Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
19
ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені В. Н. КАРАЗІНА
ПАНАСЕНКО Сергій Валентинович
УДК 550.388.2: 551.510
ВАРІАЦІЇ СТАТИСТИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАДІОСИГНАЛІВ
РАДАРА ЧАСТКОВИХ ВІДБИТТІВ,
ВИКЛИКАНИХ ДИНАМІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ В МЕЗОСФЕРІ
01.04.03 – радіофізика
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Харків – 2008
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.
|
Науковий керівник: |
доктор фізико-математичних наук, професор ЧОРНОГОР Леонід Феоктистович, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна, професор кафедри космічної радіофізики. |
|
Офіційні опоненти: |
доктор фізико-математичних наук, професор ЯМПОЛЬСЬКИЙ Юрій Моїсійович, Радіоастрономічний інститут Національної академії наук України, завідувач відділу радіофізики геокосмоса, м. Харків; |
|
кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник ЛИСЕНКО Валерій Миколайович, Інститут іоносфери Міністерства освіти і науки та Національної академії наук України, заступник директора з наукової роботи, м. Харків. |
Захист відбудеться «11» квітня 2008 р. о 1600 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, Україна, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. 3-9.
З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, Україна, м. Харків,
пл. Свободи, 4.
Автореферат розісланий « 6 » березня 2008 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради ____________________ А. Ф. Ляховський
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. В рамках міжнародних програм з дослідження космічної погоди важливою проблемою є вивчення, моделювання і прогнозування динамічних процесів в мезосфері – одній з найменш вивчених і в той же час найбільш важливих областей атмосфери. За допомогою цих процесів здійснюється взаємодія різних атмосферних областей, підсистем у системі Земля – атмосфера – іоносфера – магнітосфера. Динамічні процеси є індикатором варіацій космічної та звичайної погодних систем. Вони впливають на радіоканали та, зрештою, на радіотехнічні системи, призводять до порушень функціонування систем телекомунікації, радіонавігації, радіолокації, а також можуть впливати на самопочуття людей.
Дослідження динамічних процесів на мезосферних висотах проводиться з використанням як наземних, так і таких, що розміщені на геофізичних ракетах, приладів і зондуючих установок. Широке поширення набули радіофізичні методи дослідження, що дозволяють дистанційно проводити тривалі спостереження динамічних процесів в мезосфері (нижній іоносфері). В наш час функціонує світова мережа радарів і радіотехнічних систем, що здійснюють майже безперервний моніторинг мезосфери і нижньої термосфери протягом декількох десятиліть. Варіації характеристик прийнятих радіосигналів, на основі аналізу яких отримують параметри динамічних процесів, в основному обумовлені гідродинамічними рухами, що підрозділяють на три типи: переважаючий вітер, атмосферні хвилі та турбулентність. Динамічні процеси, що відносяться до цих типів рухів і впливають на характеристики радіосигналів, розглядатимуться в рамках цієї роботи.
Незважаючи на те, що до теперішнього часу отримано величезний об'єм експериментальних даних і проведені широкі теоретичні дослідження, побудова довготривалої моделі, що адекватно описує динамічні процеси в глобальному масштабі в цілому і в Центральноєвропейському регіоні зокрема, ще далека до свого завершення. Це пов'язано з недостатнім розумінням усього самоузгодженого комплексу фізико-хімічних процесів у відкритій динамічній системі Сонце –міжпланетне середовище – геокосмос – атмосфера – Земля, залежністю досліджуваних величин від великої кількості геофізичних параметрів, нерівномірністю розміщення засобів спостереження на поверхні Землі, що не дозволяє вивчати динаміку атмосфери в глобальному масштабі, наявністю границь застосування, істотними похибками та слабкою чутливістю використовуваних методів і т. п.
У зв'язку з цим актуальною задачею є збільшення точності існуючих і розробка нових радіофізичних методів отримання параметрів динамічних процесів, детальне вивчення регіональних статистичних властивостей радіосигналів, що приймаються, накопичення статистично достовірних даних про добову і сезонну залежності такого основоположного параметра, як відношення сигнал / завада в спокійних і збурених геліогеофізичних умовах, встановлення регіональної поведінки динамічних процесів в мезосфері. Розв’язання вказаної задачі дозволить побудувати регіональні (центральноєвропейські) довготривалі динамічні мезосферні моделі, а також уточнити глобальні моделі динамічних процесів в атмосфері та іоносфері.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі космічної радіофізики Харківського національного університету (ХНУ) імені В. Н. Каразіна в рамках тематичних планів науково-дослідних робіт (НДР). Низку результатів роботи було отримано під час виконання наступних НДР: “Радіофізичні та магнітометричні дослідження нелінійних явищ в геокосмосі з використанням нових методів обробки сигналів” (номер держреєстрації 0103U004238) і “Дослідження динаміки і електродинаміки мезосфери, нижньої термосфери та іоносфери” (номер держреєстрації 0103U004239).
Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення статистичних характеристик частково-відбитих радіосигналів і радіозавад, розробка нових і вдосконалення існуючих радіофізичних методів виявлення і оцінки параметрів гідродинамічних рухів, а також встановлення регіональної поведінки параметрів вітру, хвиль і турбулентності в мезосфері.
Для досягнення поставленої мети необхідне розв’язання наступних задач.
1. Експериментально дослідити статистичні характеристики обвідних радіозавади, частково-відбитого радіосигналу та їх суміші, визначити статистичні властивості прийнятих радіосигналів в місці розташування радара часткових відбиттів.
2. Розробити нові методи виявлення і оцінки параметрів хвилевих збурень у мезосфері. Перевірити умови і встановити висотно-часові границі застосування використовуваних методів, оцінити похибки отриманих з їх допомогою результатів. З метою підвищення точності визначення параметрів динамічних процесів в мезосфері вдосконалити метод повного кореляційного аналізу та провести його адаптацію з урахуванням характеристик використовуваного радара.
3. Визначити та проаналізувати залежності параметрів хвилевих збурень і вектора направленої швидкості вітру в мезосфері від часу доби, сезону і рівня магнітної активності.
Об'єкт дослідження – розсіяння радіохвиль на рухомих неоднорідностях нижньої іоносфери.
Предмет дослідження – статистичні характеристики частково-відбитих радіосигналів і радіозавад, що формуються гідродинамічними рухами в мезосфері.
Методи дослідження. Апарат статистичної радіофізики, теорія ймовірності та математична статистика, теорія оптимального виявлення і оптимального оцінювання параметрів сигналів, теорія дистанційного радіозондування та радіолокації, основи аерономії та фізики плазми застосовувалися в теоретичних дослідженнях, спрямованих на отримання виразів для відношення сигнал / завада, відносних варіацій електронної концентрації, похибок визначення параметрів динамічних процесів. Статистичний аналіз використовувався для експериментального дослідження часових варіацій вектора швидкості вітру, відносних змін інтенсивності радіосигналів і радіозавад. Спектральний аналіз, що ґрунтується на традиційному перетворенні Фур’є, та розроблена за участю автора його модифікація, застосовувалися для експериментального дослідження амплітуд і періодів коливань швидкості вітру, а також хвилевих збурень електронної концентрації. Метод комп'ютерного моделювання призначався для перевірки працездатності запропонованих і розвинених радіофізичних методів діагностики динамічних процесів, а також адекватності отримуваних з їх допомогою результатів.
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Проведено уточнення статистичних властивостей частково-відбитих радіосигналів і радіозавад в місці розташування радара часткових відбиттів на основі аналізу значно (у сотні – тисячі разів) більших, ніж досліджених іншими авторами, масивів даних радіозондування (число відліків обвідних частково-відбитого радіосигналу і радіозавади складало 105 – 106 значень), отриманих для різних часів доби, сезонів і рівнів магнітної активності з використанням критеріїв перевірки статистичних гіпотез. Вперше встановлено, що в 40 – 80 % випадків розподіли обвідних частково-відбитих радіосигналів і радіозавад відповідали закону Пуассона.
2. Розроблено та успішно застосовано в експериментах два нові (активний і пасивний) радіофізичні методи виявлення і оцінки параметрів хвилевих збурень у мезосфері. Отримано вирази для відносних змін електронної концентрації і похибок визначення відносних амплітуд хвилевих збурень.
3. Запропоновано і успішно застосовано нове перетворення, що займає проміжне положення між Фур’є- і вейвлет-перетвореннями та було назване адаптивним перетворенням Фур’є.
4. Вперше для визначення параметрів хвилевих збурень у мезосфері застосовано статистичний підхід, що ґрунтується на використанні алгоритмів теорії оптимального виявлення і оцінювання параметрів сигналів і дозволяє ефективніше виявляти хвилеві збурення і точніше оцінювати їх відносну амплітуду, час виникнення і тривалість у порівнянні з Фур’є- та вейвлет-перетвореннями.
5. Для Центральноєвропейського регіону отримано значення параметрів горизонтальної швидкості вітру за період часу з 2002 до 2004 рр., а також хвилевих збурень протягом 2000 – 2007 рр. на висотах 80 – 90 км для різних часів доби, сезонів і рівнів магнітної активності.
Практичне значення одержаних результатів.
1. Уточнені статистичні властивості частково-відбитих радіосигналів і радіозавад будуть враховані при подальшій модернізації радарів часткових відбиттів.
2. Розроблені нові радіофізичні методи виявлення квазіперіодичних процесів істотно розширюють можливості радарів часткових відбиттів з дослідження мезосфери (нижньої іоносфери). Запропоновані методики оцінки параметрів хвилевих збурень можуть також використовуватися для оцінки параметрів короткочасних квазіперіодичних процесів різної природи, зокрема, багатьох видів надширокосмугових процесів.
3. Отримані регіональні значення параметрів вітру та хвилевих процесів у мезосфері стануть складовою частиною регіональної динамічної моделі мезосфери, а також дозволять частково заповнити істотні просторові “пропуски” в глобальних моделях динаміки атмосфери.
Особистий внесок здобувача. Наукові результати, представлені в дисертаційній роботі, отримані особисто автором або при його безпосередній участі і опубліковані в роботах [1 – 33].
У роботах, опублікованих у співавторстві, авторові належить наступне: статистичний аналіз обвідних радіозавад [1] і радіосигналів [2]; участь у розробці активного і пасивного методів, проведення комп'ютерного моделювання [3, 6, 8, 14, 16, 18, 26, 27]; обробка експериментальних даних і участь в обговоренні та інтерпретації отриманих результатів [4, 5, 12, 13, 17, 20, 21, 23, 25, 28]; участь у розробці основ адаптивного перетворення Фур’є, отримання перетворень модельних сигналів [7]; розрахунок виразів для критеріїв виявлення і оцінки параметрів сигналів, а також вірогідності помилкової тривоги, пропуску сигналу, похибок оцінки [9, 33]; отримання і аналіз параметрів хвилевих збурень електронної концентрації в нижній іоносфері під час геомагнітної бурі 7 – 10 листопада 2004 р. [10, 29 – 32]; моделювання залежностей відношення сигнал / завада від профілю електронної концентрації та робочої частоти радіосигналу, отримання і аналіз експериментальних залежностей цього відношення, участь в обговоренні та інтерпретації результатів [11].
Апробація результатів дисертації. Наукові результати, наведені в дисертаційній роботі, доповідалися на наступних конференціях: 6-th International Conference “Problems of Geocosmos” (St. Perersburg, Russia, 2006); Международная конференция по физике солнечно-земных связей (м. Іркутськ, Росія, 2004 р.); VII, VIII і IX Конференции молодых ученых в рамках Международной Байкальской молодежной научной школы по фундаментальной физике (м. Іркутськ, Росія, 2004, 2005 і 2007 рр.); Міжнародна конференція. Каразінські природознавчі студії (м. Харків, 2004 р.); XXI Всероссийская научная конференция по распространению радиоволн (м. Йошкар-Ола, Росія, 2005 р.);. Третя і Четверта Українські конференції з перспективних космічних досліджень (2003 і 2004 р.); П'ята, Шоста і Сьома Українські конференції з космічних досліджень (2005, 2006 і 2007 рр.); Школа-семінар для молодих учених “Наукові космічні дослідження” (2003 і 2004 рр.); Третя Харківська конференція молодих учених “Микроволновая электроника и радиолокация” до 100-річчя з дня народження академіка О. Я. Усикова (м. Харків, 2004 р.).
Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 33 наукових праці, у тому числі 11 статей у наукових фахових журналах та 22 статті в інших виданнях, доповіді та тези конференцій.
Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, додатку, що розміщується на 7 сторінках, та списку використаних джерел на 19 сторінках, який нараховує 177 найменувань. Робота містить 204 сторінки, з них 159 сторінок основного тексту. Усього в дисертації 53 рисунки, з яких 20 рисунків на 18 сторінках повністю займають площу сторінки, та 12 таблиць.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і завдання дослідження, показано новизну і практичне значення одержаних результатів, наведено відомості про їх апробацію та публікації.
У першому розділі “Аналітичний огляд” наведено основні методи і радіотехнічні засоби дослідження динаміки мезосфери. Детальніше описано радар часткових відбиттів Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна. У цьому розділі також подано відомості про радіозавади та частково-відбиті радіосигнали, описано основні методи аналізу характеристик радіосигналів. Особливу увагу приділено методу повного кореляційного аналізу. В даний час він є найбільш поширеним методом дослідження рухів в нижній іоносфері. Наведено огляд результатів досліджень гідродинамічних рухів в мезосфері.
Другий розділ “Статистичний аналіз характеристик радіосигналів” присвячений дослідженню статистичних характеристик радіозавад і частково-відбитих радіосигналів, а також теоретичному та експериментальному дослідженням відношення сигнал / завада. На підставі статистичного аналізу достатньо великого масиву значень обвідної звичайної компоненти радіозавади (біля 5105 відліків) з використанням критерію 2 Пірсона показано, що в 60 – 80 % випадків обвідна радіозавади розподілена за законом Пуассона (wP), а в 5 – 30 % випадків – за законом Релея – Райса (wR), що мають вигляд:
Тут A – обвідна, A0 – амплітуда когерентної складової, J0 – функція Бесселя першого роду, нульового порядку, – дисперсія процесу A(t), – параметр розподілу, – характеристична функція розподілу Пуассона, I0 – функція Бесселя другого роду нульового порядку.
Підтверджено, що радіозавада є широкосмуговим процесом, а кореляція між реєстраціями обвідних радіозавад, виміряних парою рознесених антен, відсутня. Слід зазначити, що аналіз статистичних характеристик радіозавад, що впливають на частково-відбиті сигнали, для різного часу доби, сезону та рівня магнітної активності до теперішнього часу не виконувався.
При дослідженні статистичних характеристик частково-відбитих радіосигналів статистичному аналізу піддавалися близько 105 значень обвідних звичайної компоненти цього сигналу при відношеннях сигнал/завада, що перевищували значення 3. Також використовувався критерій 2 Пірсона. Було встановлено, що в 40 – 70 % випадків обвідна розподілена за законом Пуассона, а в 30 – 50 % випадків – за законом Релея – Райса.
Також було підтверджено, що інтервал автокореляції обвідних частково-відбитого радіосигналу звичайно складає 1 – 2 с. Часові зсуви максимумів кроскореляційних функцій не перевищують декількох секунд.
У даному розділі було також уточнено і детально проаналізовано рівняння дистанційного зондування іоносфери в методі часткових відбиттів. Проведено модельні дослідження висотних і частотних залежностей відношення сигнал / завада для звичайної і незвичайної компонент частково-відбитого сигналу в спокійних умовах і в збурених умовах (у разі появи шарів підвищеної концентрації на різних висотах).
Було проведено експериментальні дослідження часових залежностей відношення сигнал / завада для різних сезонів і рівнів магнітної активності. Продемонстровано, що в діапазоні висот 70 – 90 км значення відношення сигнал / завада змінювалися приблизно на два порядки. Спостерігалися істотні часові варіації цього відношення, які можуть бути викликані проходженням атмосферних хвиль. Показано, що вертикальний розмір викликаних ними збурень складає не менше декількох десятків кілометрів. При високому рівні магнітної активності (сумарний за добу індекс Kp перевищував значення 30) спостерігалися сплески відношення сигнал / завада тривалістю 1 – 2 години, які можуть бути пов'язані з появою в мезосфері шарів підвищеної іонізації. При цьому значення цього відношення в максимумах сплесків приблизно на порядок перевищували його максимальні значення в спокійних умовах. Порівняння модельних і експериментальних профілів відношення сигнал / завада показало, що ці профілі задовільно узгоджуються один з одним.
Проведені дослідження підтвердили можливість застосування методу повного кореляційного аналізу для отримання параметрів вітру і неоднорідностей електронної концентрації в місці розташування радара часткових відбиттів, дозволили удосконалити цей метод. Отримані в даному розділі результати також використовувалися в наступному розділі під час розрахунку похибок радіофізичних методів виявлення і оцінки параметрів хвилевих збурень (ХЗ) у мезосфері.
Третій розділ “Методи та методики дослідження мезосфери за допомогою середньочастотного радара” присвячений методам і методикам дослідження гідродинамічних рухів в мезосфері.
Для дослідження гідродинамічних рухів в мезосфері було використано модифікований метод повного кореляційного аналізу. Цей метод в роботі піддався подальшому удосконаленню. Зокрема, для підвищення точності результатів було запропоновано перед проведенням повного кореляційного аналізу будувати розподіли обвідних частково-відбитих сигналів для всіх приймальних антен і відкидати ті часові інтервали, де ці розподіли істотно відрізняються від розподілу Релея.
Для дослідження ХЗ в мезосфері було розроблено два нові радіофізичні методи, що дозволяють отримувати інформацію про параметри ХЗ безпосередньо з параметрів сигналу з відносною похибкою не більше 30 %.
У активному радіофізичному методі аналізується зворотно-розсіяне (ЗР) радіовипромінювання власного радіопередавального пристрою.
Як вихідні були вибрані рівняння для дисперсії флуктуацій електронної концентрації в нижній іоносфері, що має вигляд:
, (1)
а також вираз для середньоквадратичних значень обвідних ЗР сигналів на заданій висоті
(2)
Тут t – поточний час, N – концентрація електронів, Da і Dt – коефіцієнти амбіполярної та турбулентної дифузії відповідно, – час зміни N за рахунок процесів прилипання і рекомбінації електронів, C – величина, що залежить від параметрів радара, характеристик каналу поширення та висоти досліджуваної області іоносфери, , – циклічна частота радіохвилі, L – подовжня складова гірочастоти електронів ( МГц в місці розташування радара), K± – інтегральний коефіцієнт поглинання при одноразовому проходженні сигналу, риска зверху позначає усереднення за часом, знаки “+” і “–” відносяться до звичайної та незвичайної компонент відповідно.
Для квазіперіодичних варіацій електронної концентрації справедливі співвідношення:
, (3)
де
, .
Тут , k, 0j и Nm – частота, хвилевий вектор, початкова фаза та відносна амплітуда ХЗ, r – радіус-вектор, нульовим індексом будемо позначати значення параметра у відсутність ХЗ.
Для простоти вважалося, що для ХЗ з періодами T 5 хв зміна N, концентрації нейтралів Nn, температури електронів Te, іонів Ti і нейтралів Tn відбувається синфазно і справедливі приблизні співвідношення:
, . (4)
Оскільки ефективна частота зіткнень електронів з нейтралами , отримаємо наступний вираз:
. (5)
З (1) – (5) можна вивести остаточний вираз, що пов'язує ХЗ параметрів сигналу і середовища :
.
У пасивному радіофізичному методі аналізується шумоподібне радіовипромінювання середньочастотного – високочастотного діапазонів, що поширюється в хвилеводі Земля – іоносфера.
Проходження атмосферних хвиль викликає модуляцію N, а значить і модуляцію інтегрального коефіцієнта поглинання іоносферної хвилі завади K±in. У загальному випадку для обвідної радіозавади маємо , де
.
Тут j позначає номер променя, що інтерферує; і – початкові фази іоносферної і земної хвиль з обвідними і . Для отримуємо вираз:
, (6)
де
, ;
Ken і – відповідно інтегральний коефіцієнт поглинання земної і іоносферної хвиль; і – значення і у відсутність поглинання. При виведенні (6) вважалося, що .
Виходячи з (6), з використанням (3) – (5) можна отримати таке співвідношення між ХЗ параметрів радіосигналу і середовища :
де
Для активного і пасивного методів при значеннях відносних амплітуд електронної концентрації 1 – 5 % відносна похибка їх визначення звичайно не перевищує 30 %, а у низці випадків зменшується до одиниць відсотків.
Для знаходження відносних амплітуд, періодів і тривалості ХЗ необхідно застосовувати методи спектрального аналізу. Для визначення параметрів спектральних складових сигналів звичайно використовується віконне перетворення Фур’є. Одним з його недоліків є однакове розділення за часом для всіх спектральних складових, що визначається шириною віконної функції. Це призводить до “розмазування” спектральних складових малої тривалості по всьому інтервалу обробки і утрудняє їх часову локалізацію. Така проблема є особливо актуальною при дослідженні ХЗ, тривалість яких звичайно складає декілька періодів.
Для усунення цього недоліку було запропоновано узагальнення віконного перетворення Фур’є на основі побудови самоподібного базису. Таке перетворення було назване адаптивним перетворенням Фур’є. Воно має вигляд:
(7)
Тут f(t) – аналізований сигнал, a – параметр масштабування, – параметр зсуву віконної функції в часовій області, – коефіцієнт, який дорівнює числу періодів гармонійної функції, що укладаються на ширині віконної функції при даному .
З (7) видно, що адаптивне перетворення Фур’є є трьохпараметричним. Показано, що адаптивне перетворення Фур’є в порівнянні з віконним перетворенням має краще відносне розділення за періодом для малих відносних періодів і краще відносне розділення за часом для великих відносних періодів.
Відомо, що під час інтерпретації результатів спектрального аналізу завжди присутній суб'єктивізм, оскільки рішення про наявність тих або інших спектральних складових в складному сигналі за наявності завад часто будується на підставі якісного аналізу. Для усунення суб'єктивних чинників при знаходженні параметрів ХЗ було запропоновано використовувати статистичний підхід, що ґрунтується на теорії оптимального виявлення і оптимального оцінювання параметрів сигналів, який давно і успішно застосовується для виявлення і оцінки параметрів радіосигналів.
Як видно з рис. 1, використання алгоритмів теорії оптимального виявлення і оптимального оцінювання дозволяє фільтрувати аперіодичні процеси, а також точніше локалізовувати спектральні складові сигналу на часо-періодній площині.
Розроблені і вдосконалені методи і методики надалі використовувалися для встановлення регіональної поведінки вітру і ХЗ у мезосфері.
У четвертому розділі “Результати дослідження динамічних процесів у мезосфері” наведено регіональні залежності величини та напряму швидкості вітру, а також параметрів хвилевих збурень у мезосфері.
Рис. 1. Результати застосування до модельного сигналу (а) і квазіперіодичного процесу, що спостерігається в мезосфері, (б) (перша панель) віконного перетворення Фур’є (друга панель), адаптивного перетворення Фур’є (третя панель) і алгоритмів теорії оптимального виявлення і оптимального оцінювання параметрів сигналу (четверта панель)
Параметри вітру в мезосфері було отримано за допомогою методу повного кореляційного аналізу за даними, виміряними в 2002 – 2004 рр. Всього було оброблено більше 280 год спостережень для 3 – 4 висот.
Величина швидкості вітру звичайно складала 10 – 80 м/с. Мали місце значні варіації величини (у 2 – 5 разів) і напряму (на 140 – 180°) швидкості вітру за час спостереження. Було проведено статистичний аналіз величини, напряму, зональної і меридіональної швидкостей вітру для різних сезонів і рівнів магнітної активності. З рис. 2 видно, що навесні і восени величина вектора швидкості вітру невелика і звичайно лежала в діапазоні 0 – 40 м/с. Вектор швидкості мав різні напрями з деяким переважанням південного, особливо у весняний час. У зимовий час його найбільш імовірне значення складало близько 40 м/с. Взимку спостерігався яскраво виражений переважаючий напрям вектора швидкості на південь ( 180).
Рис. 2. Гістограми величини (а) і напряму (б) швидкості вітру для весни (верхня панель), осені (середня панель) і зими (нижня панель). Тут V – в м/с, – в градусах
Виявлено, що в магнітозбурені дні значення величини горизонтальної швидкості вітру, а також абсолютних значень її зональної і меридіональної складових звичайно менше, ніж в незбурені дні. У магнітозбурені дні вектор швидкості мав переважаючий напрям на південь, а за відсутності збурень напрям на південь і на північ приблизно рівноправні.
Параметри ХЗ в мезосфері було отримано за даними, виміряними в 2000 – 2007 рр. Всього було оброблено більше 200 год вимірювань обвідних частково-відбитого сигналу для 1 – 3 висот і більше 200 год обвідної радіозавади.
Як видно з рис. 3, ХЗ з періодами 5 – 120 хв спостерігалися практично завжди. Середня відносна амплітуда ХЗ складала 2 – 4 %, а її максимальне значення досягало 7 – 15 %. Не знайдено статистично значимих змін параметрів ХЗ від часу доби і сезону.
Рис. 3. Приклади відносних частот і залежностей відносної сумарної тривалості коливань t від їх періоду для денного (а, б) і нічного (в) часу доби, отримані активним (а) і пасивним (б, в) методами
Виявлено збільшення відносних амплітуд цих збурень із зростанням магнітної активності, а також збільшення сумарної відносної тривалості ХЗ із зростанням їх періоду.
Основні результати дисертаційної роботи наведено у висновках.
Додаток А містить опис методики повного кореляційного аналізу.
ВИСНОВКИ
У дисертаційній роботі уточнено статистичні характеристики радіосигналів, підвищено точність виявлення та оцінки параметрів гідродинамічних рухів шляхом вдосконалення існуючих та розробки нових радіофізичних методів, а також за допомогою цих методів отримано регіональні залежності параметрів вітру та хвильових збурень у мезосфері.
Основні результати дисертаційної роботи наступні.
1. З використанням методів статистичної радіофізики на підставі достатньо великих масивів даних отримано та проаналізовано статистичні характеристики радіосигналів і радіозавад, а також висотні, добові та сезонні залежності відношення сигнал / завада при різних рівнях магнітної активності. Встановлено, що в 40 – 80 % випадків розподіли обвідних радіосигналів апроксимуються законом Пуассона. Показано, що визначення параметрів динамічних процесів можливе за даними, виміряними в денний час доби на висотах 65 – 90 км.
2. Розроблено та застосовано нові радіофізичні методи виявлення хвилевих збурень в мезосфері. Проведено оцінку мінімально досяжних похибок результатів. Встановлено, що мінімальні отримувані значення амплітуд відносних варіацій електронної концентрації звичайно складають 1 – 5 % (при відносній похибці, що не перевищує 30%).
3. Запропоновано адаптивне перетворення Фур’є. Продемонстровано, що для виявлення і оцінки параметрів низки реальних квазіперіодичних процесів застосування даного перетворення є більш слушним, ніж віконного перетворення Фур’є та аналітичного вейвлет-перетворення. Показано, що вже при відношенні сигнал / завада, що дорівнює 0.1, використання даного перетворення дозволяє виявити корисний сигнал.
4. Доведено доцільність і показано ефективність застосування статистичного підходу, що ґрунтується на теорії оптимального виявлення і оцінювання параметрів сигналів, для виявлення і оцінки параметрів короткочасних квазіперіодичних процесів.
5. Отримано регіональні добові і сезонні залежності вектора швидкості вітру в мезосфері. Показано, що величина швидкості вітру звичайно складає
10 – 80 м/с. Виявлено значні варіації величини (у 2 – 5 разів) і напряму (на 140 – 180°) швидкості вітру за час спостереження.
6. Визначено регіональні добові і сезонні залежності параметрів динамічних процесів в мезосфері при різних рівнях магнітної активності. Проілюстровано, що хвилеві збурення з періодами 5 – 120 хв спостерігаються практично завжди. Їх середня відносна амплітуда складала 2 – 4 %, а її максимальне значення досягало 7 – 15 %.
7. Отримані результати дозволять контролювати похибки параметрів динамічних процесів і уточнити модель середовища. Розроблені радіофізичні методи істотно розширюють можливості середньочастотних радарів часткових відбиттів при дослідженні мезосфери.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Статистические характеристики помех, воздействующих на сигналы радара частичных отражений // Радиофизика и электроника. Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. – 2003. – Т. 8, № 2. – С. 295 – 303.
2. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Статистические характеристики радиосигналов, принимаемых радаром частичных отражений // Радиофизика и электроника. Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. – 2004. – Т. 9, № 1. – С. 234 – 247.
3. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Радарные наблюдения квазипериодических процессов в мезосфере. 1. Теоретические основы и результаты компьютерного моделирования // Радиофизика и радиоастрономия. – 2004. – Т. 9, № 4. – С. 404 – 416.
4. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Радарные методы наблюдения квазипериодических процессов в мезосфере. 2. Методика и результаты наблюдения // Радиофизика и радиоастрономия. – 2005. – Т. 10, № 1. – С. 38 – 49.
5. Панасенко С. В., Розуменко В. Т., Тырнов О. Ф., Черногор Л. Ф. Результаты исследования динамических процессов в мезосфере при помощи радара частичных отражений // Успехи современной радиоэлектроники. – 2005. – № 3. – С. 36 – 54.
6. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Результаты радиофизических исследований волновых возмущений в нижней ионосфере // Успехи современной радиоэлектроники. – 2005. – № 7. – С. 38 – 56.
7. Лазоренко О. В., Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Адаптивное преобразование Фурье // Электромагнитные волны и электронные системы. – 2005. – Т. 10, № 10. – С. 39 – 49.
8. Panasenko S. V., Chernogor L. F. Detection of Wave Disturbances in the Mesosphere Using a MF – HF Radar // Geomagnetizm and Aeronomy. – 2006. –
V. 46, № 4. – P. 496 – 506.
Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Выявление волновых возмущений в мезосфере с помощью СЧ – ВЧ – радара // Геомагнетизм и аэрономия. – 2006. – Т. 46, № 4. – С. 525 – 535.
9. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Оптимальное обнаружение и оптимальное оценивание параметров кратковременных квазипериодических процессов // Радиофизика и радиоастрономия. – 2007. – Т. 12, № 1. – С. 61 – 75.
10. Panasenko S. V., Chernogor L. F. Event of the November 7–10, 2004, Magnetic Storm in the Lower Ionosphere // Geomagnetism and Aeronomy. – 2007. – V. 47, № 5. – P. 608 – 620.
Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Проявления магнитной бури 7 – ноября 2004 г. в нижней ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. – 2007. – Т. 47, № 5. – С. 646 – 658.
11. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений // Радиофизика и радиоастрономия. – 2007. – Т. 12, № 4. – С. 385 – 398.
Результати дисертації додатково викладено в наступних роботах
12. Панасенко С. В., Розуменко В. Т., Тырнов О. Ф., Черногор Л. Ф. Динамические процессы в среднеширотной мезосфере // Космічна наука і технологія. – 2006. – Т. 12, № 2/3. – С. 37 – 44.
13. Панасенко С. В., Розуменко В. Т., Тырнов О. Ф., Черногор Л. Ф. Результаты исследования динамических процессов в нижней ионосфере // Космічна наука і технологія. – 2003. – Т. 9, № 5/6. – С. 76 – 80.
14. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Результаты исследования волновых возмущений в мезосфере // Космічна наука і технологія. – 2004. – Т. 10, № 5/6. – С. 122 – 127.
15. Панасенко С. В. Параметры динамических процессов в области мезопаузы по данным харьковского радара частичных отражений // Взаимодействие полей и излучения с веществом: Труды VII конференции молодых ученых. Иркутск, 13 – 18 сентября 2004 г. –
С. 148 – 151.
16. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Активный и пассивный методы наблюдения волновых возмущений в нижней ионосфере при помощи обратно-рассеянных СЧ – ВЧ радиосигналов // Распространение радиоволн: XXI Всероссийская научная конференция. Сборник докладов. Йошкар-Ола, 25 – 27 мая 2005 г. – Т. 1. – С. 267 – 271.
17. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Радарные наблюдения волновых возмущений в мезосфере // Распространение радиоволн: XXI Всероссийская научная конференция Сборник докладов. Йошкар-Ола, 25 – 27 мая 2005 г. – Т. 1. –С. 272 – 276.
18. Гритчин А. И., Панасенко С. В. Параметры волновых возмущений в мезосфере по данным Харьковского радара среднечастотного диапазона // Астрофизика и физика околоземного космического пространства: Труды VIII конференции молодых ученых. Иркутск, 12 – 17 сентября 2005 г. – С. 126 – 129.
19. Панасенко С. В. Возмущения нижней ионосферы во время сверхсильной геокосмической бури 7 – 10 ноября 2004 г. // Физические процессы в космосе и околоземной среде: IX Конференция молодых ученых. Иркутск, 11 – 16 сентября 2005 г. – С. 150 – 154.
20. Панасенко С. В., Розуменко В. Т., Тырнов О. Ф. Методика и результаты исследования динамики мезосферы и нижней термосферы при помощи радара частичных отражений. // Наукові космічні дослідження: Школа-семінар для молодих науковців. Матеріали доповідей. Жукін, Київська область, 1 – 7 липня 2003 р. – С. 39 – 41.
21. Панасенко С. В., Розуменко В. Т., Тырнов О. Ф., Черногор Л. Ф. Результаты исследования динамических процессов в нижней ионосфере //Сборник тезисов Третьей Украинской конференции по перспективным космическим исследованиям. Кацивели, Крым, 14 – 21 сентября 2003 г. – С. 91.
22. Панасенко С. В. Радиофизический метод исследования динамики мезосферы // Микроволновая электроника и радиолокация: Третья Харьковская конференция молодых ученых. К 100-летию со дня рождения академика А. Я. Усикова. Программа конференции и сборник аннотаций. Харьков, 12 – 15 января 2004 г. – С. 40 – 41.
23. Панасенко С. В., Розуменко В. Т., Тирнов О. Ф., Чорногор Л. Ф. Динамічні процеси на мезосферних висотах // Каразінські природознавчі студії: Міжнародна конференція. Матеріали конференції. Харків, 14 – 16 червня 2004 р. – С. 151 – 153.
24. Панасенко С. В. Вариации скорости ветра в верхней мезосфере // Наукові космічні дослідження: Школа-семінар для молодих науковців. Матеріали виступів. Жукін, Київська область, 5 – 11 липня 2004 р. – С. 23.
25. Панасенко С. В., Розуменко В. Т., Тырнов О. Ф., Черногор Л. Ф. Параметры динамических процессов в мезосфере // Сборник тезисов Четвертой Украинской конференции по перспективным космическим исследованиям. Понизовка, Крым, 19 – 26 сентября 2004 г. – С. 57.
26. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Результаты исследования волновых возмущений в мезосфере. // Сборник тезисов Четвертой Украинской конференции по перспективным космическим исследованиям. Понизовка, Крым, 19 – 26 сентября 2004 г. – С. 98.
27. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Волновые возмущения электронной концентрации в мезосфере над Харьковом // Международная конференция по физике солнечно-земных связей. Тезисы докладов. Иркутск, 20 – 25 сентября 2004 г. – С. 59.
28. Панасенко С. В., Розуменко В. Т., Тырнов О. Ф., Черногор Л. Ф. Движения неоднородностей электронной концентрации в D-области ионосферы // Международная конференция по физике солнечно-земных связей. Тезисы докладов. Иркутск, 20 – 25 сентября 2004 г. – С. 60.
29. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Волновые возмущения в нижней ионосфере, сопровождавшие магнитную бурю 7 – 10 ноября 2004 г. // Пятая Украинская конференция по космическим исследованиям. Сборник тезисов. НЦУИКС, Евпатория, 4 – 11 сентября 2005 г. – С. 90.
30. Chernogor L. F., Panasenko S. V. Observations of wave disturbances in the mesosphere during the November 7 – 10, 2004 extreme storm // Problems of Geocosmos: 6-th International Conference. Book of Abstracts. St. Petersburg, Petrodvorets, 23 – 27 May, 2006. – P. 186 – 187.
31. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Эффекты сильнейшей геокосмической бури 7 – 11 ноября 2004 г. в нижней ионосфере // Шестая Украинская конференция по космическим исследованиям. Сборник тезисов. НЦУИКС, Евпатория, 3 – 10 сентября 2006 г. – С. 65.
32. Гармаш К. П., Леус С. Г., Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Квазипериодические процессы в течение магнитной бури 7 – 11 ноября 2004 г. // Шестая Украинская конференция по космическим исследованиям. Сборник тезисов. НЦУИКС, Евпатория, 3 – 10 сентября 2006 г. – С. 66.
33. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Результаты применения алгоритмов оптимального обнаружения и оптимального оценивания параметров волновых возмущений в мезосфере // Сьома Українська конференція з космічних досліджень. Збірник тез. Крим, Євпаторія, 3 – 8 вересня 2007 р. – С. 73.
АНОТАЦІЯ
Панасенко С. В. Варіації статистичних характеристик радіосигналів радара часткових відбиттів, викликаних динамічними процесами в мезосфері. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика. – Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна. – Харків, 2007.
У дисертації отримано статистичні характеристики обвідних радіозавади та частково-відбитого радіосигналу, а також відношення сигнал/завада на основі аналізу достатньо великих масивів даних (105 – 106 значень). Вдосконалено методику отримання параметрів вітру за допомогою повного кореляційного аналізу. Розроблено два нових радіофізичних методи виявлення хвилевих збурень в мезосфері. Запропоновано адаптивне перетворення Фур’є, а також застосовано статистичний підхід, що ґрунтується на теорії оптимального виявлення і оптимального оцінювання параметрів сигналів. Встановлено регіональні залежності вектора швидкості вітру і хвилевих збурень в мезосфері від часу доби, сезону і рівня магнітної активності.
Ключові слова: радіозавада, частково-відбитий радіосигнал, статистичні характеристики, повний кореляційний аналіз, радіофізичні методи, хвилеві збурення в мезосфері.
АННОТАЦИЯ
Панасенко С. В. Вариации статистических характеристик радиосигналов радара частичных отражений, вызванных динамическими процессами в мезосфере. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 – радиофизика. – Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина. – Харьков, 2007.
Диссертация посвящена определению и анализу статистических характеристик частично-отраженных радиосигналов и радиопомех, теоретическому и экспериментальному исследованию отношения сигнал / помеха; разработке и усовершенствованию методов и методик определения параметров ветра и волновых возмущений в мезосфере, а также установлению региональных зависимостей этих параметров от времени суток, сезона и уровня магнитной активности.
На основании статистического анализа порядка 106 значений огибающей радиопомехи установлено, что огибающая радиопомехи в 60 – 80 % случаев распределена по закону Пуассона. Показано, что радиопомеха является широкополосным процессом, корреляция между регистрациями радиопомех, измеренных парой разнесенных на расстояние 110 – 160 м антенн, отсутствует. Анализ экспериментальных данных (173 массива по 562 значения каждый) показал, что распределение огибающих частично-отраженного сигнала в одни временные интервалы (в 40 – 80 % случаев) соответствовало закону Пуассона, а в другие – Рэлея – Райса. Для 5 – 10 % временных рядов не удалось аппроксимировать распределения огибающих известными законами распределения. Подтверждено, что интервал автокорреляции обычно составляет 1 – 2 с. Временные сдвиги максимумов кросскорреляционных функций не превышали нескольких секунд.
С учетом кинетических поправок уточнено уравнение дистанционного зондирования ионосферы в методе частичных отражений. Проведены модельные исследования высотных и частотных зависимостей отношения сигнал/помеха для обыкновенной и необыкновенной компонент ЧО сигнала в спокойных и магнитовозмущенных условиях. Найдены пределы применимости различных методик получения параметров нижней ионосферы.
Проведены экспериментальные исследования суточной, сезонной зависимостей отношения сигнал / помеха. Сравнение модельных и экспериментальных высотных профилей отношения сигнал / помеха показало, что имеет место их удовлетворительное согласие.
Усовершенствована и адаптирована методика модифицированного полного корреляционного анализа с учетом геометрии антенной системы радара частичных отражений ХНУ имени В. Н. Каразина. Разработаны теоретические основы активного и пассивного радиофизических методов выявления волновых возмущений в нижней ионосфере. Получены выражения для погрешностей определения относительных амплитуд волновых возмущений электронной концентрации активным и пассивным методами. Показано, что минимальные восстанавливаемые значения амплитуд относительных вариаций электронной концентрации обычно имеют значения 0.01 – 0.05 (при относительной погрешности, не превышающей 30%).
Предложено и развито адаптивное преобразование Фурье, занимающее промежуточное место между преобразованием Фурье и вейвлет-преобразованием. Продемонстрировано, что для ряда форм сигналов применение данного преобразования является более предпочтительным, чем аналитическое вейвлет-преобразование.
Обосновано, что для обнаружения и оценки параметров кратковременных квазипериодических процессов целесообразно применять статистический подход, основанный на теории оптимального обнаружения и оптимального оценивания. Показано, что предложенный подход дает возможность улучшить время-периодную локализацию квазипериодического процесса.
Установлено, что величина вектора скорости ветра в мезосфере обычно составляет 10 – 80 м/с. Обнаружены значительные вариации величины (в 2 – 5 раз) и направления (на 140 – 180) скоростей ветра. Выявлены квазипериодические вариации зональной и меридиональной компонент вектора скорости ветра с периодами 10 – 120 мин. Показано, что амплитуды этих колебаний обычно не превышают 8 м/c. Проведен статистический анализ величины, направления, зональной и меридиональной скорости ветра для различных сезонов и уровней магнитной активности.
Получены зависимости параметров волновых возмущений. Установлено, что волновые возмущения с периодами 5 – 120 мин наблюдались практически всегда. Результаты статистического анализа показали, что средняя относительная амплитуда этих возмущений составила 0.02 – 0.04, а ее максимальное значение равнялось 0.07 – 0.15. Выявлено увеличение суммарной относительной продолжительности волновых возмущений с ростом их периода.
Ключевые слова: радиопомеха, частично-отраженный радиосигнал, статистические характеристики, полный корреляционный анализ, радиофизические методы, волновые возмущения в мезосфере.
SUMMARY
Panasenko S. V. Radio signal statistical characteristics variations of partition reflection radar caused by the dynamical processes in the mesosphere. – Manuscript.
Thesis for candidate’s degree in physics and mathematics by specialty 01.04.03 – radio physics. – V. N. Karazin Kharkiv National University, 2007.
Statistical characteristics of envelopes of radio interference and partition reflection radio signal as well as signal-to-noise ratio are determined in the thesis based on the analysis of large enough data arrays (105 – 106 values). The method for determining wind parameters by full correlation analysis is improved. Two new radio physics techniques for detection of wave disturbances in the mesosphere are developed. Adaptive Fourier transform as well as the statistical approach based on the theory of optimal detection and optimal estimation of signal parameters are suggested for estimation of their parameters. Regional dependences of the wind velocity vector and wave disturbances on time of day, season and level of magnetic activity are determined.
Key words: radio interference, partition reflection radio signal, statistical characteristics, full correlation analysis, radio physics techniques, wave disturbances in the mesosphere.