Поляризационный фактор декаметрового рассеяния на магнитоориентированных неоднородностях ионосферы

УДК 550.388:621.396

В.П. Сивоконь, И.А. Калугин, В.С. Кобылкин, А.В. Попов

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ФАКТОР ДЕКАМЕТРОВОГО РАССЕЯНИЯ НА МАГНИТООРИЕНТИРОВАННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЯХ ИОНОСФЕРЫ

Эффективность использования радиотехнических систем в высоких широтах во многом зависит от состояния ионосферы. В диапазоне коротких волн существенную роль играют неоднородности электронной концентрации ионосферы. Имеется специфический класс неоднородностей - магнитоориентирован-ные, которые при определенных условиях могут существенно влиять на работоспособность радиотехнических систем декаметрового диапазона. Исследованию этих условий посвящена настоящая работа.

Ключевые слова: ионосфера, магнитоориентированные неоднородности, радиотехнические системы.

V.P. Sivokon, I.A. Kalugin , V.S. Kobylkin, A.V. Popov

РOLARIZATION FACTOR OF DECAMETER DISPERSAL ON FIELD-ALIGNED

IONOSPHERE IRREGULARITIES

Efficiency of using radio engineering systems in high latitudes in many respects depends on an ionosphere condition. In a range of short waves, ionosphere irregularities of electronic concentration have an essential role. There is a specific class of irregularities. They are field-aligned irregularities which can significantly influence on working capacity of radio engineering systems within a decameter range under certain conditions. The work is devoted to the research of these conditions.

Key words: ionosphere, field-aligned irregularities, radio engineering systems.

DOI: 10.17217/2079-0333-2016-37-14-18

Магнитоориентированные неоднородности обладают двумя интересными свойствами. Их продольные размеры во много раз больше поперечных размеров и ориентируются они вдоль магнитного поля Земли. В свою очередь, ориентация магнитного поля Земли зависит от географических координат пункта наблюдения (рис. 1). Из рисунка видно, что на большей части Северного морского пути магнитное наклонение больше 80 градусов, а на Камчатке оно составляет порядка 65 градусов.

В работе [2] при обсуждении особенностей радиосвязи при плавании в северной части морского района А4 делается предположение, что магнитоориентированные неоднородности ионосферы могут выступать в качестве активной ионосферной антенны. Но для того чтобы такая возможность имелась, необходимо выполнить условие возбуждения предполагаемой антенны падающей на нее электромагнитной волной. Известно, что продольные размеры магнитоориен-тированных неоднородностей, по разным оценкам, составляют до нескольких сотен метров, что во много раз больше поперечных, которые могут составлять, в зависимости от энергии частицы, до нескольких сантиметров [3]. В первом приближении такую неоднородность можно представить в виде тонкого провода, размещенного в ионосфере под углом, равным магнитному наклонению. Эффективное возбуждение такого проводника электромагнитной волной возможно, когда плоскость поляризации падающей волны совпадает с осью проводника. Хотя для решения ряда задач в диапазоне коротких волн используются антенны вращающейся поляризации [4], преимущественное применение нашли антенны линейной поляризации: горизонтальной и вертикальной. Если рассматривать непосредственное облучение магнитоориентированных неодно-родностей полями, создаваемыми такими антеннами, то очевидно, что для антенн горизонтальной поляризации и высоких широт положение вектора напряженности электрического поля и оси неоднородности будет ортогональным, что равносильно поляризационной развязке.

Рис. 1. Модель наклонения магнитного поля Земли [1] По-иному обстоит дело с вертикальной поляризацией излучаемой волны: при магнитном наклонении 0 и угле излучения в вертикальной плоскости А = 90° — 9 поляризационное согласование выполняется при достаточно малых углах излучения. Для Камчатки А = 90° — 65° = 25° .

Рассеяние на магнитоориентированных неоднородностях, как правило, считается ракурсным, то есть в конус, вершина которого находится в месте их расположения [5]. Но в этой же работе указывается, что не исключено и обратное рассеяние при линейном размере неоднородности, равной половине длины волны падающего электромагнитного излучения. Представим, что обратное рассеяние формируется как суперпозиция полей рассеяния отдельными магнитоориентированны-ми неоднородностями. Тогда для начала нам необходимо определить диаграмму направленности единичной неоднородности. Если рассматривать магнитоориентированную неоднородность как элементарный излучатель, то для определения рассеянного на тонком проводнике поля необходимо знать распределение тока в нем, порожденное падающей волной. Например, в [6] для определения распределения тока в проводе, ориентированном вдоль оси z, используется выражение

I (z) = I0 {[coskz cos(kl cos9) — coskl cos(kz cos9)] + ^[sin kz sin(kl cos9) — sin kl sin(kz cos9)]},

2л

где I0 - ток в начале проводника, / - длина проводника, k =--волновое число; 0 - угол, отсчи-

X

тываемый от оси z. Если принять 0 = 0, то распределение тока вдоль провода примет вид

I (z) = I0 {[coskz — coskl]},

что в антенной технике характерно для распределения тока в вибраторе. Для вибратора диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, в нашем случае плоскости, параллельной силовым линиям магнитного поля Земли, может быть определена как

F (9) =

cos(kl sin 9) — cos kl cos9

Из выражения следует, что форма диаграммы направленности магнитоориентированной неоднородности как излучателя определяется произведением Ы = 2л—, то есть отношением продольного размера неоднородности к длине волны электромагнитного излучения, падающего на нее.

Построим несколько диаграмм направленности единичной магнитоориентированной неоднородности. Например, для частоты 7 МГц (X ~ 43 метра) и продольных размерах неоднородно-

стей: 10 метров (— = 0,23), 25 метров (— = 0,58) и

X X

250 метров (— = 5,8). Для указанных параметров и

X

с учетом магнитного наклонения диаграммы направленности одиночной магнитоориентирован-ной неоднородности имеют вид, показанный на рис. 2.

Из расчетов следует, что при больших продольных размерах неоднородности излучение будет происходить в конусы, ориентированные вдоль силовой линии, но они будут полыми, а не сплошными, как показано в [5]. Меняя отношение

— в широких пределах, можно показать, что обратное рассеяние присутствует во всех случаях, но

его интенсивность при больших значениях —

X

много меньше ракурсного.

Интенсивность рассеянного на неоднородно-стях электронной концентрации сигнала можно оценить, взяв для примера параметры береговой коротковолновой радиостанции. Типовая мощность передатчика составляет 10 кВт, антенна ромб с коэффициентом направленного действия порядка 100. Тогда напряженность поля в точке рассеяния можно определить по известной формуле [7]:

Рис. 2. Диаграммы направленности для разных соотношений 1/Х

Е =

Я

где Р - мощность передатчика в кВт, О - коэффициент направленного действия,Я - расстояние

мВ

в километрах, Е - напряженность поля мВ/м. Подставляя значения, получаем Е = 42-.

м

Поскольку при расчете диаграммы направленности мы исходили из того, что размеры неоднородности меньше длины волны, то мы вправе использовать для определения интенсивности рассеянной компоненты без учета резонансных свойств выражение [8]:

А

Iп

_1_

Х^

где 10 - интенсивность падающей волны, I. - интенсивность рассеянной волны, X - длина волны. Тогда для частоты, например 7 МГц, напряженность рассеянного поля единичной магнитоори-ентированной неоднородности составит около 1,26 х 10-11 В/м. Но интенсивность обратного рассеяния определяется еще и количеством магнитоориентированных неоднородностей определенного размера, соответствующего используемой длине волны, и их взаимным пространственным расположением, то есть их упорядоченностью. Если неоднородности образуют некоторое подобие пространственной решетки, то поля отдельных неоднородностей будут складываться. Можно предположить, что в создании подобной упорядоченности большую роль могут играть вихревые движения [9].

В явном виде зафиксировать обратное рассеяние на магнитоориентированных неоднородно-стях ионосферы проще с использованием декаметровых радаров, у которых значительна мощность передатчика, а приемная антенна имеет большой коэффициент усиления. На Камчатке для контроля над экономической зоной используется РЛС МР-900, данные которого показали правильность изложенного выше подхода (рис. 3).

По горизонтальной оси на рис. 3 отложена скорость, по вертикальной оси - расстояние в километрах. Из рисунка видно, что сигналы зафиксированы из протяженной, в данном случае до 200 км, зоны, в которой имеются признаки областей, движущихся к нам с максимальной скоростью 15 км/ч и удаляющиеся от нас с максимальной скоростью до 75 км/ч. Величины скоростей и интенсивности сигналов пространственно структурированы.

1. В декаметровом диапазоне длин волн, в особенности в приполярных районах, необходимо учитывать возможность обратного резонансного рассеяния на магнитоориентированных неоднородностях ионосферы.

2. Вероятность их проявления выше для радиотехнических систем, использующих вертикальную поляризацию излучаемой волны, имеющих передатчики большой мощности и направленные антенные системы.

3. При организации радиосвязи и радиолокации в приполярных районах необходимо учитывать возможность, в том числе и деструктивного проявления этого явления.

Литература

1. URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/igrf/map/i-m.gif

2. Особенности радиосвязи при плавании в северной части морского района A4 / А.Н. Ка-литёнков, А.В. Гурин, Н.В. Калитёнков, В.И. Милкин // Вестник МГТУ. - 2010. - Т. 13, № 3. -С.617-620.

3. Гуревич А.В. Нелинейные явления в ионосфере // Успехи физических наук. - 2007. -Т. 177, № 11. - С. 1145-1177.

4. Генерация декаметровых волн вращающейся поляризации / В.П. Сивоконь, В.И. Седи-нин, А.В. Кубышкин, М.Ю. Берсенев // Электросвязь. - 2013. - № 12. - С. 49-52.

5. Гершман Б.Н., Ерухимов Л.М., Яшин Ю.А. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. - М.: Наука, 1984. - 392 с.

6. Менцер Д.Р. Дифракция и рассеяние радиоволн. - М.: Советское радио, 1958. - 148 с.

7. ДолухановМ.П. Распространение радиоволн. - М.: Связь, 1972. - 336 с.

8. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. - М.: Наука, 1972. -564 с.

9. Ижовкина Н.И. Воздействие частиц и электромагнитных волн на вихревые структуры в атмосфере и ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. - 2015. - Т. 55, № 3. - С. 350-360.

200 — 1  HB^HLal №]KJ|1[ 1J, ri j| H ' 1 11И

100 — nlflHjl  ЙШЙ  lllBJl  ЛИИ i i iTTf il

Ii J4H*lP™ |Ш|  Щ |P 1 V llml L i 4

1, i— iL1 Г Г n

шЯ 11 jur  I и J i

0 — rflpi

20 0 -20 -40 -60 80

Скорость км/час

Рис. 3. Фрагмент визуальной информации РЛС МР-900

Выводы

Информация об авторах Information about authors

Сивоконь Владимир Павлович - Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН; 684034, Россия, Камчатский край, Паратунка; Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; доктор технических наук; доцент; профессор кафедры электро- и радиооборудования судов; vsivokon@mail.ru

Sivokon Vladimir Pavlovich - Institute of Cosmophysical Researches and Radio Wave Propagation, 684034, Russia, Kamchatkа region, Paratunkа; Kamchatka State Technical University; Petropavlovsk-Kamchatskу, Russia, 683003; Doctor of Technical Sciences; Associate Professor; Professor of Electrical and Radio Equipment of Ships Chair; vsivokon@mail.ru

Калугин Иван Артемович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский, курсант; kaluginva@bk.ru

Kalugin Ivan Artemovich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatskу; Student; kaluginva@bk.ru

Кобылкин Виктор Сергеевич - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский, курсант;

Kobylkin Victor Sergeevich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatskу; Student

Попов Алексей Владимирович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский, курсант;

Popov Aleksey Vladimirovich - Kamchatka State Technical University; 683003, Russia, Petropavlovsk-Kamchatskу; Student