К вопросу о селективных свойствах радиолокационного метода наблюдения метеоров (II. Устойчивые следы)

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО __ __ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА___

Том 100 1962

К ВОПРОСУ О СЕЛЕКТИВНЫХ СВОЙСТВАХ РАДИОЛОКАЦИОННОГО МЕТОДА НАБЛЮДЕНИЯ МЕТЕОРОВ

Е. И. ФИАЛКО

Введение

Ряд исследователей полагает, что радиолокационный метод наблюдения метеоров обладает селективностью, то есть различной чувствительностью к метеорам в зависимости от их скорости [1,2 и др|.

Ранее было показано, что в случае регистрации ионизированных метеорных следов неустойчивого типа действительно должна иметь место избирательность по скорости [3, 4, 5 и др.].

Однако нельзя ограничиваться рассмотрением регистрации лишь неустойчивых метеорных следов, так как при измерении скоростей метеоров в значительной мере используются устойчивые следы, а иногда (особенно в случае работы на относительно длинных волнах и приема с больших расстояний) измеряются скорости только тех метеорных тел, которые создают устойчивые ионизированные следы.

В связи с этим возникает необходимость выяснения селективных свойств радиолокационного метода при регистрации метеоров (или при измерении их скоростей) в случае устойчивых метеорных следов.

Для того, чтобы метеор оказался зафиксированным, необходимо, чтобы длительность отражения радиоволн от ионизированного следа превышала некоторое минимальное значение Тт-Ш (характеризующее оперативность системы [6|). То же имеет место и при измерении скорости. Надо зафиксировать пульсации амплитуд эхо-сигналов в пределах нескольких зон Френеля, для чего необходимо существование отражения и превышение его над соответствующим пороговым уровнем в течение определенного времени (порядка десятых долей секунды).

Строго говоря, Тт[п зависит от измеряемого параметра метеора, от вида измерения (или регистрации), от параметров локатора и т. п.; в частности, Тт-Ш может зависеть и от скорости метеорного тела V. Ограничиваясь здесь приближенным анализом, будем полагать величину Тт[п независящей от V.

Кроме того, будем полагать, что прием эхо-сигналов ведется из области характеристической высоты [7].

Случай регистрации сигналов в условиях интегрирования, требующий отдельного рассмотрения, в данной работе не излагается.

10. Изв. ТПИ, т. 100.

145

Зависимость количества обнаруженных метеоров устойчивого тмпа от параметров аппаратуры, атмосферы и метеорных тел рассмотрена Кайзером [8]; более подробное рассмотрение проведено в [9].

Возможны два режима уверенного обнаружения устойчивых метеорных следов [9]:

1) Отражение длительностью Тсл > Тт\п превышает пороговый уровень (ес>ея) (рис. 1).

1 I

г \ «

Г \ / к еп 1__.

Ц Т ' СП4 гп 1п

Рис. 1. Случай, когда отражение с длительностью Тс,г>Тт\п превышает пороговый уровень еп . ес — мощность эхо-сигналов; t время. I и 2—огибающие амплитуд эхо-сигналов: 1—отражен 1е, достигшее порогового уровня. 2—отражение длительностью Тсл~Тт\п.

2) Отражение длительностью Тсл—Тт-{П не достигает порогового ровня (е(р<ел) и, следовательно, длительность отражения, достигшего порогового уровня, оказывается>Гт{п (рис. 2).

Рис. 2. Случай, когда отражение длительностью Тсл—Тт\п (2) не достигает порогового уровня. 1—отражение, достигшее порогового уровня (7сл.> Тт\п).

Первый режим возможен при больших коэффициентах диффузии, ри измерениях, связанных с весьма большим значением Тт{п, и т. п. Второй режим может иметь место при приеме сигналов с боковых направлений и с больших дальностей, при использовании весьма аломощной аппаратуры и т. п.

Будем условно называть первый режим—случаем аппаратуры редней чувствительности, а второй—случаем аппаратуры низкой

чувствительности (и будем полагать, что высокочувствительная аппаратура обнаруживает неустойчивые следы, аппаратура низкой и средней чувствительности может регистрировать лишь следы устойчивого типа).

Для того, чтобы выяснить, в какой мере проявляются селективные свойства радиолокационного метода наблюдения метеоров, поступим следующим образом.

Представим себе, что имеется несколько потоков с одинаковыми пространственными плотностями метеорных тел, с одина ковыми законами распределения метеорных тел по массам и т. п.; потоки отличаются лишь скоростями метеорных тел. Выясним, как будет изменяться количество метеоров (ЛА), зафиксированных данным радиолокатором, в функции скорости (и)?

Зависимость N (V) и будет характеризовать селективные свойства радиолокационного метода наблюдения метеоров.

Аппаратура средней чувствительности

В случае когда отражение длительностью^-?4^ превышает пороговый сигнал (рис. 1), количество уверенно обнаруженных метеоров устойчивого типа за единицу времени можно представить в виде [9]

5—1 V р тт[п НО!,

где А1 — константа; х—зенитное расстояние радианта; ^—масса атома метеорного тела; [3 — вероятность ионизации; Н—высота однородной атмосферы; О— коэффициент диффузии; л—длина волны; Ь и 5—константы, характеризующие распределение метеорных тел по массам [7, 10],

Р

т*

где р(т)кт определяет число метеорных тел в интервале масс т-: т/г+Д т, проходящих через единицу площади (в плоскости эхо [7]) за единицу времени.

Таким образом, формула (1) определяет количество метеоров потока, „пронзающих" площадку, лежащую в плоскости эхо (в области характеристической высоты)в, площадью Дз.

Выражая коэффициент Ь через скорость {V) и объемную плотность потока метеорных тел

Ь=9 - V

я выделяя в (1) сомножители, зависящие от V, получим

ЛГ=А'А

\ НП

Представив вероятность ионизации р в виде [7]

р=а-г>я

(где а и п константы, не зависящие от V) и подставляя (5) в (4), получим

1) +1

(ноу-1

Для случая 5 = 2 (6) примет вид

ип+1

НО

Учитывая зависимость характеристической высоты от скорости ^т(^) [7] и используя [7] и £)(Л) [11], найдем Мъ) при опреде-

ленном значении показателя п. Как известно, относительно величины показателя п существуют весьма противоречивые мнения [12].

Полагаясь на результаты теоретических исследований [13,14], примем

На рис. 3 представлена зависимость N(v), построенная по формуле (7) при п = 1 (причем по оси ординат отложено отношение

^^ -, где ^Ушах— соответствует V = 30 км/сек).

М

гп С!,

2д 30

Рис. 3. Зависимость количества метеоров, зарегистрированных аппаратурой „средней" чувствительности, от скорости метеорных тел. N—количество зарегистрированных метеоров обладающих скоростью V. Мпах соответствует, V ж 30км I сек.

Аппаратура низкой чувствительности

В случае, когда отражение, достигшее порогового уровня, имее: длительность > Ттп (рис. 2), количество уверенно обнаруженных ме теоров устойчивого типа за единицу времени будет равно [9]

у 4 ¿Аа/сскХ _ р V-1/ Р/О2^3 \2

1 \

И

где Р1 — излучаемая мощность в импульсе; й—коэффициент направленного действия антенны; гп—мощность порогового сигнала; Ц— наклонная дальность от локатора до следа по нормали; А2—константа (остальные обозначения оговорены выше).

Выделяя в (8) сомножители, зависящие от V, и учтя, что Л получим:

т.

14= А*'

Т/,-1 уй

При 5 = 2

V

,л+1

Приняв, как и в предыдущем случае, и учитывая кт(ю) [7\

и /У(Л) (7], построим Мг>) (см. рис. *4, на котором по оси ординат

где Л/тах соответствует v^70 км/сек).

отложено отношение

Л.

тгулг

м

шах

20 30 40 50 50 1д

Рис. 4. Зависимость количества метеоров N. зарегистрированных „низкочувствительной" аппаратурой, ОТ СКОрОСТИ МетеОрНЫХ тел V. Мл ах— соответствует v=7i) км\сек.

Обсуждение полученных зависимостей М

Как видно из рассмотрения кривых, приведенных на рис. 3 и 4, при регистрации устойчивых метеорных следов проявляются селективные свойства радиолокационного метода, причем характер избирательности существенно определяется параметрами аппаратуры, а также некоторыми характеристиками потока.

Аппаратура с относительно большой мощностью излучения и небольшой длиной волны оказывается наиболее чувствительной к устойчивым метеорам со скоростями ш^ЗО км)сек.

Аппаратура маломощная, ведущая прием с больших дальностей, обладает повышенной чувствительностью к быстрым метеорам (причем в пределах скоростей 1^20 : 70 км/сек чувствительность монотонно возрастает по мере увеличения V).

Таким образом, для выяснения истинного распределения метеорных тел по скоростям надо знать, на какой аппаратуре производились измерения скоростей метеоров.

В случае весьма низкочувствительной аппаратуры, регистрирующей устойчивые следы (как и в случае весьма высокочувствительной аппаратуры, регистрирующей неустойчивые следы [4, 5], истинное распределение метеорных тел по скоростям будет иметь (по сравнению с кажущимся распределением) значительно больший подъем в области малых скоростей.

В случае же системы „средней чувствительности" необходимо внесение существенных корректив в области быстрых метеоров.

Следует отметить, что доля метеоров космического происхождения остается малой, даже при внесении корректив в случае системы „Средней" чувствительности (заметим, что эти выводы получены в предположении линейной зависимости вероятности ионизации 3 от скорости метеорного тела).

Таким образом, для внесения корректив в результаты измерений необходимо иметь критерии, которые позволили бы определить, к какому классу относится аппаратура „средней" или „низкой" чувствительности.

Признаки аппаратуры «средней» и «низкой» чувствительности

Радиолокатор регистрирует лишь следы устойчивого типа (то есть следы с линейной электронной плотностью я>1012 эл см), если выполняется условие [9, 15].

Отражение от устойчивого следа длительностью >Т1л1п превышает пороговый уровень гп, если [9, 151

и не достигает порогового уровня, если одновременно выполняются

Таким образом, метеорному радиолокатору „средней" чувствительности соответствует условие (12), а радиолокатору „низкой" чувствительности условия (11) и (13).

1. Радиолокационные наблюдения при регистрации как устойчивых, так и неустойчивых следов обладают различной чувствительностью к метеорным следам, созданным телами с разными геоцентрическими скоростями.

2. Характер селективности может быть различным в зависимости от свойств аппаратуры.

Может оказаться, что избирательность по скорости имеет монотонно-нарастающий характер, как, например, в случае весьма низкочувствительной (маломощной) аппаратуры. Но избирательность может иметь также экстремальный характер с „подчеркиванием" медленных устойчивых метеоров в области да^ЗО км\сек (заметим, что в случае регистрации неустойчивых следов „подчеркиваются44 быстрые метеоры со скоростями ~50 км/сек [1, 16]).

3. Селективность радиолокационного метода может привести к существенному искажению картины распределения метеорных тел по скоростям.

4. При переходе от кажущегося распределения метеорных тел по скоростям к истинному распределению необходимо знать параметры (и, прежде всего, чувствительность) аппаратуры.

условия (11) и (13) [9, 15]

Выводы

5. Доля метеоров космического происхождения (точнее, метеоров с геоцентрическими скоростями v>72 км/сек) незначительна.

6. Для тщательного исследования селективных свойств радиолокационного метода необходимо уточнить зависимость вероятности ионизации от скорости метеорного тела и рассмотреть прием отражений из всей плоскости эхо.

ЛИТЕРАТУРА

1. Е. J. Ópik. Meteors and the upper atmosphere, Irish Astronomical Jou'nw v. 3, N 6, p. 166, 1955.

2. Ю. А. Лощил ob. Диссипация метеорного следа и вопросы селективности радиолокационных наблюдений, Доклад на юбилейной научной конференции радиотехнического факультета Томского политехнического института, 1958.

3. Е. И. Ф и а л к о. Мощность сигнала, отраженного от метеорного следа в условиях интенсивной диффузии, Известия ТПИ, т. 100, стр. 40, 1962.

4. Е. И. Ф и а л к о. К вопросу о роли скорости метеорного тела при радиолокационных наблюдениях метеоров, Известия ТПИ, т. 114, 1962 (в печати).

5. Е. И. Ф и а л к о. К анализу зависимости часового числа зарегистрированных метеоров от параметров метеорных тел, атмосферы' и аппаратуры. Бюллетень комиссии по кометам и метеорам АН СССР, № 5, стр. 9, 1961.

6. Е. И. Ф и а л к о. Об оперативности метеорного радиолокатора, Известия вузов МВО (раздел Радиотехника), т. 3, № 5, стр. 529, 1960.

7. Т. R. Kaiser. Radio-echo studies of meteor ionization, J. Adv. Phys., v. 2, N. 8, p. 495, 1953.

8. T. R. Kaiser. Theorv of the meteor height distribution obtained from radio-echo observations, M.N. R. A. S., 114, N 1, 39, 1954.

9. E. И. Ф и а л к о. Уверенное и случайное радиообнаружение устойчивых метеорных следов, Известия ТПИ, т. 100, стр. 84, 1962.

10. Б. Ю. Левин. Физическая теория метеоров и метеорное веществ:) в солнечной системе, Изд. АН СССР, 1956.

11. J. S. Cheenhow, Е. L. N eu fe Id. The diffusion of ionized meteor trails in the upper atmosphere. Journ. Atm. Terr. Phys., v. 6, N 2.....-3, 133, 1955.

12. G. S. Hawkins. Meteor ionization and its dependence on the velocity, Astroph. J., 124, N 1, 311, 1956.

13. H. S. M a s s e y, D. W. Sida. Collison processes in meteor trails, Phil. Mag., v. -16, N 373, 190, 1956.

Í4. Ю. А. Лощилов. Применение теории атомных столкновений к процессам ионизации в метеорных следах. Изв. Астроном, обсерв. Одесского университета, т. 5, вып. стр. 39, 1959.

15. Е. И. Ф и а л к о. Об условиях регистрации ионизированных метеорных следов различных типов, Известия ТПИ, т. 100, стр. 139, 1962.

16. Е. И. Ф и а л к о. О вероятности метеорной ионизации, Радиотехника и электроника, т. 4, вып. 7, стр. 1206, 1959.