Вероятностно-статистический метод моделирования распространения радиоволн систем электронной военной техники в анизотропной стролкновительной ионосфере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 20.02.12, кандидат технических наук Колесниченко, Галина Николаевна

• Колесниченко, Галина Николаевна
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колесниченко, Галина Николаевна

Введшие.

Глава!. Анизотропная столкновительная модель ионосферы.

1.1. Основные параметры ионосферной плазмы.

1.2. Турбулентные неоднородности ионосферы.

1.3. Особенности спорадического слоя Б в умеренных и высоких широтах.

1.4. Основные характеристики движений ионосферных неоднородностей.

Глава 2. Вероятностный метод расчета диэлектрической проницаемости магнитоактивной ионосферы.

2.1. Асимптотическое разложение решения регулярно возмущенного уравнения Больцмана.

2.2. Расчет парциальной плотности электрического тока возмущения и диэлектрической проницаемости.

2.3. Тензор диэлектрической проницаемости для холодной замагниченной плазмы. Тепловые поправки, затухание Ландау.

Глава 3. Аппарат расчетного метода получения антиэрмитовой столкновительной части тензора диэлектрической проницаемости.

3.1. Интеграл столкновений Больцмана.

3.2. Расчет антиэрмитовой столкновительной части тензора диэлектрической проницаемости.

3.3. Расчет столкновительной части тензора диэлектрической проницаемости для холодной замагниченной плазмы

Глава 4. Газокинетический расчет параметров электромагнитных волн в столкновительной ионосфере.

4.1 .Дисперсионное уравнение электромагнитной волны в столкновительной ионосфере.

4.2, Распространение электромагнитных волн вдоль магаитного поля.

4.3,Поперечные и отдельные случаи косого распространения электромагнитной волны.

Глава 5, Эмпирико-статистическая модель затухания волн в полярной ионосфере.

5.1. Магнитосфера Земли и высокоширотная ионосфера.,.

5.2.Поглощение коротких радиоволн в высоких широтах.

5.3. Эмпирико-статистическая модель аврорального поглощения коротких радиоволн.

5.4.Модифицированная эмпирико-статистическая модель аврорального поглощения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вероятностно-статистический метод моделирования распространения радиоволн систем электронной военной техники в анизотропной стролкновительной ионосфере»

Вследствие относительной малости длины и большой частоты электромагнитной волны в теории систем радиоэлектронной военной техники сложился подход, при котором их характеристики и параметры определяются, исходя из условия, что окружающее пространство является однородным и изотропным. На самом деле окружающее пространство является неоднородной и, благодаря геомагнитному полю, анизотропной средой, распространение радиоволн в которой сопровождается рядом явлений, оказывающих существенное влияние на характеристики и параметры, а также качество функционирования систем радиоэлектронной техники (РЭТ), К таким явлениям относятся: рефракция и поглощение радиоволн; дифракция радиоволн на локальных неоднородностях среды и препятствиях на пути распространения радиоволн; дисперсия радиоволн (зависимость фазовой скорости от частоты); двойное лучепреломление и эффект Фарадея, обусловленный анизотропией среды.

Учет особенностей распространения радиоволн в реальной ионосфере приводит к существенному изменению характеристик различных систем военной РЭТ, Из них укажем основные;

1. Рефракция радиоволн в ионосфере обусловливает ошибки при определении угловых координат объектов (радиолокационной цели). Расчет данной ошибки строгими методами оказывается довольно сложным и может быть выполнен лишь с использованием численных методов.

2. Дисперсия радиоволн приводит к ошибке в определении дальности цели. Причина этого заключается в отличии групповой скорости в ионосфере от скорости света.

3, Интерференция радиоволн в анизотропной среде существенно влияет на амплитудную и поляризационные диаграммы направленности антенны и ее параметры и поэтому должны учитываться при ее проектирований.

4. Тепловые и ларморовские флуктуации влияют на дисперсию радиоволн в ионосфере, снижают точность определения скорости движущейся цели и вместе с тем определяют шумовую температуру внешних источников.

5= Радиоволны, распространяющиеся в ионосфере, ослабляются за счет столкновительного поглощения и рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. С увеличением коэффициента затухания радиоволн в ионосфере дальность обнаружения цели уменьшается. Многие из перечисленных явлений имеют вероятностный характер, что требует соответствующих методов анализа и расчета. Построению вероятностно-статистического метода расчета параметров радиоволн военных систем РЭТ в модели анизотропной столкновительной ионосферы и посвящена данная работа.

Исследование основной проблемы связано с решением следующих задач:

1. Анализ анизотропной столкновительной ионосферы и построение асимптотического разложения решения ее математической модели вероятностным методом (главы 1,2).

2. Обоснование вероятностного метода расчета столкновительной диссипации и расчет на его основе антиэрмитовой части тензора диэлектрической проницаемости ионосферы (глава 3).

3. Расчет на основе разработанных методов коэффициентов столкновительного затухания радиоволн и влияние на спектры радиоволн тепловых и ларморовских флукгуаций. Обоснование модифицированного эмпирико-статистического метода расчета дополнительного аврорапьного затухания радиоволн (главы 4,5).

Научная новизна результатов заключается в следующем.

Анализ вероятностной математической модели анизотропной столкновительной ионосферы выявил необходимость учета ларморовских и тепловых флуктуагдай, а также столкновительной диссипации при расчете параметров радиоволн электронной военной техники. Развит искомый метод математического моделирования - построено асимптотическое разложение решения регулярно возмущенного кинетического уравнения для функции распределения, лежащего в основе модели для слабостолкновительного предела.

Разработка аппарата расчетного метода получения антизрмитовой столкновительной части тензора диэлектрической проницаемости.

Разработка аппарата аналитического метода расчета коэффициента затухания и влияния тепловых и ларморовских осцилляций на коэффициент преломления получения искомых величин.

Разработка модифицированного эмпирико-стагастического метода математического моделирования дополнительного аврорального затухания радиоволн военной электронной техники и оценка его эффективности. На защиту выносятся научные положения и результаты, связанные с решением сформулированной выше основной проблемы и имеющие научную новизну.

1. Вероятностный метод расчета параметров распространения радиоволн военной электронной техники в математической модели анизотропной столкновительной ионосферы.

2. Расчетный метод получения антиэрмитовой столкновительной части тензора диэлектрической проницаемости и результаты, связанные с вычислением компонент искомого тензора.

3. Аналитический метод расчета параметров распространения радиоволн военной электронной техники и результаты, связанные с исследованием влияния столкновительной диссипации, а также ларморовских и тепловых флуктуаций на данные параметры. Модифицированный метод математического моделирования дополнительного аврорального затухания радиоволн и оценка его эффективности. Практическая ценность, Разработка вероятностного метода исследования анизотропной столкновительной ионосферы и построение аппарата аналитических и расчетных методов нахождения параметров распространения радиоволны, определяющих рефракцию, дифракцию, дисперсию, затухание, двойное лучепреломление, учет которых обязателен при проектировании и оценке эффективности применения систем военной радиоэлектронной техники.

Обоснование и оценка эффективности модифицированной эмпирико-статистической модели дополнительного аврорального затухания коротких радиоволн в полярной ионосфере.

Результаты, связанные с вычислением параметров радиоволн и оценкой эффективности модифицированной модели затухания сведены в таблицы 4-12 и на их основе сделано два внедрения.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены вниманию научной общественности и одобрены на следующих конференциях и семинарах:

2-я Научно-техническая конференция (МВУРЭ ПВО, 1996), Научно-техническая конференция (ПВУРЭ ПВО, 1997),

3-Я Научно-техническая конференция (МВУРЭ, 1997) 2-Я Научно-техническая конференция (ЯВУРЭЛ 998), Всероссийский семинар по аэромеханике (ОМММ АН РФ, 1997). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей и два отчета Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 82 наименований. Объем работы: 100 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 19 рисунков в приложении.

Заключение диссертации по теме «Военная кибернетика, системный анализ, исследование операций, моделирование боевых действий и систем военного назначения (в том числе по видам Вооруженных Сил, родам войск и специальным войскам)», Колесниченко, Галина Николаевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основное содержание данной диссертационной работы представляет собой разработку вероятностно-статистического метода расчета параметров радиоволн в модели анизотропной столкновительной ионосферы. I, Разработан аппарат вероятностного метода исследования распространений радиоволн в модели анизотропной столкновительной ионосферы. 2= Обоснованы аналитический и расчетный методы получения диэлектрической проницаемости анизотропной слабостолкновительной ионосферы. Показано, что столкновительная диссипация определяется продольной VI, и поперечной частотами столкновений.

3. На основе разработанных методов рассчитаны параметры радиоволн с учетом их столкновительной диссипации и тепловых и ларморовских флуктуации,

4. Обоснована модифицированная эмпирико-сгатисгическая модель дополнительного затухания коротких радиоволн в высокоширотной ионосфере и оценена ее эффективность.

Результаты исследований сведены в таблицы и графики. Достоверность результатов обеспечивается: сравнением с результатами, использующими модельный интеграл столкновений частиц; сходимостью асимптотических разложений решений математической модели ионосферы; сравнением с известными данными, приведенными в литературе; использованием критериев согласия и надежности.

Естественно, результаты настоящей диссертации далеко не исчерпывают всех возможностей теории и эксперимента по распространению электромагнитных волн в анизотропной столкновительной ионосфере и оценке их влияния на точность определения цели и поэтому должны рассматриваться лишь как один из шагов в данном направлении. По мнению автора, наибольший интерес из ближайших задач представляют следующие:

1. Экспериментальное и теоретическое изучение образования неоднородно-стей в ионосфере за счет потенциальных возмущений и их влияние на рассеяние радиоволн.

2. Изучение взаимодействия слабых СВЧ-полей радиоволн с неоднородной ионосферой и влияние их на точность измерений.

3. Определение относительной роли нелинейного взаимодействия электромагнитных волн на расчет шумовой температуры ионосферы.

4. Учет различных неупругих процессов и их влияние на распространение электромагнитных волн в ионосфере.

Следует подчеркнуть, что важнейшей теоретической и экспериментальной задачей вероятностно-статистического расчета параметров радиоволн военной электронной техники по-прежнему остается изучение взаимодействия слабых полей с изотропной столкновительной ионосферой и проверка выводов данных расчетов.

В заключение приношу' искреннюю благодарность моему научному руководителю кандидату технических наук, профессору И.В.Ювченко за постоянное внимание к работе, поддержку и полезные советы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колесниченко, Галина Николаевна, 1998 год

1. АльпертЯ.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера-М.:НаукаД972.

2. АльпертЯ.Л. Волны и искусственные тела в приземной плазме.-М. .-Наука,! 974.

3. АчьпертЯ.Л. ГуревичА.В., ПитаевскийЛ.П. Искусственные спутники в разреженной плазме М.:НаукаД964.

4. ПоляковВ,М.,ЩепкинЛ.А.,КазимнровскийЗ.С. ^КокоуровВ,Д. Ионосферные процессы М.:НаукаД968.

5. Данилов А. Д. Химия ионосферы. -Гидрометеоиздат, 1967.

6. Иванов-Холодный Г.С.,Никольский Г.М. Солнце и ионосфера,-М. .Наука,1969.

7. Лабораторные исследования аэродинамических реакций.: Сб. переводов и статей, ред. А. Д. Данилов.-Гидрометеоиздат, 1970.

8. Аэродинамические реакции в верхней атмосфере: Сб. переводов и статей, ред. А. Д. Данилов. -М. :Мир,1968.

9. ГинзбургВ.Г. Распространение электромагнитных волн в плазме.-М. .Наука,1967.

10. КощеевБ.Л.,ЛебединецВ.Н. ,ЛагутинМ.Ф. Метеорные явления в атмосфере Земли. М. .Наука, 1967.

11. Татарский В.И. // Изв.вузов:Радиофизика. 1960.ЖЗ.-С.551.

12. Ва11еу 0,К=,Вагетш К.5К1гЬу КС, // РгосПШ .1955.Xs43.-P. 1161.

13. GailetR.-M. // РгосШЕ .1955.№43.-Р.1240.

14. ГиндинА.С., ЛайхманД.Л.,МатвеевЛ.Т., Юдин М.И. Основы динамической метеорологии.- Гидрометеоиздат,1955.

15. Бетчелор Дж. Теория однородной турбулентности, -ИЛ, 1955.

16. Монин А. С, Яглом А.М. Статистическая гидродинамика,т. 1 ,-М.: Наука, 1965.

17. П.МонинА.С., Яглом A.M. Статистическая гидро динамика,т. 2.1. М.:НаукаЛ967.

18. ТатарскийВ.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере.-М.:НаукаЛ967.

19. ЛокучаевВЛ, // Изв=вузов;Радйофизика= 196 L Ха4, -С=5^ » «/ «• * т

20. Голицын Г.С. // Изв.вузов:Радиофизика. 1960.№3. -С. 758.

21. Greenhow J.S., Neuield F.L. if J.Geophys.Res. 1959.№64.-P.2129.

22. Greenhow J.S. // J. Geophys.Res. 1959.№64.-Р.2208.

23. Booker H.G. J. // Geophys.Res. 1956.Xs61.-P.673.

24. Villars F.3 Weisskopf V.W. // Proc.IRE. 1955.№43.-P. 1232.

25. Гершман Б.Н.: Сб.Вопросы дальнего распространения радиоволн УКВ.-Связьиздат,1959. -С. 3 8.

26. SilvermanRА. // J.Appl. Phys. 1956.Jfs27.-P.699.

27. Электронная концентрация в ионосфере и экзосфере: Сб. переводов статей,ред ГрингаузК. И. -М. :МирЛ966.

28. Керблай Т. С // Ионосферные исследования.-М. :Наукаь1962.Х® 10.-С.48. 29,ОвезгельдыевО, // Геомагнетизм и аэрономия,-1967,1% 7,-С,839=

29. Smith Е.К. // Ionospheric Sporadic E.-PargamonPressJ962.-P.3.

30. ЧавдаровС, С. ЛерныпюваС. П= -гШахтинХ. 3, // Геомагнетизм и аэрономия, -1966.Ks6.-C.143.

31. ПисареваВ.В, // Геомагнетизм и аэрономия,-1971.№ 11.-С.275.

32. Whitehead J.D. //Rev. Geophis.Space Phys.-1970.№8.-P.65.

33. ОвезгельдыевО. // Изв.АН Туркм.ССР,сер. физ. -техн.-1965 .№3.-С. 109.

34. ЖеребцовГ.А.,КуриловВ.А. // Геомагнетизм и аэрономия.-1969. №9. -С. 1099.

35. ЖеребцовГ. А. ДСуриловВ. А. // Геомагнетизм и аэрономия.-1971.№11.1. С.718.

36. КуриловВ.А. Сб.Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца.-М. :Наука 1970.№7. -С. 109.

37. Самарджиев Д.Х. // Геомагнетизм и аэрономия.-1966.№6.-С,357.

38. Ветер в ионосфере.: Сб. переводов статей,ред.Э. С. Казимировский. -Гидрометеоиздат, 1970.

39. МиркотанС. Ф. ДушнеревскийЮ. В. // Ионосферные исследования.-М.:НаукаД9б4.№12,

40. Ерухимов Л.M. II Изв.вузов,Радиофизика .1962 №5.-С. 839.

41. Getmanzev G.G.,Erouhimov L.M. // Annals IQSY . Solar-Terr.Phis.,Terr.Aspects, 1969.Я°5-Р.13.

42. BaiseyB.B. //J. Geophys. Res. 1969.Ш4-Р.2333.

43. Unwin RS.,Knox F.B. // J. Atm. Tern Phys.l968.№30-P.25.

44. LeadabrandRL,,Larson A.G., Hodges J.C. // IGeophys.Res.l967.Ш2.-Р.3877,

45. Villas F., Feshbach H. // J.Geophys.Res. 1963.№68.-P.1926.

46. Козелова Г.В., Пятси А.Х., Свердлов Ю.Л. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца,-М.:Наука^ 1970.№ 10.-С.18.

47. Пономарев Е.А,,Вакулин Ю.И.,Макрыгин A.M. /7 Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца.-Наука,1970.№10.-С.26.

48. McDíamid, Cañad, if J. Phys. -1970.JSM8.-P.1863.

49. Фомин Б.В. // Морфология и физика полярной ионосферы.-М.:НаукаД971.-С.211.

50. ШгсиА.Х., Свердлов Ю.Л.,Потапов Р.И.,Успенский М.В. // Морфология и физика полярной ионосферы.-М. .Наука, 1971.-С.206.

51. Пономарев Е.А., Вершинин Б.Ф. // Полярные сияния .-M. :HayKa„ 1967.№ 15.

52. ЛившицЕ.М., ПитаевскийЛ.П. Физическая кинетика. М.:НаукаД979. -525с.

53. ГончаровВ.Н.,СилинВ.П. К теории переноса в плазме, находящейся в высокочастотном поле, // Физика плазмы. 1995.Т,21,№1. C.5L

54. Александров А. Ф. .Богд.анкевичЛ. С. ,РухадзеА. А. Колебания и волны в плазменных средах. М. .Московский университет,1990. - 271с.

55. ФерцигерДж., Капер Г. Математическая теория процессов переноса в газах. М,;МирД975. - 553с,

56. Foeh J.,Ford G.W. The dispersion of sound in monoatomic gases. // Studies in statistical mechanics,part B,ed. J. de Boer and G.E.Ulenbech. Horth-Holland,Amsterdam,1970.№5. - P. 103-231.

57. Annual Report 1980-81. // Geophys.Inst.Univ. Alaska Fairbanks,!982.

58. HunsuckerR D., RomicG. I. ,Eckiung W.L. // Structure and dinamics of ionization and auroral luminosity during the auroral evens of March 16Д972. Radio Sci.,1975,v.l0.№8/9. - P,813-820,

59. Акасофц С.И., Чепмен С. Солнечно земная физика. - М.:Мир,1975. - 509с.

60. Беспрозванный А. С., Горбушина Г,Н, Морфология возмущенной ионосферы высоких широт. Гидрометеоиздат,1965. - 123с.

61. Беспрозванный А=С\, Шука Т.Й. Распределение аномальной ионизации в области Е высоких широт по данным наземного зондирования. 11 Геомагнетизм и аэрономия. 1976.Т.16.№4. С.723-726.

62. Дриацкий В.М., СмирновВ.Б., Ходжа-АхмедовЧ. Л. Инструкция по обработке записей интенсивности космического радиоизлучения. 1965,34с.

63. Дриацкий В.М. Природа аномального поглощения космического радиоизлучения в нижней ионосфере высоких широт. Гидрометеоиздат, 1974. 223с.

64. Parthasarathy R, Berkey F.T.,Venkatesun D. Auroral electron flux and its relation to broadbeam radiowave absorption. // Planet and Spase sci.,1966,v.l4.№l -P.65-83.

65. Жулина Б.М., Кища П.В. О характере статистических распределений поглощения в высоких широтах. // Ионосферное прогнозирование , -М.:НаукаД982. -С. 178-183.

66. Ковалевская Б.М., Керблат Т.С. Расчет расстояния скачка-, максимально применяемой частоты, углов прихода радиоволны с учетом горизонтальной неоднородности ионосферы. -М> ¡Наука» 1971. -115с,

67. Г.Н.Колесниченко. Столкновительная диссипация электромагнитных волн в ионосфере. if 2-я научно-техническая конференция , 23-30 октября 1997. С.

68. Г.Н. КолесниченкоХ А. АнисимоваХ М. АмеличеваД М. Маркеев. Вероятное! ный метод расчета диэлектрической проницаемости магнитоактивной ионосферы. // 2-я научно-техническая конференция . МВУРЭ, 1998. - С.

69. Колесниченко Г.Н., Амеличева Т.М., Маркеев Б.М. Аппарат расчетного метода получения антиэрмитовой столкновительной части тензора диэлектрической проницаемости, // 2-я научно-техническая конференция. -МВУРЭД998.

70. Колесниченко Г.Н., Анисимова Г.А., Амеличева.Т.М., Маркеев Б.М. Эмпирико-статистическая модель затухания волн в полярной ионосфере. // 2-я научно-техническая конференция. МВУРЭД998,

71. Колесниченко Г.Н. Модифицированная эмпирико-статистическая модель аврорального поглощения. //2-я научно-техническая конференция, -МВУРЭ3 1998. С

72. Колесниченко Г.Н. Расчет столкновительной части тензора диэлектрической проницаемости для холодной плазмы. // 2-я научно-техническая конференция. -МВУРЭД998.

73. КолесниченкоГ.Н. Асимптотическое разложение регулярно=возмущенного уравнения Больцмана,

74. Маркеев Б.М., Колесниченко Г.Н. Опыт проведения лабораторного практикума по физике в высшем Московском училище радиоэлектроники ПВО. // 1-я научно-техническая конференция МВУРЗ. МВУРЭ, 1998.-С.87.

75. Маркеев Б.М., Колесниченко Г.Н, Физика,часть IV, Квантовая физика. Статистическая физика и термодинамика. Физика твердого тела,Ядерная физика.; Курс- лекций, МВУРЭ»!996. - 221с.

76. Параметры ионосферной плазмы