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

очень часто принимались

сигналы, превышающие уровень

шумов

на

20 дБ. Эхо-сигналы возникают в

пределах

зоны с

толщиной прибли­

зительно в 6 км, центр

которой

находится

в 100

- 105

км

над

уровнем моря. Сигналы быстро замирают,

напоминая полярные

эхо,

полученные примерно на

той же частоте. Используя

панорамный

анализатор, авторы [Ю]

определяли

частотные

спектры отражен­

ных сигналов как при вертикальном

падении, так

и при различных

эхо-сигнала симметричен

относительно переданной

частоты

и обыч­

но имеет ширину от 100

до 200 Гц. При наклонном

падении к вос­

току спектр обычно сдвинут вверх в среднем на 125

Гц, при нак­

лонном падении к западу

-примерно на

столько же вниз.Это явление

можно истолковать как

следствие

горизонтального дрейфа

неодно­

родностей от востока к западу со скоростью порядка 750

метров

в секунду.

Для проверки наличия такого дрейфа был осуществлен

прием

на две антенны, разнесенные вдоль

базисной линии о востока на за­

пад. Пространственно-продольные

и

временные

корраляционные

функции, найденные экспериментально,

дают для

горизонтальной

составляющей’ дрейфа неоднородностей

те же значения, что

и полу­

ченные методом спектрального анализа.

ляции вдоль северо-южной базисной линии по уровню

1/

е

оказа­

лись порядка 35 Л

для обеих частот. Отсюда,

в

частности,

следует, что отражения от таких неоднородностей носят

селек­

тивный характер. Исследователи [іо] утверждают, что

принятая

Букером для северного сияния эллипсоидальная модель

неоднород­

ностей, ориентированных магнитным полем Земли

[і і ]

,

не

объяс­

пределение электронной концентрации имеет волновой характер

и

неоднородности являются фронтами

этой

плоской

волны.

Подчер­

кивается,

что

эти сигналы почти

аналогичны

эхо-сигналам

сверх­

высоких частот

от слоя Е

полярной зоны.

Оба класса

отракѳ-

ний происходят примерно в одной и той же зоне ионосферы,

имеют

одинаковый

порядок

частоты

замирания

и одинаковые

характери­

стики допплеровского сдвига частоты. Оба

вида

эха

проявляют

ракурсную

чувствительность

вследствие

влияния

земного

магнит­

ного поля

и в

обоих

случаях можно наблюдать отраженный

сигнал

в направлениях, несколько отклоняющихся от

перпендикуляра к ста­

1959 гг .)

радиоисследовательская

лаборатория

Стенфордского

университета проводила эксперименты по изучению обратного ионо­

сферного

рассеяния на частотах 12,

18 и 30

МГц

[ і2 ] .

іуан-

кайо - уникальное место для геофизических наблюдений,

так

как

находится

в непосредственной близости от

геомагнитного

экватор'

ра (1° севернее магнитного экватора).

Эксперименты проводились с помощью радиолокаторов фиксиро­

ванных частот. Наблюдаемый "необычного"

типа

обратиорассеяняый

сигнал как

по величине и направлению распространения,

так

и по

ленных неоднородностей ионосферы [іЗ ,

14] .

Обнаружение

полѳ-

направленных неоднородностей около магнитного экватора

помогло

объяснить ряд геофизических явлений,

наблюдавшихся ранее,

но не

объясненных в течение нескольких лет.

В частности,это

относится

к наличию необычного

экваториального

спорадического слоя

Es .

Хотя вид этого слоя на ионограмме напоминает спорадический

слой Es

, наблюдавшийся на других широтах,

однако

по

месту

нахождения

и времени

появления (90 дней из 100) его нельзя

от­

риальных спорадических

слоев Е

пытались объяснить

различ­

ными существующими теориями, по

которым спорадические

слои

Es

образовывались на более

высоких

широтах, но ни

одна

из

этих

теорий не подтвердилась.

Эксперименты в районе магнитного экватора

обнаружили поде-

и давали обратное

рассеяние типа спорадических слоев Es . Тем

самым найдено различие

в характере обычных

и экваториальных

"спорадических" слоев

Es .

В отличие от исследователей, проводивших эксперименты в том

же экваториальном

районе [іо] , в работе [і2]

утверждается,что

букеровская теория

[і і ]

рассеяния анизотропными поленаправлѳншш

неоднородностями

(предложенная сначала для

объяснения сиг­

налов, рассеянных обратно полярным сиянием)

применима для

объ­

яснения сигналов, рассеянных обратно такими

неоднородностями в

экваториальной

зоне.

Теория Букера

и

полученные

эксперимен­

тальные данные позволяют оценить границы объема рассеяния, мас­

штаб

неоднородностей

и отклонение

электронной

плотности внут­

ри неоднородностей относительно окружающей средней плотности.

■/о

Теория экваториального полѳнадравленного

обратного рассея­

ния. Мощность рассеянной волны от поленаправленных

неоднород­

ностей находится в большой зависимости от геометрического

рас­

положения

точек передачи и приема,

о одной

стороны, и располо­

жения и ориентации неоднородностей -

с другой.

Букер

[і і ]

получил

следующее выражение для удельной

эффек­

тивной площади рассеяния анизотропных неоднородностей

&в

в по­

лярной области:

8 Я г Гг

\Ъ ~2І -1_ M ü l l I ' г ? /

r ’L**P

ехр

5 і п е<р

t

( I .I )

где

плазменная длина волны,

соответствующая

электронной

л/

(*N Y

среднее

квадратичное

отклонение

элек­

плотности /V

J

~

тронной

концентрации;

Г - расстояние

корреляции

неоднородно­

сти в направлении, перпендикулярном оси симметрии;

L -

рассто­

яние корреляции параллельно оси симметрии;

Л -

истинная длина

волны;-

ір - угол между направлением

волны и

перпендикуляром

к оси симметрии неоднородности.

Если допустить,

что

L »

Т

и угол

<р

мал

(

(р < Ю °),

то для

<5І

получаем:

<№**) яу% )[т )тІеѵ

8

$ ZTZ

ехр

я

р

( 1 . 2 )

л г

Р

так же как и I

/

\

(

A N у

Если

Т

и

L

Л%) \

N )

принимаются посто-

явными .идя всего объема рассеяния,

то (1.2)

имеет вид

Cf ехр

6 ЯЯг гі

г Г

,

(1.3)

где

8 Я г T*

C, = (2 * rst

T ZL exp

(1.4)

При малых значениях ір (в пределах

нескольких

градусов)

угод

Ф ( Г , ß и

Ф - сферические координаты в

системе с

началом в пункте расположения локатора)

можно заменить

углом

(р

между нормалью

к магнитному полю в

точке рассеяния и

нап­

равлением падающей

волны. Зто значительно упрощает анализ.

Направленность

антенны существенно влияет на поведение

наб­

чае рассеивающий объем, обусловливающий

обратный

сигнал,не ог­

раничивается шириной диаграммы луча антенны и сигнал

появится,

как только позволит направленность антенны. Вертикальная

диаг­

рамма антенны дается

формулой

Л а

s i n ß

4\

s i n

,

.

п ( 2Я-Н

Л

(1.5)

F ( ß ) ^ 2 S in I

- J ~

S i n ß

j p : s i n ß

где

h -

высота антенны над

землей,

а

-

вертикальная

апертура

антенны и

ß

~ угол

подъема луча

антенны.

Учитывая вертикальную диаграмму

направленности

антенны

F ( ß

),

удельную эффективную плошадъ рассеяния

и

убываг-

ниѳ мощности

с расстоянием

(как

JL

/) ,. интегрированием по

л „

всему рассеивающему объему получим для

относительной

мощности

принимаемого рассеянного .сигнала выражения:

P r

г9 г

А„

j<F Y ß )6 ö

~ p r d V = 2

л,

'(ß ) C f

8 X ZL ‘

г, о

exp

Г

d r

d z

d h

( 1 .6 )

Я 2

Так как

d h - r d j . з

и

d z

r c o sp d ip f

(1.6)

принимает вид:

Щ )

r

%

~ 83tzL ?

1

~ ~

j

Г F \ ß )

cosß

'd ß 2Cfje x p

( 1 .7 )

"

^

^

r , ß / \ )

1

о

Первый сомножитель

в этом выражении J J F ^ ß ) - ^

c o s ß

d r d ß

т -

ет зависимость относительной мощности полученного сигнала

от

расстояния,

а

второй

- 2C1J e x p ^ -

9J?~\ а ^

~

азиму­

тальную зависимость,

характеризующую ракурсную чувствительность.

Пределы расстояния

г

определяются минимальной

высотой

объема

расоеяния

h0

(например

100

км).

Пределы

ß

являются функ­

цией

г

и

h .

Sin ß ' —

г г +2КҢ0

( 1. 8)

2 r ( R + h 0 )

'

COS ß

= l f +

J CCS ß

\

(1.9)

где

Г - радиус действия локатора;

R -

радиус Земли;

уз'-угол

подъема луча при радиусе

Г

и высоте

рассеивающего

слоя

h .

|',0

в

Поведение

эхо-сигнала

зависимости

от

азимута

(

Ц) )

и масштаба L / A

пред­

ставлено на рис. 2 в соот­

ветствии с выражением

% ■ехр2

2 / г

у

2

4

6

в

Ю

12

Применяя численное

интег­

рирование .для трехэлемент­

Азимутальный угол F- град

ной

антенны

типа волновой

канал,

Р и с.

2 [l2j

можно найти зависимость амплитуда

отракенного

сигнала

через каждые 20 км. Из

графика видно, что минимальное

расстоя­

ние, при котором можно

ожидать появления отраженного

сигнала,

мальное

расстояние зависит

от максимальной высоты

рассеяния

для данной антены.

Результаты

эксперимента.

Эксперимент

осуществлялся

при пи­

ковой мощности используемого локатора в 5

кВт на частотах

12,

18 и 30

МГц с

частотой импульсов 9,375 Гц. Приемно-передающей

антенной

служил директорши трехэлементный

излучатель,

вращав-

Р и с. 3

шийся со скоростью I об/мин. Наклонные

эхо-сигналы поступали

одновременно на два индикатора: кругового

обзора и типа А. Изоб­

пленку один раз

в минуту. По фотографиям видно, что

амплитуд­

ная корреляция

между соседними импульсами незначительная,

ско­

рость замирания

сигнала - порядка

10 Гц и более.

Рассеянный

поленаяравленными

неоднородностями

сигнал

в

появлялся обычно утром в Э -

II часов

и исчезал в 1 4 -1 6 часов.

Полагают, что Солнце сильно влияет

на

уровень сигнала,наблюдав­

шегося на западе почти на час

позже,

чем

на востоке. Возможно,

плазменной

частоты.

Сезонный

характер сигнала проявляется слабо.

Уотановить

связь между

специфическими

характеристиками

сигнала

и другими геофизическими величинами весьма трудно.

Известно [15]

,

что

вблизи магнитного экватора

имеется

магнитная

аномалия

шириной

в

6° - 10°

вдоль меридиана,

возника­

ном [іб]

"экваториальной электроструей". Суточная

вариация сиг­

нала экваториального рассеяния служит доказательством

его

тес­

ной связи

с экваториальным дрейфом.

Сравнение

экспериментальных данных

с теоретическими

выво-

дами.

Значение

среднего квадратичного

отклонения

электронной

шіотиости в исследуемой области можно оценить,

если воспользо­

ваться теорией Букера, полагая, что она^применима

для

рассмат­

риваемого случая. Принимая, что область рассеяния

узка

по ази­

муту,

но наполняет ширину луча в вертикальной

плоскости,

можно

легко

определить общий горизонтальный вклад в

объем рассеяния :

со

8 Я 2і г <pz

rA

2J exp

r d (p —

t/z

( І . І О )

[ в Я г і

2]

Выражение

d&

(1.2) содержит член

в я г т 2

. Ес­

Г2exp

Л

А 2

ли Т

»

>то экспоненциальный

член

очень мал.

Если

2J >ѵе

Г «

,

то

экспоненциальный член

близок к единице,но Тг

мало.

Таким

образом, оптимальное рассеяние

при заданной

длине

А

.

( ІД І )

Т * / п * г ), д

( 8 я г)

В таком случае

ехр ~ 8 я г Гг / А г

0,37 .

(І.І2)

Учитывая (І.ІО )

- ( І .І 2 ) , получаем для

оптимальной удельной

эф­

фективной

площади рассеяния

,

I

,

f ( H W V Л г

А

^ - ( г я )

J?

A«

[

/V

J

8 Я г L

(°>3 7 ) r

=

/V

1

1

( A N

V

г Л 5

(І.ІЗ )

* г

Ь г ) - —

° ’ 37 ■

N

'

Следовательно,

эффективная площадь рассеяния

определяется

вы­

ражением:

S = 6ß h 'd

=

-^т,

& N

- А 3

} 3 7 )

(1 .14)

N

8

h d 0

/ѵ

где h' ~

вертикальная

протяженность объема рассеяния;

d -

эф­

фективная глубина объема рассеяния.

Обычный расчет мощности на входе приемника дает в этом слу­

чае

Р =

Рг У 2А г

,

,

( І . Ш

.

<э' h d

R

(4Я).3 г і)

уз

Зависимость выражения

Г г екр

JZ

J

от частоты

при

пос-

тоянном Т

приведена

на рис

4. Для частот,

используемых в

данном

эксперименте

(18

и

30

МГц),

можно

принять

Т ■

А

(8Ptz) t/z

«

/ А / .

Тогда

зависимость выраже­

ния

8 Я г Т г

Т гежр

от .длины волны дается верх­

ним графиком рис. 4.

Общую же

зависимость

мощности сигнала

на

входе

приемника от

А

можно

найти,

используя

соотно­

шения

( I .I 5 ),

(1.14)

и

( I .I I )

Частота,

МГц

S ( 4 ;

>)3 ‘

1

h

' d

' Р Iі~с~. 4

А *

N

т .е . обратнорассеянная мощность пропорциональна пятой

степени

длины волны

( Ру ~ Л s

).

Однако

экспериментальные данные

(для частот 18

и 30

МГц)не

ми могло быть вызвано тем, что функция автокорреляции

неодно­

родностей не является гауосовоіі и возможен целый спектр

разме­

ров неоднородностей. ■

ния

эксперимента;

экспериментальные характеристики наблюдаемых

ахо-сигнш'ов

близки к предсказываемым теорией Букера для рас­

сеяния на ■чизотропных поленаправлеиных неоднородностях;

-

эквач и'иальное

рассеяние

сигнала наблюдалось как от

слоя

Е

,

так п от

слоя

F

. От слоя

Е

рассеяние наблюдалось поч­

ти

ежедневно,

и рассеивающий объем простирался на высоты от

100

до 200 км. Отражение

от слоя

F

наблюдалось не так часто

и

возникало вблизи максимума концентрации слоя;

- появление сигнала на востоке

раньше, чем на западе,и

его

исчезновение

в таком

же порядке

свидетельствует о сильном вли­

янии Солнца в

экваториальной

области на формирование такого

сиг­

ории Букера

определено среднее

квадратичное

отклонение

элек­

тронной

плотности -

около І0~^{

-

были

оценены размеры неоднородностей.

В предположении

Гауссова закона распределения электронной концентрации

в

неод­

нородностях,

определены их поперечная (порядка I м)

и продольная

(более 3Ö м) корреляция для использованных в данном

экспери­

менте частот. Сделан вывод, что поперечная корреляция

должна

быть порядка I м, но может быть и меньше. Продольная корреляция

должна быть, по крайней мере, 30 м, но может достигать

и

боль­

ших величин

(порядка

100 - 300 м )..

На средних широтах проведено значительно меньше

экспери­

ментальных исследований.

Накале

[20] ,

анализируя

некоторые

экспериментальные ре­

зультаты по обратному рассеянию радиоволн от поленаправленных

анизотропных неоднородностей ионосферы в

диапазоне длин волн от

0,5 до

15 м, сопоставляет (качественно)

хорошо изученные

авро­

ральные радиоотражения с аналогичными сигналами на средних

и

низких широтах. Выяснилось, что радиосигналы обратного

рассе­

яния от ионосферы как в полярной

зоне, так и вне ее

свидетель­

ствуют

о наличии небольших неоднородностей,

вытянутых

вдоль