Радиолокационные уравнения в задаче однократного обратного рассеяния радиоволн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Бернгардт, Олег Игоревич

• Бернгардт, Олег Игоревич
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бернгардт, Олег Игоревич

Введение

1 Обзор существующих радиолокационных уравнений и их применение к диагностике ионосферы

1.1 Рассёяние на малом рассеивателе.

1.2 Рассеяние в случайно-неоднородных средах с малыми радиусами пространственной корреляции.

1.3 Применение радиолокационных уравнений для диагностики ионосферы методом обратного рассеяния радиоволн.

1.4 Постановка задачи.

2 Построение спектральных представлений радиолокационных уравнений для сигналов

2.1 Радиолокационные уравнения в спектральном представлении для сигналов при двухпозиционном зондировании-.

2.1.1 Радиолокационное уравнение для зондирующих сигналов с плавноме-няющейся огибающей.

2.1.2 Селективность процесса рассеяния

2.1.3 Область применимости полученных радиолокационных уравнений

2.1.4 Радиолокационное уравнение без ограничения на плавность огибающей зондирующего сигнала.

2.2 Радиолокационное уравнение в спектральном представлении для сигнала при однопозиционном зондировании.

2.2.1 Получение радиолокационных уравнений в спектральном представлении для сигнала.

2.2.2 Селективность процесса рассеяния.

2.2.3 Область применимости полученных радиолокационных уравнений

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Радиолокационные уравнения в задаче однократного обратного рассеяния радиоволн»

Одним из методов дистанционной диагностики является метод обратного рассеяния электромагнитных волн на флуктуациях диэлектрической проницаемости среды. В настоящее время этот метод широко используется при дистанционной диагностике нижней и верхней атмосферы Земли. На его основе созданы различные виды диагностики как ионосферы, так и атмосферы (методы некогерентного рассеяния (НР) [1,2], обратного рассеяния на плазменных неустойчивостях [3], обратного рассеяния от искусственных квазипериодических неоднородностей [4], Мезосферно-Стратосферно-Тропосферные радары [5], рассеяние лазерного излучения в атмосфере [6], радиоакустическое зондирование атмосферы [7]). Многие современные модели атмосферы и ионосферы (МЭК-Бб, 1Ш-95) создаются и совершенствуются с использованием данных, получаемых при помощи метода обратного рассеяния радиоволн. Теоретическую базу этого метода обычно составляет радиолокационное уравнение - аналитическое выражение, связывающее принятый сигнал с флуктуациями диэлектрической проницаемости исследуемой среды.

Наиболее часто, при построении радиолокационного уравнения используется приближение однократного рассеяния (или Борновское приближение), подразумевающее слабость рассеянного поля по сравнению с падающим [8,9]. В этом случае можно построить простое выражение, связывающее форму принятого сигнала с флуктуациями диэлектрической проницаемости, как функцией пространства-времени. Это аналитическое выражение может быть названо радиолокационным уравнением в пространственно-временном представлении.

Обычно, удобным для анализа экспериментальных данных является спектральное представление этого радиолокационного уравнения, в котором явно выделена связь рассеянного сигнала с пространственно-временным фурье-спектром флуктуаций диэлектрической проницаемости, в связи с селективными свойствами однократного рассеяния [8-10], которые будут рассмотрены ниже. Различные модели флуктуаций диэлектрической проницаемости среды и их зависимость от макроскопических параметров среды также, в основном, используют спектральное представление для флуктуаций диэлектрической проницаемости [11-13].

При этом, спектральные представления радиолокационных уравнений могут быть построены в рамках двух различных подходов - линейного и статистического. Линейный подход подразумевает установление связи между Фурье-спектром сигнала и пространственно-временным спектром флуктуаций. В статистическом подходе связывают среднеквадратичные величины (среднюю спектральную мощность принятого сигнала или его корреляционную функцию) со спектральной плотностью флуктуаций.

Наиболее часто, при построении спектрального представления радиолокационных уравнений в рамках задачи однократного рассеяния, используют дополнительные предположения о свойствах среды - предполагается либо малость рассеивающего объема [14], либо малость радиуса пространственной корреляции неоднородностей [10]. В этих приближениях можно получить удобные выражения, в которых явно выделена селективность процесса рассеяния и которые могут быть использованы для интерпретации эксперимента.

Задача построения спектрального представления радиолокационного уравнения в линейной постановке (для сигналов) при однократном рассеянии достаточно полно изучена для случая, когда источник и приемник расположены в дальней зоне рассеивающего объема [8,15]. В этом случае можно заменить фронт падающей сферической волны на плоский и показать, что рассеянный сигнал будет пропорционален строго определенной пространственной фурье-гармонике флуктуаций диэлектрической проницаемости внутри рассеваю-щего объема, а направление и абсолютная величина волнового вектора этой гармоники определяются из условия Вульфа-Брэгга. Таким образом, процесс рассеяния на неоднородности с малыми пространственными размерами обладает селективностью - основной вклад в рассеянный сигнал дает единственная пространственная гармоника флуктуаций диэлектрической проницаемости, удовлетворяющая условию Вульфа-Брэгга.

Однако, это условие малости рассеивающего объема выполняется далеко не всегда. Это требование (которое можно выполнить в лабораторных условиях), как правило не выполняется при дистанционном зондировании таких сред, как ионосфера и атмосфера, поскольку в этом случае рассеивающий объем определяется диаграммами направленности источника и приемника, и растет с увеличением радиолокационной дальности. Это не позволяет использовать стандартную технологию получения спектрального представления радиолокационного уравнения: замену фронта сферической волны на плоский и переход к Фурье-спектрам. Поэтому, обычно при получении спектрального представления РЛУ для таких сред используется статистический подход и приближение малости радиуса пространственной корреляции, что позволяет обобщить результаты решения классической задачи рассеяния волны на малом рассеивателе на задачу рассеяния от случайных неоднородностей, с радиусами корреляции меньшими радиуса зоны Френеля [10].

Однако, предположение о малости радиуса пространственной корреляции может быть не всегда правомерно. В частности, оно не всегда выполняется в возмущенных условиях при рассеянии от неустойчивостей полярной и экваториальной ионосферы, при радиоакустическом зондировании атмосферы, при рассеянии от искусственных неоднородностей ионосферы.

Поэтому, важной как с теоретической, так и с практической точки зрения является задача построения спектрального представления известных радиолокационных уравнений в рамках теории однократного рассеяния и статистическом подходе без ограничения на величину радиуса пространственной корреляции неоднородностей. Установление такой связи между принятым сигналом и флуктуациями диэлектрической проницаемости необходимо для интерпретации результатов эксперимента в случае, когда радиус пространственной корреляции нельзя считать малым. Анализ полученного спектрального представления радиолокационного уравнения также позволит определить область применимости стандартного спектрального представления РЛУ и оценить погрешности его применения в различных условиях.

Также, представляет интерес построения спектрального представления радиолокационного уравнения для сигналов (установления взаимосвязи между Фурье-спектром рассеянного сигнала и пространственно-временным спектром неоднородностей без перехода к его среднестатистическим энергетическим характеристикам) в случае дистанционного зондирования. В этом случае рассеивающий объем определяется диаграммами направленности приемной и передающей антенн и его нельзя считать малым. Такое спектральное представление радиолокационного уравнения необходимо для описания сигнала, полученного при рассеянии на протяженном рассеивателе (каким является атмосфера и ионосфера) и построения методик его интерпретации.

Целью работы являлось расширение диагностических возможностей метода однократного обратного рассеяния радиоволн на основе изучения как отдельных реализаций рассеянного сигнала, так и их статистических характеристик. Для этого решались следующие основные задачи:

- построение и анализ спектральных представлений известных радиолокационных уравнений для сигнала в рамках задачи однократного обратного рассеяния радиоволн на флук-туациях диэлектрической проницаемости среды, без традиционных ограничений на малость рассеивающего объема.

- построение и анализ спектрального представления известных статистических радиолокационных уравнений, без стандартных ограничений на малость радиуса пространственной корреляции по сравнению с радиусом зоны Френеля.

- разработка методик линейной обработки реализаций рассеянного сигнала и их апробация на экспериментальных данных Иркутского радара некогерентного рассеяния.

На защиту выносятся:

1. Полученные радиолокационные уравнения в спектральном представлении для сигнала в приближении однократного рассеяния, являющиеся обобщением известных уравнений на случай протяженных рассеивателей и учитывающие форму зондирующего сигнала и диаграмм направленности антенн.

2.Полученные статистические радиолокационные уравнения в приближении однократI ного рассеяния и учитывающие форму зондирующего сигнала и диаграмм направленности антенн, без традиционного предположения о малости радиуса пространственной корреляции, предельным случаем которых являются ранее известные уравнения.

3.Метод линейной обработки сигнала, предназначенный для выделения информационного сигнала некогерентного рассеяния в ионосфере на фоне сильных когерентных помех - отражений от рельефа местности.

Содержание работы

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Бернгардт, Олег Игоревич

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Бернгардт О.И., Потехин А.П., К теории рассеяния радиосигналов в атмосфере //Оптика атмосферы и океана, 10, N12(1997), С.1513-1516.

2. Бернгардт О.И., Потехин А.П. Однократное рассеяние радиосигналов в ионосфере //Исследования по геомагнитизму, аэрономии и физике Солнца, Вып 109,1998г, С. 144-150.

3. Berngardt O.I., Potekhin А.Р., The relation between scattered signal and spatial spectrum of dielectric permittivity irregularities //Proc. of SPIE, Vol 3583, 1998, P.430-435.

4. Berngardt O.I., Orlov I.I., On a technique for separating the coherent part of scattered signals, //Proc. of SPIE, Vol. 3583, 1998, P.425-429.

5. Бернгардт О.И., Орлов И.И., О методе исключения когерентных отражений из рассеянного сигнала по данным радара HP ИСЗФ //Исследования по геомагнитизму, аэрономии и физике Солнца, вып 109,- 1998г, С.69-77.

6. Бернгардт О.И., Орлов И.И., О методе исключения когерентных отражений из рассеянного сигнала по данным радара HP ИСЗФ //Тезисы докладов, конференции 'Физика ионосферы и атмосферы Земли', 1998. Иркутск,С.36

7. Бернгардт О.И., Потехин А.П., Однократное рассеяние радиосигналов в ионосфере //Тезисы докладов конференции 'Физика ионосферы и атмосферы' Земли, Иркутск, 1998,С.37.

8. Бернгардт О.И., Потехин А.П., К теории рассеяния радиосигналов в атмосфере //Тезисы докладов IV симпозиума "Оптика атмосферы и океана", Томск,1997 С.48-49

9. Бернгардт О.И., Орлов И.И., Исключение когерентной помехи изданных HP //Тезисы докладов XIX всероссийской конференции 'Распространение радиоволн' Казань, 22-25 июня 1999, С.77-78.

10. Бернгардт О.И., Потехин А.П., Анализ спектров сигналов однократного рассеяния от случайно-неоднородных сред //Труды Байкальской молодежной научной школы по фундаментальной физике, Иркутск, 1999, в печати.

11. Berngardt O.I., Potekhin А.Р., Towards The theory of Radio-Waves Scattering from Ionosphere //XXVI General Assembly URSI Abstracts, Toronto, 1999,P.490

12. Бернгардт О.И., Потехин А.П., Радиолокационные уравнения в задаче обратного рассеяния радиоволн //Изв.ВУЗов, Радиофизика, в печати.

6 Заключение

Диссертация содержит результаты оригинальных теоретических и экспериментальных исследований однократного обратного рассеяния радиоволн флуктуациями диэлектрической проницаемости среды.

В работе впервые получены и изучены спектральные представления известных радиолокационных уравнений, связывающие спектр рассеянного сигнала с пространственно - временным спектром флуктуаций среды при диагностике среды методом однократного рассеяния радиоволн. Они получены без стандартных предположений о малости радиуса пространственной корреляции неоднородностей или малости рассеивающего объема и являются обобщением известных радиолокационных уравнений на случай протяженных рассеивателей и сред с радиусами пространственной корреляции неоднородностей, не ограниченными малостью в сравнении с радиусом зоны Френеля.

Полученные результаты являются вкладом в теорию радиолокационного зондирования сред методом обратного рассеяния радиоволн.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бернгардт, Олег Игоревич, 2000 год

1. Evans J. V., Theory and Practice of Ionosphere Study by Thomson Scatter Radar //Proc. IEEE v.57 - P.496-530.

2. Суни A.JI. Терещенко В.Д. Терещенко Е.Д. Худукон Б.З. Некогерентное рассеяние радиоволн в высокоширотной ионосфере. АН СССР, Апатиты, 1989. 182с.

3. Haldoupis С., A review on radio studies of auroral E-region ionospheric irregularities. //Annales Geophisicae. 1989. - 7(3). - P.239-258.

4. Виленский И.М., Израйлева Н.И., Капельзон A.A., Плоткин В.В., Фрейман М.Е., Искусственные квазипериодические неоднородности в нижней ионосфере. Н.: Наука, 1987.- 188с.

5. Woodman R.F. Scattering of ЕМ Waves from Dielectric Density Fluctuations //Hanbook for MAP.- V30.- 1989.- P.143-150.

6. Зуев B.E., Белов B.B., Веретенников В.В., Теория систем в оптике дисперсных сред. Томск. 1997. 402с.

7. Каллистратова М.А., Кон А.И., Радиоакустическое зондирование атмосферы, М.: Наука, 1985. 198с.

8. Исимару А., Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах, М.: Мир, 1981, в 2-х частях.

9. Ландау Л.Д.,Лившиц Е.В., Квантовая теория поля, М.:Изд.физ.-мат.литературы, 1963.-702с.

10. Татарский В.И., Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967.-548с.

11. Шеффилд Дж., Рассеяние электромагнитного излучения в плазме. М.: Наука, 1978.- 279с.

12. Ахиезер А.И., Ахиезер И.А., Половин Р.В., Ситенко А.Г., Степанов К.Н. Электродинамика плазмы. М.: Наука, 1974. 720с.

13. Hamza A.M., St-Maurice J.-P., A turbulent theoretical framework for the study ofcurrent-driven E region irregularities at high latitudes: basic derivation and application to gradient-free situations, //J.Geophys.Res. 1993.- P. 11587-11599.

14. Ньютон P., Теория рассеяния волн и частиц. M.: Мир, 1969.- 607с.15. ван де Хюлст Г., Рассеяние света малыми частицами. М.: ИЛ, 1961.- 536с.

15. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М., Электродинамика сплошных сред. М.: Наука. 620с.

16. Кравцов Ю.А., Горышник Л.Л., Корреляционная теория рассеяния радиоволн в полярной ионосфере //Геомагнитизм и аэрономия.- т.1Х.- N2.- 1969.

17. Kottos T.,Smilansky U.,Fortuny J.,Nesty G., Chaostic scattering of microwaves //Radio Science. V.34. - N4. - 1999. - P.747-758.

18. Moore R.K., Murtha В., Chatterjee D., Measuring rainfall rates using a spaceborne synthetic-apperture radar. // Abstracts of XXVI General Assembly URSI. Toronto. - 1999.

19. Шефер О.В., Оптическая модель кристаллического облака применительно к поляризационному лазерному зондированию //Автореф. дис. кан. физ.-мат. наук. Томск, 1992.- 20с.

20. Налбандян О.Г., Частотный спектр сигнала при радиоакустическом зондировании атмосферы. //Изв. АН СССР., Физика атмосферы и океана. 1976. - 12. - N7. - С.772-775.

21. Кон А.И., Татарский В.И., Частотный спектр рассеянного сигнала при радиоакустическом зондировании атмосферы. //Изв. АН СССР., Физика атмосферы и океана. 1980.- 16. N3. - С.219-228.

22. Бреховских Л.М., Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.- 344с.

23. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И., Введение в статистическую радиофизику. М.: Наука, 1978, в 2-х частях.

24. Жуковский В.Г., Флуктуации плотности плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1993. 270с.

25. Насыров A.M., Рассеяние радиоволн анизотропными ионосферными неоднороднос-тями. Изд-во Казанского Университета. 1991. 150с.

26. Справочник по радиолокации /под ред. М.Скольник, т.1. М.,Советское радио. 1976. - 456с.

27. Bauer R., Theory of Thompson scattering //Phil.Tans.R.- Soc.Lond.- 1975.- A280.-P.167-191.

28. Lehtinen M.S., Statistical theory of incoherent scatter radar measurements,: Ph.D.Thesis.- Univ.of Helsinki. 1986. - 97p.

29. Шпынев Б.Г., Методы обработки сигналов некогерентного рассеяния с учетом эффекта Фарадея //Дис. канд. физ.-мат. наук, Иркутск, 2000 142с.

30. Williams P.J.S., Jones B.,Uspensky М., Starkov G., Multiradar studies of auroral backscat-ter, //J.Atmos.Terr.Phys. 50(4/5). - 1988. - P.315-321.

31. Gordon W.E. Incoherent scattering of radio waves by free electrons with applications to space exploration by radar //Proc.I.R.E.- 1958. V.46. - P.1824-1829.

32. Bowles K.L. Observations of vertical incidence scatter from the ionosphere at 41Mc/sec //Phis.Rev.Lett.- 1958. V.l. - N12,- P.434-455.

33. Sudan R.N., Unified theory of type I and type II irregularities in the equatorial electri-ojet, //J.Geophys.Res.- 88(6). 1983. - P.4853-4860.

34. Rogister A., D'Angelo N. Type II irregularities in the equatorial electrojet, //J.Geophys.Res- 75. 1970. - P.3879-3887

35. Buneman O., Excitation of field alligned sound waves by electron streams, //Phys. Rev. Lett. 10. - 1963. - P.285-287.

36. Farley D.T., A plasma instability resulting in field-alligned irregularities in the ionosphere, //J.Geophys.Res. 68. - 1963. - P.6083-6097.

37. Moorcroft D.R., K.Shlegel, Evidence for non-Maxwellian ion velocity distributions in the F-region //J.Atmos.Terr.Phys. 50(4/5). - 1988. - P.455-465.

38. Holt J.M., Rhoda D.A., Tetenbaum D., van Eyken A.P., Optimal analysis of incoherent scatter data, //Radio Science. 27(3). - 1992. - P.435-447.

39. Farley D.T. Radiowave scattering from the ionosphere. //Plasma Physics. v39. - 1971.- P.139-186.

40. Kofman W., Plasma instabilities and their observations with the incoherent scatter technique. В кн.: Incoherent scatter: theory, practice and science, technical report 97/53. -EISCAT scientific association. - 1997. - P.33-65.

41. Oksman J., Uspensky M.V., Starkov G.V., Stepanov G.S., Vallinkoski M., //J.Atmos.Terr.P. 48,- 1986,- P. 107- 113

42. Koehler J.A., Sofko G.J., Menta V. A statistical study of magnetic aspect angle effects associated with VHF auroral backscatter //Radio Science. 20. - 1985. - P.689-695.

43. Foster J.C., Tetenbaum D., del Pozo C.F., St.-Maurice J.P.,Moorcroft D.R., Aspect angle variations in intensity, phase velocity and altitude for high-latitude 34-cm E-region irregularities //J.Geophys.Res. 97(6). - 1992. - P.8601-8617.

44. Успенский M.B., Старков Г.В., Полярные сияния и рассеяние радиоволн. Ленинград,: Наука. 1987. 240с.

45. Moorcroft D.R., Estimates of absolute scattering coefficients of radar aurora, //J.Geophys.Ri- 92(8). 1987. - P.8723-8732.

46. Haldoupis C., Nielsen E., Schlegel K., Dependence of radar auroral scattering cross-section on the ambient electron density and the destabilizing electric field. //Ann.Geophys. -8(3). 1990. - P. 195-212

47. Ericson P.J., Foster J.C., Simultaneous observation of electric field magnitude and E-region coherent phase velocity with the Millstone-Hill UHF radar //Abstracts of URSI US National Radio Science meeting. Boulder, - 1999. - P. 272

48. Ecklund W.L.,Balsley B.B., Greenwaid R.A., Crossed beam measurements of the diffuse radar aurora. //J.Geophys.Res. 80. - P.1805-1809.

49. Бернгардт О.И., Потехин А.П., К теории рассеяния радиосигналов в атмосфере. //Оптика атмосферы и океана. 10. - N12 - 1997. - С.1513-1516.

50. Бернгардт О.И., Потехин А.П., Однократное рассеяние радиосигналов в ионосфере. //Исследования по геомагнитизму, аэрономии и физике Солнца. Вып 109. - 1998. - С.144

51. Berngardt O.I., Potekhin A.P., The relation between scattered signal and spatial spectrum of dielectric permittivity irregularities // Proceed, of SPIE. Vol.3583. - 1999 - C.430-435.

52. Федорюк M.B. Ассимптотика: интегралы и ряды. М.:Наука, 1987. 544с.

53. Анютин А.П., Боровиков В.А. Равномерные асимптотики интегралов от быстро-осциллирующих функций с особенностями внеэкспоненциального множителя. : препринт N42(414). М.: АНСССР, Институт радиотехники и электроники, - 1984. - 52с.

54. Гурвич АС Кон АИ Обратное рассеяние электромагнитных волн на неизотропных турбуленитных неоднородностях//Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана.- т27.- 1.1991.- С.67-75.

55. Бернгардт О.И., Потехин А.П., Радиолокационные уравнения в задаче обратного рассеяния радиоволн. //Изв.ВУЗов, Радиофизика, в печати.

56. Засенко В.Е., Ильин Н.В., Орлов И.И., Искажение сигналов при вертикальном зондировании ионосферы. //Исследования по геомагнитизму, аэрономии и физике Солнца. -Вып.96. 1991. - С. 128-136

57. Бернгардт О.И., Орлов И.И., О методе исключения когерентных отражений из рассеянного сигнала по данным радара HP ИСЗФ. //Исследования по геомагнитизму, аэрономии и физике Солнца. Вып 109. - 1998г. - С.69-77.

58. Berngardt O.I., Orlov I.I., On a technique for separating the coherent part of scattered signals. //Proceed, of SPIE. Vol. 3583. - C.425-429.

59. Бернгардт О.И., Потехин А.П., Анализ спектров сигналов однократного рассеяния от случайно-неоднородных сред //Труды Байкальской молодежной научной школы по фундаментальной физике, Иркутск, 1999, в печати.

60. Wannberg G. Three-dimensional head echo cross-sections at 931 MHz measured by EISCAT //Abstracts of Nacional Radio Science Meeting. Boulder,USA. - 1999. - P.230.

61. Гинзбург В.JI., Распространение электромагнитных волн в плазме, М.:Наука, 1967. 684с.

62. Клемоу Ф., Доуэрти Дж., Электродинамика частиц и плазмы. М.: Мир,1996. 526с.

63. Куклин Г.В., Орлов И.И., Бернгардт О.И., О методике определения периодичностей на примере анализа чисел Вольфа. //Исследования по геомагнитизму, аэрономии и физике Солнца, в печати.

64. Харгривс Дж.К., Верхняя атмосфера и солнечно-земные связи, JL: Гидрометиздат. 1982. 352с.

65. Харкевич A.A., Борьба с помехами. М.: Наука, 1965. 276с.

66. Воробьев П.В., Кирпотин А.Н., Бутько В.А., Ровкин М.Е., Болдырев А.П., Борисов Э.Б., Изотов В.А., Слукин Г.П., Макет когерентной PJIC для исследования атмосферы и поверхности моря на частоте 150 МГц: препринт 94-58, Н.: ИЯФ, 1994. -16с.

67. Блохинцев Д.И., Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука, 1981. 206с.