Исследование излучателей и сигналов ионозонда и георадара для диагностики геофизических сред

Предметом исследования в диссертации являются излучатели и сигналы, применяемые для вертикального зондирования ионосферы с помощью наземных геофизических комплексов. В диссертации анализируются характеристики антенн ионозондов в ближней зоне и вблизи земной поверхности. С этих позиций также рассмотрена работа антенн георадара с применением видеоимпульсов для зондирования подповерхностных аномалий проводимости и диэлектрической проницаемости. В диссертации эти темы объединены в связи с тем, что излучатели для ионозонда и георадара должны быть: во-первых, широкополосными с коэффициентом перекрытия по частоте не менее 10, а во-вторых, обе системы работают на границе раздела контрастных радиофизических сред.

Актуальность работы. Целью зондирования ионосферы радиоволнами с помощью ионозондов всех типов является оперативное получение параметров состояния ионосферной плазмы. Достоверные, неискаженные радиотехническими средствами, данные о характеристиках ионизированных слоев важны как для исследований состояния самой ионосферы, так и для практики коротковолновой связи. Расширить информативность ионозонда для получения информации о D области ионосферы позволяют измерения поглощения радиоволн, проводимые на ряде фиксированных частот нижнего участка диапазона зондирования. Зачастую успех таких исследований определяет правильный выбор приемных и передающих антенных систем, а также выбор вида зондирующих сигналов. Поэтому создание широкополосного излучателя (0,5−20 МГц.) с диаграммой направленности в зенит с наименьшим количеством боковых лепестков и равномерным значением коэффициента усиления по диапазону частот считается одной из самых сложных задач в построении измерительных комплексов радиозондирования ионосферы. Снижение мощности передающих устройств ионозондов, диктуемое как техническими, так и экологическими требованиями, выдвигает на первый план актуальность оптимизации параметров антенных систем и использующихся при радиозондировании ионосферы различного вида широкополосных сигналов.

В георадарных излучателях близость земли играет решающую роль в передаче энергии в подповерхностный слой земли. Антенная система георадара должна иметь широкую полосу частот и в тоже время очень низкую добротность, т.к. время переходного процесса не должно превышать первые несколько наносекунд. Особый случай представляет вариант георадара для дистанционного зондирования подповерхностного слоя земли, когда георадар с антенной размещается непосредственно над поверхностью земли. Вопросы исследования георадарных антенн для дистанционного зондирования подповерхностной среды весьма актуальны, поскольку на настоящий момент для этой цели используются классические радиолокаторы с присущими им ограничениями по выполнению таких функций.

В обоих случаях излучатели для работы ионозонда и георадара должны быть не только широкополосными с большим коэффициентом перекрытия по частоте, но иметь хорошее согласование с передающим устройством.

Измерения поглощения радиоволн методом А1 дополняют информацию о состоянии слоев D и Е ионосферы необходимую для решения ряда задач энергетики и распространения радиоволн и физики ионосферы.

Кроме того, остаются актуальными и вопросы изучения пространственно-временной структуры практически всех слоев ионосферы, включая область D. Поэтому получение экспериментальных данных не только о средних геофизических параметрах ионосферы, но также и об их пространственных неоднородностях и временных вариациях с помощью методов вертикального зондирования и ионосферного поглощения радиоволн важны и в наши дни.

Цель работы. 1. Экспериментальное исследование сигналов излучения с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой для увеличения точности измерения действующих высот отражения ионосферы в процессе измерения ионосферного поглощения радиоволн.

2. Проведение компьютерного моделирования находящихся в эксплуатации антенн ионозондов и выработке рекомендаций по повышению эффективности их работы.

3. Обоснование принципов построения новых излучателей ионозондов.

4. Разработка и экспериментальная апробация антенны для георадара, работающего с применением видеосигнала. Расчет антенной системы для георадара воздушного базирования.

5. Подготовка комплекса аппаратуры для экспедиций и получение экспериментальных данных параметров ионосферы в акватории Мирового океана, анализ данных измерений.

Научная новизна работы. 1. Впервые использовано зондирующее излучение с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой в процессе измерения ионосферного поглощения радиоволн, что позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя Е (до среднестатистических 0.3 км.).

2. Аналитическими расчетами и путем компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате: а) выработаны рекомендации для улучшения параметров существующих антенн как стационарных, так и экспедиционных ионозондов (диаграммы направленности в зенит, коэффициента усиления по диапазону радиозондирования и т. д.) — б) создана эффективная методика расчета ромбических антенн ионозонда и обоснованы принципы построения новых антенных систем для измерения поглощения радиоволнв) впервые предложена синтезированная активная антенна для ионосферного измерительного комплекса.

3. Исследованы и внедрены в эксплуатацию дипольные резистивно-пагруженные антенны георадара. Впервые рассчитана антенная система гсорадара для воздушного размещения.

4. Получен большой массив экспериментальных данных по измерениям поглощения радиоволн и данных вертикального импульсного радиозондирования на акватории Мирового океана. На основании полученных данных выявлены неоднородности в широтно-долготном распределении величины поглощения.

Научная и практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы являются вкладом в дальнейшее развитие радиофизических методов и инструментов исследования среды и дают новые возможности в получении экспериментальных данных.

Результаты проведенных исследований доведены до практического воплощения в виде макетов, работающих систем и устройств.

Разработанные и защищенные патентом РФ георадары используются в геологии, археологии, на стройплощадках, в коммунальном хозяйстве и других областях народного хозяйства, где нужно получить информацию о подземных и подводных объектах.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Экспериментально установлено, что применение зондирующего излучения с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой в процессе измерения ионосферного поглощения радиоволн позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя Е (до среднестатистических 0.3 км.).

2. Аналитическими расчетами и методом компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате: а) выработаны рекомендации и методика расчетов для улучшения параметров существующих антенн ионозондов и установок измерения поглощения радиоволнб) обоснованы принципы построения новых антенн для ионосферного измерительного комплекса.

3. Исследованы антенны георадара. Проведена экспериментальная проверка макетов антенн. Принята в эксплуатацию дипольная антенна с распределенной резистивной нагрузкой. Предложена антенная система для георадара воздушного базирования.

Экспериментально установлено, что существуют зоны неоднородности в широтно-долготном распределении поглощения радиоволн в ионосфере в планетарном масштабе.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы автора докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях: XI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн, Казанский Государственный университет, 1975, 6-th International Conference on.

Ground Penetrating Radars. GPR'96, Sendai, Japan, Sept. 30-oct. 3, 1996, International microwave conference MICON-96, Poland, Warsaw, May 27−30, 1996, 52 Научная сессия, посвященная Дню радио, Москва, МГУ, 1997, XIV региональная конференция по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, 2008. Результаты исследований по теме диссертации неоднократно обсуждались на научных семинарах в ИЗМИР АН.

Личный вклад автора. Результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии.

Автором предложен, исследован и применен на практике метод использования импульсных сигналов с внутриимпульсной частотной модуляцией для повышения точности измерения действующих высот отражений радиоволн от ионосферы фазовым методом. Итогом этой работы явилось создание коллективом сотрудников ИЗМИР АН, при ведущем участии автора, аппаратно-измерительного комплекса «Парус» для измерения поглощения радиоволн. Дальнейшая модификация комплекса позволила создать ионозонд «Парус».

Автором лично создана и экспериментально проверена судовая антенна для ионозондов. Автором проведены исследования передающих антенн ионозонда путем компьютерного моделирования, в результате чего внесен ряд предложений по усовершенствованию существующих антенн. Предложена методика расчета ромбических антенн ионозонда, определены пути дальнейшего развития передающих антенн ионозондов.

Автор принимал самое непосредственное участие в подготовке аппаратуры и проведении экспедиций на научно-исследовательских судах НИС «Академик Курчатов» и Академик Королев". Обработка данных измерений, выполненная с участием автора по результатам экспериментов в экспедициях, позволила выявить неоднородное распределение поглощения радиоволн в планетарном масштабе.

Автором лично испытано большое количество макетов передающих и приемных антенн георадаров, рассмотрены вопросы согласования их с приемниками. Внедрена в практику дипольная антенна с распределенной резисторной нагрузкой. Автором определены требования и произведены расчеты антенной системы георадара воздушного базирования.

Объём и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения изложенных на 135 страницах. Она содержит 55 рисунков, 5 таблиц и библиографию из 87 наименований.

Заключение

:

На основе приведенного материала в диссертации можно утверждать, что основные цели и задачи решены:

— Впервые использовано зондирующее излучение с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой и измерения ее фазы для процесса измерения ионосферного поглощения радиоволн, что позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя Е (до среднестатистических 0.3 км.).

— Аналитическими расчетами и путем компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате: а) выработаны рекомендации для улучшения параметров существующих антенн как стационарных, так и экспедиционных ионозондов (диаграммы направленности, коэффициента усиления по диапазону и т. д.) — б) создана более эффективная методика расчета ромбических антенн ионозонда и обоснованы принципы построения новых антенных систем для измерения поглощения радиоволнв) впервые предложена синтезированная активная передающая антенна для ионосферного измерительного комплекса.

— Исследованы и внедрены в эксплуатацию дипольные резистивно-нагруженные антенны георадара. Впервые рассчитана антенная система георадара для воздушного размещения.

— Получен большой массив экспериментальных данных по измерениям поглощения радиоволн и данных вертикального импульсного радиозондирования на акватории Мирового океана. На основании полученных данных выявлены неоднородности в широтно-долготном распределении величины поглощения.

По нашему мнению результаты диссертационной работы являются существенным вкладом в дальнейшее развитие радиофизических методов и инструментов исследования среды и дают новые возможности в получении экспериментальных данных.

Результаты проведенных исследований доведены до практического воплощения в виде макетов, работающих систем и устройств.

Разработанные и защищенные патентом РФ георадары используются в геологии, археологии, на стройплощадках, в коммунальном хозяйстве и других областях народного хозяйства, где нужно получить информацию о подземных и подводных объектах или состоянии среды.

Благодарности:

Автор выражает искреннюю благодарность всем соавторам и коллегам по ИЗМИРАН и других организаций, с которыми представилась возможность плодотворно работать на протяжении многих лет, за их вклад в результаты представленной работы.

Автор благодарит своего руководителя А. Н. Козлова, который помимо руководства, является вдохновителем написания данной работы.

Автор благодарит дирекцию ИЗМИРАН за поддержку и проявленный интерес к работе.