ВАЖНЕЙШИе научные РЕЗУЛЬТАТЫ

по проблеме "Распространение радиоволн", рекомендуемые в отчет о деятельности

Российской Академии наук  в 2008 году 

 

1. Впервые экспериментально установлено наличие нижней ионизованной области в дневной ионосфере Венеры. По результатам двухчастотного радиопросвечивания станций «Венера-15,16» выявлены ионосферные слои с вертикальным масштабом 5-10 км на высотах от 80 до 120 км в дневной ионосфере и отсутствие подобных слоев в ночной ионосфере Венеры (ФИРЭ).

 

Аннотация

Разработаны принципы увеличения чувствительности метода двухчастотного радиопросвечивания, обеспечивающие обнаружение и исследование тонких структур ионосфер планет. Новая прецизионная методика увеличивает точность и разрешающую способность при определении характеристик ионосферы по экспериментальным данным, а разработанные критерии позволяют разделить эффекты влияния плазмы, атмосферы и шума. Теоретически показано, что влияние разреженных атмосфер и ионосфер планет на результаты радиопросвечивания определяется функциональной взаимосвязью характеристик радиосигналов, в частности, рефракционное ослабление мощности прямо пропорционально градиенту частоты радиосигнала. Наличие взаимосвязей доказано экспериментально данными радиопросвечивания. Апробация методики проведена по данным регистрации напряженности поля когерентных радиосигналов станций «Венера-15, 16», чувствительность к влиянию плазмы оказалась выше, чем у зарубежных миссий по исследованию Венеры. В результате обработки и анализа экспериментальных данных впервые установлено существование нижней области ионосферной плазмы в дневной ионосфере Венеры на высотах от 80 до 120 км. Нижняя ионосфера проявляется регулярно, для нее характерны сильная изменчивость и слоистая структура с вертикальным масштабом 5-10 км. Свойства нижней ионосферы зависят от освещенности Солнцем, в частности, на ночной стороне подобные слои не наблюдаются.

 

2. Разработана технология непрерывного мониторинга, предназначенная для реконструкции пространственно-временной структуры ионосферы и решения задач оперативного контроля высотного распределения и полной электронной концентрации ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник -Земля с использованием радиосигналов навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС в реальном масштабе времени (ФИРЭ).

 

Аннотация

Развита теория решения обратной задачи радиопросвечивания ионосферы по трассе спутник-Земля, основанная на использовании функциональных связей параметров зондирующих сигналов и среды их распространения и математического аппарата решения интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода, относящихся к классу обратных некорректно поставленных задач атмосферной рефракции. На ее основе разработана технология непрерывного мониторинга, предназначенная для реконструкции пространственно-временной структуры ионосферы и решения задач оперативного контроля высотного распределения и полной электронной концентрации ионосферы методом радиопросвечивания на трассе спутник - Земля с использованием радиосигналов навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС в реальном масштабе времени.

По результатам экспериментальной обработки данных измерений показана принципиальная возможность определения азимутально-временных вариаций состояния ионосферы Земли по однопозиционным наземным измерениям. При использовании одного наземного приемника предложенная технология позволяет проводить мониторинг высотного распределения электронной концентрации на площади не менее 3 млн. кв. км с высоким пространственно-временным разрешением.

 

3. При движении самолета в воздушном пространстве образуются когерентные структуры, представляющие собой устойчивые вихревые жгуты, которые могут тянуться за самолетом на многие километры и быть опасными для других самолетов. Проблема самолетных вихрей весьма актуальна и приковывает к себе повышенное внимание ученых. Совместно с Германским аэрокосмическим центром проведены лидарные исследования влияния атмосферы на поведение и эволюцию вихревого самолетного следа. Разработаны эффективные методы измерения доплеровским лидаром параметров самолетных вихрей и атмосферной турбулентности. Представлена геометрия измерений, во время которых вихревой самолетный след сканируется зондирующим пучком в плоскости, поперечной направлению движения самолета. Предложенные процедуры обработки исходных данных лидарных измерений позволяют оценивать параметры атмосферной турбулентности (высотные профили скорости диссипации кинетической энергии) и самолетных вихрей (циркуляция вихря как функция времени) с точностью, достаточной для проведения подробного анализа влияния турбулентности на эволюцию этих вихрей (ИОА СО РАН).

 

Аннотация

Измерения доплеровским лидаром проводились в 2002-2007 гг. и включали наземные и бортовые измерения. В результате был накоплен богатейший экспериментальный материал. Представлены результаты лидарных измерений зависимости циркуляции самолетного вихря от времени при различных уровнях атмосферной турбулентности, соответствующих трем интервалам измеренных значений скорости диссипации. Высокая точность этих лидарных измерений позволила впервые в натурном эксперименте выявить предсказанные ранее теоретически две фазы эволюции вихря: со временем вначале происходит медленное затухание циркуляции, затем быстрое. Чем сильнее атмосферная турбулентность, тем быстрее затухает самолетный вихрь. При этом момент перехода из одной фазы затухания в другую зависит от скорости диссипации кинетической энергии атмосферной турбулентности.

Результаты работы находят широкое практическое применение. В частности, полученные оценки времени жизни самолетного вихря позволяют определять зоны безопасности движения воздушного транспорта при различных уровнях атмосферной турбулентности.

 

4. Впервые, в натурных условиях ветрового волнения, одновременно измерены отражательная способность и температура граничного пленочного слоя морской поверхности по интенсивности излучений морской поверхности и атмосферы в ИК диапазоне. Обнаружено, что в натурных условиях отражательная способность и определенная по ней мнимая часть диэлектрической проницаемости пленочного слоя изменчивы и меньше величин (в 1,5-2,5 раза), полученных для морской воды в лабораторных измерениях, которую используют в стандартных методиках определения температурных полей океана. Следствием натурных измерений является обнаружение смеси воды и микропузырьков воздуха под пленкой поверхностного натяжения, по крайней мере, в слое толщиной порядка 10 мкм, что объясняет полученный результат (ФГНУ НИРФИ).

 

Аннотация

Впервые, в натурных условиях морского волнения, проведены одновременные измерения отражательной способности и температуры морской поверхности по данным дистанционных измерений интенсивности излучений морской поверхности и атмосферы в ИК диапазоне. В результате измерений обнаружено, что в натурных условиях отражательная способность меньше величины, полученной для морской воды в лабораторных измерениях, которую используют в стандартных методиках определения температурных полей океана. Кроме того., отражательная способность морской поверхности в натурных условиях может быть изменчивой величиной. Это необходимо учитывать в тепловом балансе притока и потере тепла природными средами, что является важным процессом, влияющим на формирование климата.

Измерения стали возможны в результате создания метода одновременных дистанционных радиофизических измерений коэффициента отражения морской поверхности и температуры воды в натурных условиях морского волнения, отличающегося повышенной точностью. Метод основан на абсолютных измерениях интенсивности излучения морской поверхности, отражающей излучение атмосферы известной, но изменяющейся мощности. Коэффициент отражения морской поверхности определяется по корреляционной зависимости между интенсивностями излучения морской поверхности и атмосферы, а по известным интенсивности излучения морской поверхности и коэффициенту отражения вычисляется температура воды в скин-слое, внутри поверхностной температурной плёнки.

Следствием натурных измерений является обнаружение смеси воды и микропузырьков воздуха под пленкой поверхностного натяжения, по крайней мере, в слое толщиной порядка 10 мкм, соответствующему скин-слою ИК диапазона в интервале 8-14 мкм, что объясняет полученный результат.

Натурные измерения излучения морской поверхности и атмосферы проводились на научной станции ФГНУ НИРФИ "Кара Даг" с пирса Карадагского природного заповедника НАН Украины.

Представляемый научный результат относится к приоритетному направлению развития науки, технологий и техники: "Рациональное природопользование: технологии мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы". Созданный метод может быть рекомендован для развития технологий подспутниковой радиометрии, расширения спектра, получаемых космическими средствами данных в исследованиях Мирового океана и валидации.

 

5. Создана система активного радиовидения СВЧ диапазона, позволяющая, в отличие от существующих систем, получать двумерные изображения объектов в реальном времени (с частотой десятки кадров в секунду). В качестве двумерного быстродействующего сенсора использован плоский слой плазмы Cs-Xe разряда. С частотой следования кадров 12,5 Гц получены теневые радиоизображения объектов, освещаемых импульсным СВЧ излучением восьми миллиметрового диапазона длин волн невысокой интенсивности (средняя интенсивность порядка 1 мВт/см2). Экспериментально показано, что данный метод радиовидения может применяться для регистрации динамических процессов, а также для оперативного обнаружения скрытых предметов (ИПФ РАН).

 

Аннотация

Методы активного радиовидения с использованием миллиметровых волн применяются в системах неразрушающего контроля, досмотра и обеспечения безопасности и т.д. В связи с этим, весьма актуальной является задача разработки метода визуализации СВЧ излучения применимого в системах активного радиовидения в реальном времени. Нами была впервые продемонстрирована возможность применения новой методики, использующей широкополосное оптическое излучение плоского положительного столба (ПС) Cs-Xe разряда, для преобразования теневых радиоизображений объектов, освещаемых миллиметровыми волнами, в видимые изображения. Принцип действия такого газоразрядного радиовизора основан на эффекте локального увеличения яркости в видимом диапазоне е-Хе тормозного континуума при нагреве электронов под действием падающего на плазму СВЧ излучения. Такой метод регистрации радиоизображений, формируемых миллиметровыми волнами, обладает микросекундным временным разрешением и высокой энергетической чувствительностью (порядка 10 мкДж/см2 в восьмимиллиметровом диапазоне), что позволяет использовать его для визуализации излучения невысокой средней интенсивности (порядка 1 мВт/см2 при регистрации с телевизионной частотой кадров). Пространственное разрешение метода составляет около 2 миллиметров. В проведенных экспериментах по радиовидению для создания пространственно однородного слоя плазмы положительного столба Cs-Xe разряда размером около 10 см х 8 см использовалась отпаянная газоразрядная трубка специальной конструкции. Она была заполнена ксеноном при давлении 45 Тор. Для получения требуемой плотности паров цезия трубка нагревалась в термостате. Пространственное распределение интенсивности видимого континуума регистрировалось при помощи ПЗС телекамеры. Перед объективом телекамеры был установлен оптический фильтр, не пропускающий линейчатое излучение ПС Cs-Xe разряда. Время экспозиции телекамеры было равным 1 мс или 0,1 мс. Источником СВЧ излучения с длиной волны 8,5 мм служил магнетрон. Длительность импульсов СВЧ излучения составляла около 10 мс, частота повторения импульсов была 12,5 Гц. Ширина СВЧ пучка в области плазменного слоя составляла около 8 см, а интенсивность а центре пучка была около 0,3 Вт/см2. Исследуемые объекты располагались вблизи окна газоразрядной трубки. Изображения объектов были получены с частотой следования кадров 12,5 Гц. Для определения характеристик данного метода регистрации радиоизображений использовались тестовые амплитудные и фазовые объекты. Объекты размером несколько сантиметров легко распознавались, несмотря на то, что их изображения были искажены из-за влияния дифракции. Было экспериментально показано, что данный метод может применяться для оперативного обнаружения таблеток, порошков и ювелирных украшений, помещенных в почтовые конверты и бандероли. Эксперименты по визуализации процесса вытекания воды из стеклянной трубки, колебаний маятника, движения пальцев руки и т. д. продемонстрировали возможность использования данной методики для визуализации радиоизображеий в реальном времени.

 

 

Председатель Научного совета РАН

по распространению радиоволн

д.т.н., профессор                                                                            Н.А.Арманд