментальные

кривые.

Однако в

известных пределах

значений

?

функция

может в какой-

осциллирует. Очень редко в качестве

аппроксимации подходит 'функ­

ция уэ (г)

,

Радиус корреляции

по уровню ,1/е для большин­

ства

обработанных сигналов содержится в пределах

0,015

^

0,075

с

д а

/

= 74

МГц,

0,05

^

ea <âO,I2

с

для

/ =

44 І.іТц,

В качестве примера (рис.

51) приведены

автокорреляционные функ­

ции

квазинепрерывных

сигналов,

принятых одновременно на

двух

частотах. На рис. 52

представлены

аналогичные данные для

двух

вспышкообразных сигналов:

(а)

-

продолжительностью

Г’ сии (об­

работан

отрезок записи сигнала спустя 70 с от начала

его

появ­

ления)

и

(б) - для

такого же типа

сигнала

продолжиіелшестью

2 мин

(обработан

отрезок

записи

сигнала

спустя 30 с

от

начала

его

появления).

Автокорреляционные функции

наряду

о

прѵгими

статистическими

характеристиками

выявляют явно

чшетотно ■селек­

тивный характер флуктуацій действующего механизма

раочрогм ра­

нения.

Частота замираний амплитуды сигнала. Энергетический спектр.

Частота

замираний

амплитуды сигнала

А/-рассеяния

была

оцене­

на как число максимумов в секунду

по записям

сигнала.

Опреде­

лив.

таким

образом

экспериментальную

"среднюю"

частоту

быст­

рых замираний на заданном интервале записи, получили

величину,

на самом деле характеризующую скорость

замираний

амплитуды.

Однако она не характеризует весь

спектр

частот

этих

замираний,

а близка

к

максимальной величине

в

этом

спектре.

Как

видно

из

образцов

записей

(раздел Ш, данная

г л .) ,ам­

плитуда анализируемых

сигналов

подвержена глубоким

замираниям

с частотой

в

единицы

Гц, на которые накладываются более

быст­

рые,

но менее

глубокие (флуктуации с

частотой

в

десятки Гц.

Как

полный

частотный спектр

замираній амплитуды,

так и распреде­

ление

их мощности по частотам можно выявить,

определив

энер­

гетический спектр.

Так как в абсолютном

большинстве случаев

экспериментальные

Известно, что для эргодического стационарного процесса

энерге­

тический спектр флуктуаций может быть найден с помощью

Фурьѳ-

преобразования функции

корреляции случайного

процесоа,

задан­

ной или вычисленной

по одной

реализации

(теорема Винера -

Хия-

чина). При гауссовой

аппроксимации нормированной функции

авто­

корреляции (3.18) получаем

Т*

8ягѴо т 1

V / ( S ) = ±

ехр

С05І2

ъс/і

9ЛР , - А £

1

(3,24)

или

w Щ = ехр

(3.26)

где

ч =

——г

Яг

4 - ^ V £v„

Для спектральной плотности мощнооти флуктуаций

амплитуды

сигнала в этом случае имеем:

d N

— N0F exp

(3.26)

d F

где

К

Я

32.л ^ Ѵг гг*

Таким образом, найденный частотный спектр замираний ампли­

туды сигнала хорошо

согласуется с

экспериментальными

данными

[ 95 ]

. Для примера

(рис. 53 , 54)

приведены

спектральные

плот­

ности

мощности замираний

амплитуда

сигнала

четырех

образцов за­

писи,

функции корреляции

которых

представлены соответственно

Зак.І04

ИЗ

на

рис.

51, 52.

Если

учесть тонкую структу­

ру

сигнала (на глубо­

кие

замирания

часто­

той

2-12

Ец

наклады­

ваются болѳе

быстрые

и менее глубокие флук­

туации),

то и

распре­

деление

мощности

зами­

раний амплитуды по ча­

'' ' 4» ___ I________I

стотам (рио.53,54)

так­

I . ■

, . I .

»

______і-------------------- ------- же

хорошо

описывает

О

0,04

0,08

0,12

0,16

Г,с

реальный

пипцѳсс.

Р и с / 52

Вклад

низкоча­

токорреляционной функции (3.19) или (3 .21), в

общій

баланс энер­

гетического спектра незначителен и, по-видимому,

представляет

интерес только для оценки дрейфовых движений

крупномасштабных

ctN/dF 10'3N0

c/n/ c/F IO~3Ng

ЦИИ

(3.19)

или (3 .2 1 ).Если экспериментальшѳ данные аппрокси­

мируются автокорреляционной

функцией

(3 .19), то для

энергети­

ческого спектра получаем

[120]

:

w(ß)=-Я г*Ѵ

ос

, (

>

р

J

cos 57т

)

=\v£cos^arc sin

Я

До ^ при

До

(3.27)

и W ( Q ) = 0

при 57. >

Я0

л г

Я.0

,где

Х >

~

2JräV

Распределение мгновенных амплитуд

/Уе-снгналпв диффузного

типа.

По экспериментальным данным построены графики

распреде­

ления значений мгновенных амплитуд как

интегральные,

так

и диф­

ференциальные. Экспериментальные гистограммы сравнивались

с раз­

личными теоретическими распределениями вероятностей -

ралеев-

ским,

-обобщенным рэлеевским,

нормальным и

нормально-логари^ми-

ческому оценивалась с помощью критерия

. Большинство

эм­

пирических кривых распределения мгновенных амплитуд близки

к

нормальному и нормально-логарифмическолу законам

распределения

вероятностей. Весьма редко амплитуды распределены

по рэлеевско-

щ закону, хотя параметр

ß

(для таких сигналов),

характери­

зующий степень

мутности,

очень часто равен нулю.

Для примера

(рис. 55, 56)

приведены распределения

амплитуд

одновременно при­

нятых квазияепрерывяых сигналов на частотах 44 и 74 МГц

(авто­

корреляционные функции и спектральные плотности которых

пред­

ставлены соответственно на рисунках 51

и 53).

Здесь

же

пред-

Р[щ<и*щ+,]

•ставлены

законы

распре­

деления: нормаль'тый (I),

нормально-логарифмичес ■

кий (П)

и

обобщенны'*

рэлеевский (Ш). Для диф­

фузной части

длительных

вспышек характер

распре­

деления амплитуд

такой

же.

Н е к о т о р ы е

в ы в о д ы .

Сравнение

Р и с . 56

характера

замираний уров­

ня

сигналов

НЕ- рас­

сеяния

и обычного некогѳрѳнтного рассеяния

при дальнем

рас­

пространении ультракоротких радиоволн

показывает

их явное раз­

личие,

проявляющееся, в первую очередь, в

глубине и

частоте

замираний. Глубина быстрых замираний

значительно

больше" при

ңе-рассеянии. Выше указывалось, что

отношение

Öu / Ü

дости­

гает 0,7

- 0,8, а величина отношения

Umax

/ и тш-

в

пределах

ионосферном рассеянии" на "длине радиоволны 6 м

частота

быстрых

замираний амплитуды варьирует от 0,2 до 5 Гц,

[81,

І2 І],

а

при

НЕ-рассеянии на частоте 74 МГц она достигает 40 -

45 Гц,

т .е .

почти на порядок выше.

вой фазе существования),

также ниже, К тому же структура

зами­

раний иная [ 41 3 . Отсюда можно заключить, что

наряду с

тур­

булентными движениями

мелкомасштабных неоднородностей и дрей­

фом крупномасштабных анизотропных ионосферных

образований,

обу­

сигнала

/-^-рассеяния

вносят

и

другие

типы движения зарядов

(электронов).

Спектры замираний амплитуды рассматриваемых сигналов более

близки к аналогичным спектрам некоторых авроралъных

радиоотра­

жений и к радиоотражениям от поленаправленных

неоднородностей

ионосферы в

экваториальном районе С12 3 .

іЗ целях уточнения вклада

различных

движений

отражающих

центров в формирование рассеянного сигнала представляет

инте­

рес исследование частотного спектра, рассеянного сигнала.

Экспе­

римент по качественному

выявлению

допплеровского сдвига часто­

ты

НЕ-сигнала при рассеянии вперед на волне

в 200

МГц

описан

в [60 3 . Исследователи

осуществляли

одновременную

регистрацию

сигналов на двух

приемных трактах,

из

которых

один настраивал­

ся на частоту передатчика, а другой

-

на

частоту, отличную от

частоты передатчика на

+ 5 кГц

(при полосе пропускания

прием­

ного

тракта

в 1,5

кГц)

и + 2 кГц

(при полосе

пропускания

при­

[603 видно, что цриемник, настроенный на частоту

передатчика,

хорошо регистрировал сигналы на всех этапах их прохождения,

за

исключением начального. Приемник, расстроенный на

+ 5 кГц,

не

ные во втором приемном тракте в момент появления вспышек,

обу­

словлены допплеровскими сдвигами, отраженными от

головной части

метеорного следа,

обусловливающего впоследствии

Н£- рассея­

ние. На частоте 50

МГц при

метеорном рассеянии

вперед на

трас­

се длиной в 1000 т

максимальное допплеровское смещение

может

быть порядка 5 кГц [4 1 ] .

Допплеровский сдвиг частоты

в

не -

сколько тысяч Гц в

начале

появления всгшшкообразных

Н£- сиг-

роду. В остальные фазы

прохождения Не -сигнала

допплеровский

сдвиг частоты

меньше 1,5

кГц.

Отметим [60 ] ,

что допплеровские

сдвиги частоты

имели как

положительные,

так

и

отрицательные

значения.

Проведенные нами эксперименты [.89 ]

в

режиме

непрерывного

излучения на частоте 74

МГц

обнаружили

для

квазинелрерывннд

сигналов допплеровские

уширения спектра вверх и вниз

до

200-

300 Гц. Такое уширение

спектра соответствует лучевым

скоростям

отражательных

центров

порядка 800-1200

м /с,

если

это

уширение

связано с допплеровским

сдвигом. Данные

скорости

превосходят

ров

[

50 ] , определяемых,

в частности, по наблюдениям за

мете­

орными следами

[41, ІІ5 ] .

Типичная скорость .дрейфа метеорных

следов

составляет около 25

м /с,

что вызывает смещение частоты

на

18

Гц при частоте 50 МГц для

случая обратного рассеяния

и

несколько меньше в случае рассеяния вперед.

Определение

средней турбулентной скорости мелкомасштабных

ного образца записи показало, что большинство из них

лежит

в

пределах

от 10 до 25 м/с

[ 9 5 ] .

Это значительно

ниже

скорости

движений

отражающих центров,

найденных по

уширениго и

сдвигу

спектра рассеянной волны .

Видимо,

в данном

случае-на рассеян­

ный сигнал

влияют различные

отражающие

центры.

Вероятно,

IQ-

25

гд/с — это скорости,

характеризующие

турбулентное

движение

мелкомасштабных

неоднородностей

и

дрейфы

крупномасштабных

"облаков"

ионизации,

вызванные

поносфертм

ветрами,

в

то

время

как

скорости

порядка

сотен

м/с связаны с ре­

гулярными движениями электронов.

Напомним, что при

аврораль­

ных радиоотражениях Также

выявляется двойственный характер дви­

жений

отражающих центров.

Так, Боулз [ 4 4 ] ,

используя

радиоло­

катор на частоте 50 МГц,

определил допплеровский

спектр

авро-

ральных радиоотражений

порядка

+ 200 Гц

(и

более), что

соот­

ветствует лучевым

скоростям

отражающих

центров

в

пределах

+

600

м /с,

заметно отличающихся от

скорости дрейфа

ионизиро­

ванных

облаков.

На различных частотах смещение и уширение спектра

обычно

одного

и того же порядка и пропорциональны излученной

частоте

[ 5 ] .

Отсюда следует,

что

изменения спектров рассеянных радио­