авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

Фрактальная структура плазменной турбулентности среднеширотной верхней ионосферы

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Выборнов Федор Иванович

Фрактальная структура плазменной турбулентности среднеширотной верхней ионосферы

Специальность 01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Нижний Новгород

2011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном научном

учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» (ФГБНУ НИРФИ) Министерства образования и науки Российской

Федерации

Научный консультант: доктор физико-математических наук, старший

научный сотрудник Урядов Валерий Павлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Гавриленко Владимир Георгиевич

доктор физико-математических наук,

профессор Черкашин Юрий Николаевич

доктор физико-математических наук

Иудин Дмитрий Игоревич

Ведущая организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет», г. Казань.

Защита состоится 13 марта 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.161.01 при федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Большая Печерская, д. 25/12а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ НИРФИ.

Автореферат разослан 06 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук Караштин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность задач исследований

Ионосфера Земли – это природная плазменная лаборатория. Ее неоднородная структура является довольно чувствительным индикатором разнообразных естественных и искусственных возмущений, происходящих в атмосфере Земли и околоземном космическом пространстве. Изучение неоднородной структуры электронной концентрации в ионосфере Земли представляют большой интерес как для фундаментальной науки, расширяя наши представления о процессах, происходящих в магнитоактивной плазме, так и для решения чисто прикладных задач, связанных с проблемами трансионосферной связи, навигации, загоризонтной радиолокации и радиоастрономии. Подобные исследования весьма интенсивно проводились учеными разных стран в 60 – 90 гг. прошлого столетия после запуска первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) в 1957 г. После обнаружения в начале 70-х годов степенного характера спектра ионосферной турбулентности большое внимание стало уделяться изучению её спектральных характеристик в различных геофизических условиях, в том числе и при воздействии на ионосферу мощным коротковолновым (КВ) радиоизлучением [1*–3*]. Во всех многочисленных ионосферных исследованиях применялись стандартные методы спектрального анализа флуктуирующих сигналов, пригодные для статистической обработки квазистационарных случайных процессов. Ранее такие же методы применялись и в исследованиях атмосферной турбулентности при зондировании ее электромагнитными и звуковыми волнами. В то же время в этих исследованиях активно использовался и метод структурных функций 2-го порядка для определения асимптотического поведения флуктуаций принимаемого сигнала. В результате был установлен квазистационарный характер случайного процесса рассеяния волн в атмосфере Земли изотропной турбулентностью с практически единственным показателем спектра 11/3, однозначно связанным с единственным показателем структурной функции =2/3 простым соотношением [4*, 5*].



В исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности метод структурных функций практически не использовался. Более того, не было выполнено ни одной работы, в которой бы одновременно определялись структурные функции и спектральные характеристики исследуемого случайного процесса рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме. В результате многочисленных исследований спектров ионосферной турбулентности стандартными методами спектрального анализа флуктуирующих сигналов были зарегистрированы большие (в несколько единиц) вариации показателей этих спектров в зависимости от условий распространения радиоволн в ионосфере, состояния ионосферы, различных геофизических условий наблюдения и т.п. Но поскольку должный контроль за стационарностью исследуемого случайного процесса в этих работах не проводился, то достоверность полученных сведений о спектральных характеристиках мелкомасштабной ионосферной турбулентности (МИТ) вызывает серьезные сомнения. Кроме того, в рамках классического метода радиомерцаний, применявшегося в этих работах, всегда предполагалось равномерное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере. В то же время, результаты уже первых наших экспериментальных исследований перемежаемости МИТ говорят о том, что МИТ имеет неравномерное фрактальное распределение в пространстве [18, 19].

Первые теоретические и экспериментальные исследования мультифрактальной структуры развитой МИТ были выполнены в [17, 20]. С помощью мультифрактального анализа записей амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, была продемонстрирована возможность определения неравномерного фрактального распределения мелкомасштабных ионосферных неоднородностей в пространстве. В [20] впервые в исследованиях неоднородной структуры ионосферы было показано, что истинное значение показателя () спектра МИТ, определяемое в результате мультифрактальной обработки записи амплитуды принятого сигнала, может заметно отличаться от его значения (), вычисленного по стандартной методике спектрального анализа для стационарного случайного процесса. Это связано с тем, что в реальных нестационарных условиях рассеяния высокочастотных радиоволн в ионосферной плазме классический метод спектрального анализа радиосигналов не работает и может приводить к существенным ошибкам в определении спектральных характеристик МИТ.

В исследованиях реальной неоднородной структуры ионосферной турбулентности для получения достоверной информации о локальной структуре МИТ как в естественных условиях, так и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением, более корректно использовать мультифрактальный анализ сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, основанный на методах многомерных структурных функций (МСФ) и вейвлет-преобразования (ВП), которые пригодны в условиях нестационарных случайных процессов [5*–9*].

В свете вышеизложенного представляется чрезвычайно актуальным изучение фрактальной структуры ионосферной турбулентности. Данная диссертационная работа и посвящена этой теме. Фактически это новое направление в исследованиях неоднородной структуры околоземной ионосферной и космической плазмы радиофизическими методами. В диссертации рассмотрены теоретические основы исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования ионосферы сигналами орбитальных ИСЗ. Представлены результаты первых экспериментальных исследований фрактальной структуры ионосферной плазмы как в естественных условиях, так при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением российского нагревного среднеширотного стенда СУРА.

Предложен и апробирован на реальных экспериментальных данных перспективный фазовый метод исследований мультифрактальной структуры околоземной и космической плазмы, основанный на измерении многомерных структурных функций для флуктуаций фазы сигналов, принимаемых от спутников и космических радиоисточников. Фазовый метод может быть использован для получения обширных данных о мультистепенных и мультифрактальных спектрах ионосферной и космической плазменной турбулентности в различных геофизических условиях, для разных географических (и геомагнитных) широт земного шара, в разное время суток, в условиях развитой гелиоактивности и т.д. Настоящая диссертационная работа может являться основой большого цикла работ в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы – изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности.

Совокупность рассмотренных положений позволяет считать диссертационную тему чрезвычайно актуальной как в части фундаментальных исследований свойств неоднородной структуры ионосферной плазмы, так и в части практического применения для систем трансионосферной радиосвязи, радиолокации и космической навигации.

Целью диссертационной работы является разработка теоретической модели и экспериментальное исследование фрактальной структуры развитой турбулентности среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка теоретических основ исследований мультифрактальной структуры развитой ионосферной турбулентности с помощью дистанционного радиозондирования среднеширотной ионосферы сигналами ИСЗ в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Выявление особенностей исследований мультифрактальной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с использованием вейвлет-преобразования.

2. Экспериментальные исследования мультифрактальной структуры среднеширотной развитой мелкомасштабной ионосферной турбулентности в естественных условиях, в том числе в условиях солнечного затмения. Определение истинных значений показателей спектров мелкомасштабной ионосферной турбулентности и мультистепенных спектров плазменной турбулентности среднеширотной ионосферы.

3. Экспериментальные исследования мультифрактальной структуры среднеширотной развитой мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности (МИИТ) при воздействии на ионосферу мощным КВ радиоизлучением. Выявление особенностей мультифрактальной структуры МИИТ в условиях, когда наблюдается эффект магнитного зенита.

4. Экспериментальные исследования фрактальной структуры плазменной турбулентности перемещающихся ионосферных возмущений электронной концентрации на средних широтах.

Научная новизна и практическая ценность. Настоящая диссертационная работа фактически является первой работой в новом научном направлении исследований неоднородной структуры ионосферы – изучении фрактальной структуры ионосферной турбулентности. В диссертации разработан принципиально новый фрактально-корреляционный подход к исследованию флуктуаций сигналов ИСЗ в ионосферной плазме, что позволило получить необходимую информацию об истинных значениях показателей локальных спектров флуктуаций электронной концентрации для изотропной ионосферной турбулентности в естественных условиях и анизотропной мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности, а также определить значения фрактальных размерностей пространства, занятого в ионосфере мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации. Результаты сопоставлены с полученными ранее многочисленными экспериментальными данными о неоднородностях электронной концентрации среднеширотной ионосферы в естественных условиях и при воздействии на ионосферу мощного КВ излучения. По результатам диссертационной работы сделан вывод о целесообразности проведения развернутых работ в рамках комплексной международной программы перспективных исследований фрактальной структуры ионосферной турбулентности.

В диссертации получены следующие новые результаты:

• Впервые предложен и экспериментально апробирован фрактально-корреляционный метод определения фрактальной размерности пространства, занятого в ионосфере неоднородностями электронной концентрации, и истинного показателя спектра изотропной мелкомасштабной ионосферой турбулентности по измеряемым в эксперименте фрактальной размерности и значению показателя спектра записи амплитуды принимаемого сигнала при дистанционном зондировании ионосферы. Получены характерные значения фрактальной размерности пространства, занятого естественными неоднородностями МИТ, и истинные значения показателя спектра. Проанализированы условия резко неравномерного распределения локальных фрактальных структур МИТ в пространстве.





• Получены соотношения, связывающие измеряемую в эксперименте фрактальную размерность записи амплитуды принимаемого сигнала при дистанционном зондировании ионосферы с фрактальной размерностью пространства, занятого в ионосфере неоднородностями, и значением истинного показателя анизотропного спектра флуктуаций электронной концентрации мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности. Выявлено существенное различие фрактальных размерностей для МИТ и МИИТ даже при одинаковых .

• Показано, что изотропная локальная структура мелкомасштабной ионосферной турбулентности, описываемая мультистепенным спектром , однозначно определяется набором соответствующих гельдеровских экспонент из мультистепенного спектра флуктуаций амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ после радиопросвечивания ими среднеширотной ионосферы.

• Показано, что неравномерное распределение в пространстве ионосферных неоднородностей в общем случае характеризуется набором фрактальных размерностей , а полный мультифрактальный анализ записей флуктуаций фаз принимаемых сигналов позволяет определить мультистепенной и обобщенный мультифрактальный спектры ионосферных неоднородностей в довольно широком инерционном интервале масштабов от десятков метров до десятков километров по результатам зондирования ионосферной плазмы с борта орбитального ИСЗ.

• Показано, что в исследованиях неоднородной структуры ионосферной плазмы, равно как и при аналогичных исследованиях неоднородной структуры турбулентности в других природных средах, понятие сингулярной функции может вводиться лишь как некоторая математическая абстракция для упрощенного описания исследуемого мультифрактального процесса. В действительности же мы имеем дело с непрерывными гладкими, хотя и нестационарными случайными (турбулентными) процессами. При статистической фрактальной обработке принимаемых сигналов выявляется истинная мультифрактальная структура исследуемых нестационарных случайных процессов в пределах соответствующих инерционных интервалов этих турбулентных структур. Проанализированы некоторые особенности применения вейвлет-преобразования как локальной сингулярной меры при анализе сложных сигналов.

• Установлено, что неоднородное пространственное распределение мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации ионосферной плазмы определяет нестационарное поведение структурных функций быстрых флуктуаций амплитуды сигналов, принимаемых от орбитальных ИСЗ, что непосредственно выражается в специфическом скейлинге этих функций и, соответственно, в мультифрактальных спектрах самих сигналов.

• Установлено, что в условиях развитой ионосферной турбулентности мультифрактальная структура перемежаемости флуктуаций энергии сигналов, принимаемых с бортов орбитальных ИСЗ, в конечном счете, обусловлена пространственной неоднородностью дисперсии интегральных флуктуаций электронной концентрации, формируемых мелкомасштабными ионосферными неоднородностями на сравнительно больших пространственных масштабах порядка нескольких десятков километров. При этом полученные сведения о форме мультифрактальных спектров флуктуации энергии принимаемых сигналов оказываются справедливыми на всем множестве многомерных структурных функций с произвольными показателями порядка (, ).

Применение различных алгоритмов расчетов фрактальных спектров флуктуаций энергии принимаемых сигналов со скользящим усреднением флуктуаций амплитуды на локальных временных интервалах и при обработке с дискретными значениями локальных средних для мощности флуктуаций приводят к заметно различным мультифрактальным спектрам перемежаемости флуктуаций амплитуды принимаемых сигналов. Последнее обстоятельство следует учитывать при построении различных физических моделей мультифрактальных спектров перемежаемости развитой ионосферной турбулентности.

• Обнаружены существенные различия в поведении показателей мультистепенных спектров неоднородностей и соответствующих обобщенных мультифрактальных спектров ионосферной турбулентности как для разных облаков электронной концентрации ионосферной плазмы с размерами ~(200 – 250) км, так и внутри отдельных облаков для локальной неоднородной структуры с размерами ~ (12 – 15) км. Результат получен при зондирования среднеширотной ионосферы в сеансах связи с орбитальными спутниками 29.03.2006 г. и 23.08.2005 г. при исследованиях неоднородной структуры мелкомасштабной ионосферной турбулентности с применением метода многомерных структурных функций при анализе флуктуаций амплитуды сигналов. Это принципиально новый результат в исследованиях неоднородной структуры ионосферной турбулентности.

• Обнаружено, что во время солнечного затмения 01.08.2008 г. измеренные на разных радиотрассах мультистепенные и обобщенные мультифрактальные спектры мелкомасштабной ионосферной турбулентности в двух сеансах наблюдений на начальной и завершающей стадиях затмения оказались практически идентичными, что может свидетельствовать о довольно большой стабильности неоднородного пространственно-временного распределения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в ионосфере.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.