Влияние поперечных горизонтальных градиентов на особенности лучевого распространения радиоволн в ионосферной плазме

Влияние поперечных горизонтальных градиентов на особенности лучевого распространения радиоволн в ионосферной плазме

Ключевые слова: ионосферная плазма, каустические структуры, лучевое распространение.

Методом бихарактеристик рассмотрены особенности распространения радиоволн в ионосферной плазме при наличии поперечных горизонтальных градиентов. Выполнено численное моделирование распространения в изотропном случае и в анизотропной плазме для обыкновенной и необыкновенной волны. Проанализированы возникающие каустические структуры.

Крюковский А.С.,

Российский новый университет

Введение. Постановка задача

Структура верхней атмосферы Земли - ионосфера, оказывает существенное влияние на распространение электромагнитных волн различных диапазонов и влияет на работу систем радиолокации, позиционирования, радионавигации. Благодаря ионосфере радиоволны коротковолнового (КВ) диапазона обеспечивают радиосвязь на дальние расстояния и позволяют решать проблемы за гори зонт но го радиозондирования. Поэтому изучение влияния нерегулярной структуры ионосферы на характер распространения радиоволн является актуальным. В работах [1-26] рассмотрены различные особенности лучевою распространения, возникающие в первую очередь в плоскости первоначального распространения электромагнитной волны, В частности, методом бихарактеристик [27, 28, I, 2, 15, 23] исследовано влияние анизотропии среды распространения [3-5, 8], локальных неодно-родностей [7, 13, 26, 16-18, 20, 21, 25] и экваториальной аномалии [6,9,10,12,19,22] па условия приема сигнала в различных областях как на поверхности земли, так и в пространстве [!7,24|.

Настоящая работа посвящена изучению особенностей лучевого распространения радиоволн в ионосфере земли при наличии поперечных горизонтальных градиентов. Для вычисления лучевых траекгорий использовался метод расчета бихарактеристик, развитый в работах Д.С. Лукина в 60-х годах прошлого века на основе приближения геометрической оптики [27,28]. В настоящее время этот подход является традиционным при исследовании процессов распространения коротких волн в различных средах.

Уравнения лучевых траекторий в магии гоактивной плазме, которой является ионосфера Земли, могут быть получены как решения системы (бихаракгеристической) обыкновенных дифференциальный уравнений в неоднородной среде (ем. [27,281, а также [1,2]):

с£ _ а К/5 г ¿г _ дк/дк

Л ~дК/да>' с/е~ дК/да'

(О

с гамильтонианом в виде

"7 У 9 ¿У" —

Учитывая (2), систему (1) можно упростить. Тогда получим:

2с к —

д(02£ 4 дк

1 дате. (3) дсо

с!к _ дсо £ / дсо~£ > ^ Ж дг / дсо с/г

Выполнив дальнейшие преобразования, находим: ¿й- _ со-де/дг <1г _ 2 с2 к - со2  де / д к 2 е + со • д£ / д со Ж со(2 £ + со  д£ / д со) В формулах (1)-(4) к - (ку,ку,к.) ~ волновой вектор, / - параметр вдоль лучевой траектории,. Г — (х,у,2) — координаты точки наблюдения, ы - круговая частота излучения, е{7, к,СО) - эффективная диэлектрическая проницаемость среды распространения, с = 2,997925 101 см/с - скорость света.

Ниже предполагается, что источник излучения точечный и расположен в точке с координатами:

'1,=0 ~ (^о^о.^о)' <5> а начальный волновой вектор к(0) параметрически зависит от углов выхода луча:

со

СО I— О) I- .

кх(Р) =—Ле0 соз^сс«//- = зт^соя/;'

С ' с

где бц значение эффективной диэлектрической проницаемости среды в источнике. Будем предполагать, что источник излучения помещен в начало координат 0), а лучи первоначально распространяются в плоскости _х07_, то есть угол ^ = 0.

Изотропный случай

Рассмотрим сначала изотропный случай. Тогда модель эффективной диэлектрической проницаемости неоднородной изотропной ионосферы определяется выражением:

£ = \-у,

2 2 со тесо

В формуле (8) е = 4,8029 10 10 СГСЭ - заряд электрона, тс = 9,108 10~* г - масса электрона, а А'(х,у,г) -распределение электронной концентрации:

Нгобктмикни в«™. 1 ЗМПе; ß=Q J;

Рис, 10. Семейство лучей в плоскостях yOz

Особый интерес представляет внимание сложная каустическая структура лучей в плоскости хОу.

Необыкновенная волна, 13 МГц; ß^OA, Зл/4

100 200 300 400 500

X, км

Рис, 11. Семейство лучей в плоскостях лОг

Заключение

Таким образом, в настоящей работе с помощью метола бихарактеристик изучены особенности распространения радиоволн в ионосферной плазме при наличии поперечных горизонтальных градиентов и выполнено численное моделирование лучевого распространения в изотропном случае и в анизотропной плазме для обыкновенной и необыкновенной волн. Проанализированы возникающие каустические структуры.

Автор выражает благодарность профессору Д.С. Лукину, инициировавшему постановку данной задачи.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты ЛЬ /2-02-00413-а, № 13-07-00937).

Литература

1. Крюковский А.С., Лукин Д.С., Растягаев Д.В. Математическое моделирование распространения радиоволн в анизотропной неоднородной ионосфере. //Вестник Российского нового университета. Серия «Управление, вычислительная техника и информатика» / М.: РосНОУ, 2009. Выпуск 2. С. 7-14.

2. Крюковский А. С., Лукин Д,С.. Растягаев Д.В. Исследование особенностей распространения коротких радиоволн в неоднородной ¿¿изотропной ионосферс. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2009. Т.Н. № К. С. 17-26.

3. Kryukovsky A.S., Lukirt D.S.. Rastyagaev D.V. Caustic Singularities Arising al Propagation of Short Radio waves in Anisotropic Ionospheric

Plasma [Электронный ресурс}: // P1LRS Proceedings, August 18-21, Moscow RUSSIA, 2009." PP. 1998-2001, - Режим доступа höp^/piere.m it.edu/piersproceedi ngs/p i ers2k9MoscowProc.php, свободны й.

4. Крюковский Л. С, Лукич Д.С.. Растягаев Л В. Особенности рас-|]рос гранения коротковолновых волн в неоднородной анизотропной ионосфере. //Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попом, Серия: научная сессия, посвященная Дню Радио 19-20.05.2010 г. Выпуск: I.XV. /М.: РНТОРЭС, 2010. -С, 281-283.

5. Крюковский A.C.. Лукин Д.С., Растягаев Д. В. Численное моделирование структуры электромагнитных полей в областях волновых катастроф при дистанционном зондировании срел. // [Электронный ресурс]: Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти I I.A. Арманда. Сб. докладов научно - практической конференции «Космическая радиолокация» (Муром, 28 июня - 1 июля 2010 г.). -Муром: Изд. - полиграфический центр МИ ВлГУ, 2010. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). -№ me, регистрации 0321001174. С. 228-244.

6. Крюковский A.C.. Лукин Д.С.. Растягаев Д.В. Моделирование лучевой и каустической структуры электромагнитных полей по данным радиотомографии ионосферы в окрестности экваториальной аномалии. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2010. 1.15, № 8. С.5-11.

7. Крюковский A.C.. Лукин Д.С.. Растягаев Д. В. Исследование влияния локальных неоднородностей ионосферной плазмы на распространение коротких радиоволн. //Вестник Российского нового университета. Серия «Управление, вычислительная техника и информатика» / М.: РосНОУ, 2010, Выпуск 3. С. 17-25.

8. Крюковский A.C.. Лукин Д.С.. Растягаев Д.В. Математическое моделирование особенностей лучевого распространения радиоволн и анизотропной среде ионосфере Земли. I/ «Распространенне радиоволн», со. докл. ХХШ Всероссийской научной конференции. (23-26 мая 2011: Йошкар-Ола) / Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. Т.1. С. 76-84.

9. Андреева Е.С., Крюковский A.C.. Куницын В.Е.. Лукин Д.С.. Растягаев Д.В.. Кирьянова КС. Моделирование лучевой н каустической структуры электромагнитных полей по данным радиотомог рафии ионосферы в окрестности экваториальной аномалии. // «Распространение радиоволн», сб.докл. ХХШ Всероссийской научной конференции. (23-26 мая 2011: Йошкар-Ола) /Йошкар-Ола: Марийский государственный технический университет, 2011. Т.З С. 288-291.

10. Крюковский A.C.. Кирьянова К.С. Особенности лучевого распространения радиоволн в окрестности экваториальной аномалии. // Электромагнитные волны и электронные системы, 2011,№ 8. -С. 21-24.

iКрюковский A.C. Каустическая и лучевая структуры отражённых радиоволн в линейном плазменном слое. //Вестник Российского нового университета. Серия «Управление, вычислительная техника и информатика» / М: РосНОУ, 2011. Выпуск 4. С. 12-22.

12. Крюковский A.C.. Кирьянова К.С. Особенности лучевого распространения радиоволн в окрестности экваториальной аномалии. /Л руды XII международной научной конференции «Цивилизация знаний: проблема человека в науке XXI века». Москва, 22-23 апреля 2011-Часть П.-М.: РосНОУ, 20t L- С. 15-19.

13.Гришин В С. Крюковский A.C.. Лукин Д.С.. Растягаев Д.В. Влияние локальных неоднородностей анизотропной ионосферы на траекторные характеристики распространения радиоволн. //Труды XII международной научной конференции «Цивилизация знаний: проблема человека и науке XXI века», Москва. 22-23 апреля 2011 г.- Часть II. М.: РосНОУ, 2011.- С. 37-Ж).

14. Крюковский A.C. Особенности каустической и лучевой структур отражённых поли в линейном плазменном слое. II Радиотехника и электроника, 2012. - Т.57. №3. - С. 271 -280.

15.Крюковский /1.С., Лукич Д.С Кирьянова К.С. Метод расширенной бихарактеристической системы при моделировании распространения радиоволн в ионосферной плазме. // Радиотехника и электроника, М,: Наука. 2012. Т.57, №9. С, 1028-1034,

16. Кирьянова КС.. Крюковский A.C. Влияние локальных ионосферных неоднородностей на распространение декаметровых радиоволн. /.' Физические основы приборостроения, М.: НТЦ УН РАН. 2012. Т.1.ЖЗ. - С. 19-25.

11.Кирьянова К.С.. Крюковский A.C. Особенности лучевых траекторий в окрестности ионосферной локальной неоднородности с пониженной электронной концентрацией. // Электромагнитные волны и электронные системы, М,: Радиотехника. 2012. Т. 17. №9, - С. 42-47.

18. Крюковский A.C.. Лукин Д.С.. Растягаев Д.В. Применение коротковолнового приближения для исследования и диагностики локальных ионосферных возмущений. Пленарный доклад. [Электронный ресурс]: I! Всероссийские Армандовскио чтения. Материалы V Всероссийской научной конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании». (Муром, 26-28 июня 2012 г.), Муром: Изд. -

полиграфический центр МИ ВлГУ, 2012. - I электрон, опт. диск (CIl-küM). ISSN 2304-0297.

14. Кирьянова К.С.. Крюковский A.C. Особенности лучевой структуры электромагнитных полей в реальной ионосфере. [Электронный ресурс]: II Всероссийские Армандовские чтения. Материалы V Всероссийской научной конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании». Секция I: «Исследования атмосферы и ионосферы». (Муром, 26 - 28 нюня 2012 г.). - Муром: Изд. полиграфический центр МИ ВлГУ, 2012. I электрон. ОПТ. ДИСК (CD-ROM). ISSN 23040297. С. 175-179.

20. Кирьянова КС., Крюковский A.C. Особенности лучевого распространения радиоволн в ионосфере Земли//Шсстая отраслевая научная конференция "Технологии информационного общества", ¡4-15 февраля 2012 г. Программа научно-технических секций (с тез. локл.ум.: ФГОБУ ВПО МТУСИ, 2012. - С. 139.

21.Крюковский A.C., Лукин Д.С.. Растягаев Д.В. Применение коротковолнового приближения для исследования и диагностики локальных ионосферных возмущений. Пленарный доклад. [Электронный ресурс]: II Всероссийские Армандовские чтения. Материалы V Всероссийской научной конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании». (Муром, 26 - 28 июня 2012 г.). - Муром: Изд. -полиграфический центр МИ ВлГУ, 2012. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). ISSN 2304-0297,

22.Кирьянова КС.. Крюковский A.C. Особенности лучевой структуры электромагнитных полей в реальной ионосфере. [Электронный ресурс]: II Всероссийские Армандовские чтения. Материалы V Всероссийской научной конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании». Секция I: «Исследовании атмосферы и ионосферы», (Муром, 26 28 июня 2012 г.). - Муром: Изд. полиграфический центр МИ ВлГУ, 2012. - I электрон, опт. диск (CD-ROM). ISSN 23040297. С. 175-179.

2i.Kiryanova KS., Kryukovsky Lukin D.S. , Rasiyagaev D. V. Application of the Extended Bi-chalacteristic System Method at Radio-wave Propagation Modeling in the Ionosphere оГ the Earth [Электронный ресурс]: // PIERS Proceedings, August 19-23. Moscow RUSSIA, 2012, P. 774. - Режим доступа: hUp://jjjersorg'piersproceedmgs/piers2012 Moscow. ph p_ свободный.

24.КирьЯНОва K.C,. Крюковский A.C., Лукин Д.С. Моделирование коротковолнового распространения в ионосферной плазме //Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени A.C. Попова. Серия: научная сессии, посвященная Дню Радио. RDC-2012. 16-17.05.2012 г. Выпуск: LXV1I. /М.: РНТОРЭС, 2012. -С. 343-346,

25. Кирьянова КС.. Крюковский A.C. Особенности лучевого распространения радиоволн в ионосфере Земли// T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2012, № I!. - С, 25-28.

26. Кирьянова КС.. Крюковский A.C. Математические модели возмущений ионосферы природного и техногенного характера//Вмтник Российского нового университета. Серия «Управление, вычислительная техника и информатика» / М.: РосНОУ, 2012. Выпуск 4. - С. 27-33.

27.Казанцев А Н., Лукин Д.С.. Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнита активной ионосфере. // Космические исследования, 1967. Т. 5. Вып. 4. С. 593-600.

28.Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Применение метода характеристик для численного решения задач распространения радиоволн в неоднородной и нелинейной среде//Ралиотехника и электроника. 1969. Т. 14. №9. С. 1673-1677.

29. Крюковский A.C.. Лукин Д.С.. Палкин Е.А. К вопросу О построении асимптотических решений в областях перекрытия прикауетичееких. зон // Изв. ВУЗов MB и ССО СССР (Радиофизика), 1982, Т. 25. X» 11. -С. 1375-1376.