Теоретическое и экспериментальное исследование флуктуаций волновых полей при интерферометрической диагностике турбулентных потоков

Актуальность темы

диссертации:

Изучение турбулентных сред и исследование их влияния на распространяющееся излучение является традиционным направлением радиофизики. Важное практическое значение имеет развитие методов дистанционной диагностики, служащих для получения информации о параметрах среды распространения и их динамике. Результаты дистанционного зондирования используются для решения различных научных и прикладных задач радиоастрономии, оптики, геофизики, медицины и т. д.

Метод зондирования — один из основных методов дистанционной диагностики природных и искусственных сред — заключается в просвечивании среды эталонными сигналами и анализе их искажений, вызванных неоднородностями среды распространения. Перспективным направлением в исследованиях турбулентных сред является использование методов интерферометрии. При интерферометрическом приеме излучение, распространяющееся через турбулентную среду, принимается в двух разнесенных пунктах. Оценки параметров среды в этом случае можно получить из анализа относительных фазовых, частотных и амплитудных флуктуаций излучения, возникающих на независимых трассах распространения под воздействием турбулентности. Особенность рассматриваемого в диссертации метода состоит в том, что диагностика среды осуществляется как при зондировании среды монохроматическими сигналами искусственных излучателей, так и при приеме широкополосного шумового излучения естественных источников.

Интерферометрический метод диагностики сред может применяться для изучения турбулентных потоков как в естественных условиях (океанских течений, газовых и плазменных потоков в ближнем и дальнем космосе), так и в искусственно созданных струях, пограничных слоях, плазменных образованиях. Особый интерес представляет исследование космических сред — ионосферы Земли, короны Солнца, межпланетной и межзвездной среды. Околосолнечная плазма и плазма солнечного ветра оказывают наибольшее влияние на проходящее через них излучение, что сказывается на результатах радиоастрономических и астрометрических наблюдений. Исследование этих сред имеет большое значение для решения проблем физики солнечно-земных связей. Процессы, протекающие в солнечном ветре, формируют космическую погоду в Солнечной системе, воздействуют на атмосферу и биосферу Земли. Контроль состояния околосолнечной плазмы является основой геоэффективных прогнозов.

В настоящее время диагностика межпланетной и околосолнечной плазмы осуществляется различными радиоастрономическими способами [1], которые основаны на методе радиопросвечивания. Метод просвечивания, впервые предложенный в 1951 г. В. В. Виткевичем для исследования сверхкороны Солнца [2], состоит в приеме излучения источника (искусственного или естественного), прошедшего через среду со случайными флуктуациями электронной концентрации, и анализе эффектов модуляции фазы, амплитуды и частоты радиоволны.

Радиоастрономическим методам исследования плазмы солнечного ветра и межпланетной среды посвящено большое количество работ в области космической радиофизики [1−27]. Основными методами диагностики сред являются метод мерцаний [5−7] и метод радиозондирования среды сигналами космических аппаратов с приемом назехмным радиотелескопом [8−13], а также метод доплеровской большебазовой интерферометрии (ИББ) [3,14]. В последнее десятилетие в этой области исследований находят применение методы широкополосной радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) [15−27]. В данной работе рассматриваются возможности ИББи РСДБ-инструментов в задаче дистанционной диагностики солнечного ветра с целью определения параметров турбулентной среды — скорости солнечного ветра и пространственных характеристик распределения электронной концентрации плазмы солнечного ветра.

Использование этих интерферометрических методов оказывается незаменимыми в тех случаях, когда на применение традиционных методов дистанционной диагностики накладываются ограничения. Так, метод интерферометрического приема позволяет исследовать неоднородности флуктуаций электронной концентрации с характерными размерами, значительно превышающими масштабы, доступные методу мерцаний. Метод мерцаний [5−7] основан на измерении сцинцилляций интенсивности излучения космических радиоисточников. В частности, при приеме излучения дискретных космических радиоисточников, расположенных на малых угловых расстояниях от Солнца, метод мерцаний позволяет исследовать характеристики плазмы солнечного ветра в широких пределах гелиоцентрических расстояний и гелиоширот. Но флуктуации интенсивности обусловлены только относительно мелкомасштабными неоднородностями среды с характерными масштабами, не превышающими размер первой зоны Френеля, который даже для относительно длинноволнового радиоастрономического диапазона А,=92 см составляет 400 км при расстоянии до слоя неоднородностей, равном одной астрономической единице. Кроме того, при сильных возмущениях проходящего через исследуемую среду излучения космического радиоисточника (например, вблизи от Солнца) флуктуации интенсивности претерпевают насыщение.

Этого недостатка лишены радиоинтерферометрические методы, поскольку не утрачивают фазовую информацию: в том случае, когда внешний масштаб турбулентности превышает размер базы интерферометра, фазовые флуктуации не испытывают насыщения. Интерферометрический метод предоставляет уникальную возможность исследовать неоднородности плазмы солнечного ветра и солнечной короны с масштабами, сравнимыми с длиной проекции базы интерферометра. Так как в РСДБ длины базовых линий принимают значения от нескольких десятков километров до нескольких тысяч километров (или десятков тысяч километров при использовании наземно-космических инструментов), то диапазон измерений расширяется как в сторону очень слабых мелкомасштабных неодно-родностей среды, так и в сторону более интенсивных крупномасштабных неоднородностей.

Метод доплеровской большебазовой интерферометрии (ИББ) [3,14], основанный на приеме узкополосных сигналов космических аппаратов, прошедших через изучаемую среду, позволяет извлекать обширную информацию о среде распространения из анализа амплитудных, фазовых и частотных характеристик принятых сигналов. Высокая монохроматичность первоначального излучения сигналов позволяет выделять даже самые слабые возмущения, вносимые средой. Но также как и метод просвечивания сред сигналами космических аппаратов с приемом одним наземным радиотелескопом, и метод дисперсной интерферометрии [12,13], основанный на зондировании среды когерентным излучением на кратных частотах, метод ИББ может использоваться только при строгой монохроматичности излучаемых сигналов. Кроме того, данные способы дают информацию о состоянии просвечиваемой среды только в узкой области вдоль направления траектории космического аппарата и могут использоваться лишь эпизодически — во время его полета.

Процедура обработки сигналов, принятая в радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), позволяет исследовать среду, просвечивая ее шумовым широкополосным излучением естественных внегалактических радиоисточников. В этом случае не требуется высокой степени когерентности сигналов, так как на выходное интерференционное колебание влияют только относительные фазовые флуктуации между сигналами, принятыми антеннами интерферометра, а фазовые нестабильности исходного сигнала не имеют значения. Учитывая, что запуски космических аппаратов дороги и не регулярны, весьма ценной является возможность проводить диагностику плазмы солнечного ветра, не привязываясь к моменту пролета космического аппарата в интересующей области.

Таким образом, интерферометрические методы, исследуемые в данной работе, позволяют изучать пространственно-временную структуру среднеи крупномасштабных неоднородностей околосолнечной плазмы и межпланетной среды, а также предоставляют возможность расширить диапазон исследований как в сторону очень слабых, так и в сторону интенсивных неоднородностей. Информативность наблюдений возрастает при одновременных измерениях на многоантенных интерферометрических комплексах, содержащих базы различной длины и ориентации. При наблюдении источников, расположенных на различных угловых расстояниях и различных позиционных углах относительно Солнца, интерферометри-ческий метод позволяет исследовать распределение неоднородностей указанных масштабов, снимая их «мгновенный» портрет. В случае РСДБ-приема данные могут быть получены при наблюдении как монохроматических сигналов от космических аппаратов, так и широкополосного излучения естественных радиоисточников.

Выходным сигналом интерферометра является результат перемножения волновых полей в двух пунктах интерферометра, которое, вообще говоря, выполняется разными способами для ИББи РСДБ-методов. Если корреляционные характеристики флуктуаций разности фаз в двух точках в теории рассеяния волн в турбулентной среде рассмотрены достаточно подробно [30,36], то анализу корреляции комплексных полей с учетом пространственного разноса приемников внимания практически не уделялось. Несмотря на то, что первые интерферометрические эксперименты по просвечиванию среды шумовым широкополосным излучением космических радиоисточников [15−27] и сигналами космических аппаратов [3,14] были проведены достаточно давно, выражения для спектра мощности выходного сигнала интерферометра, содержащего как фазовые так и амплитудные флуктуации принятого излучения, не было получено.

В большинстве работ при рассмотрении воздействия среды на сигнал интерферометра исследовались флуктуации интенсивности выходного сигнала инструмента. Анализ статистических характеристик флуктуаций интенсивности позволял делать оценки углового уширения наблюдаемых источников и степени анизотропии неоднородностей [7,15,16].

Расчет статистических характеристик фазовых флуктуаций выходного сигнала ИББ-интерферометра при приеме первоначально монохроматических сигналов космических аппаратов, приведен в монографии [3].

В работах [17,18] описаны результаты исследования фазовых флуктуаций сигнала РСДБ-интерферометра при приеме шумового излучения естественных радиоисточников. Показано, что по спектрам мощности у флуктуаций разности фаз возможно делать оценки коэффициента См, характеризующего интенсивность флуктуаций электронной концентрации. Детального анализа полученных данных с целью выявления тонких особенностей спектра фазовых флуктуаций не было проведено. Это связано с тем, что авторы [17,18] опирались на громоздкие выражения для спектральных характеристик [28], которые из-за своей сложности не позволили выявить особенностей рассматриваемых откликов и внести соответствующие коррективы в методику приема и обработки данных (например, сократить время интегрирования данных для построения спектра флуктуаций разности фаз в более широкой полосе частот, что позволило бы сделать оценки скорости солнечного ветра и спектрального индекса пространственного спектра флуктуаций параметра среды, как это показано в Главе 1).

Этот факт свидетельствует о важности построения адекватной модели эксперимента для создания полноценного универсального радиоинтер-ферометрического метода диагностики среды.

Кроме получения информации о среде распространения (измерение электронной концентрации, скорости солнечного ветра, интенсивности флуктуаций параметров среды и т. д.), важной задачей является определение ограничений, налагаемых турбулентной средой на функционирование наземных и наземно-космических радиоинтерферометров, а также на работу систем космической связи.

Техника и методы радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой подробно описаны в книге [29], тем не менее аспекты проблемы влияния околосолнечной плазмы на сигнал РСДБ-систем требуют дополнительного рассмотрения.

Цель диссертационной работы:

Цель данной работы — развитие интерферометрических методов диагностики турбулентных потоков и разработка способов повышения их информативности при определении параметров турбулентной среды.

С этой целью решались следующие задачи:

1) анализировалось распространение излучения в неоднородной среде и влияние этой среды на выходной сигнал интерферометра;

2) разрабатывался способ восстановления информации о среде распространения по спектральному составу сигнала интерферометра;

3) выполнялось экспериментальное исследование возможностей рассматриваемого метода, а именно:

— осуществлены лабораторные интерферометрические эксперименты по зондированию турбулентной водной среды в гидродинамическом бассейне;

— реализованы РСДБ-эксперименты по радиопросвечиванию плазмы солнечного ветра излучением космических радиоисточников.

Содержание диссертации:

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В первых двух главах проводился детальный анализ спектра мощности отклика интерферометра на излучение, прошедшее через турбулентную среду.

3.3. Выводы главы 3.

1. Проведены РСДБ-эксперименты по исследованию плазмы солнечного ветра методом радиопросвечивания ее излучением естественных радиоисточников в широких диапазонах угловых расстояний относительно Солнца на длинах волн 6 см, 18 см, 92 см.

По результатам обработки сделаны следующие выводы:

— в случае сильных флуктуаций разности фаз принятого излучения проведена интерпретация крупномасштабной пространственной структуры распределения неоднородностей среды по относительному уширению спектральных откликов интерферометра на излучение, прошедшее через околосолнечную плазму, от источников, расположенных в широких пределах углов элонгации и позиционных углов радиоисточников относительно Солнца;

— сделано предположение о наличии «струйной» структуры плазмы солнечного ветра в виде областей повышенной интенсивности флуктуаций электронной концентрации, сильно вытянутых вдоль радиального направления от Солнца с продольными размерами порядка 200 тысяч километров и с поперечным масштабом 15 002 000 километров;

— сделан анализ ограничений, накладываемых средой распространения на работу РСДБ-систем в дециметровом диапазоне длин волн;

— в случае слабых флуктуаций разности фаз измерен показатель пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации р = 3.57 ±0.06 и скорость солнечного ветра У1 = 342±17км/суказанные параметры впервые измерены независимо друг от друга в области масштабов неоднородностей порядка от 2000 км до 9000 км и позволяют подтвердить применимость гипотезы «вмороженности» и спектра Колмогорова для описания пространственно-временных изменений в солнечном ветре на больших расстояниях от Солнца (Я > 40^);

— в процессе анализа результатов экспериментов были выработаны рекомендации для оптимального планирования и обработки полученной информации, касающиеся подбора источников, пригодных для исследования солнечного ветра, длительности интервалов наблюдений, условий наблюдений в каждом приемном пункте и параметров корреляции полученных данных;

— создана и отлажена программная база для спектральной обработки сигналов интерферометра, искаженных воздействием возмущенной среды.

2. Результаты проведенных интерферометрических экспериментов по зондированию турбулентного водного потока в трубе и в неограниченном пространстве ультразвуковым широкополосным излучением удовлетворительно согласуются с выводами теоретического анализа. Обработка данных лабораторных экспериментов показала следующее:

— при зондировании потока шумовыми и синусоидальными сигналами в случае интерференционного приема получаются результаты, совпадающие в пределах точности эксперимента;

— созданная экспериментальная установка и предложенный метод анализа позволяют построить спектры мощности с точностью, вполне достаточной для выявления различия при интерференционном и однопунктовом приеме сигналов;

— продемонстрировано хорошее качественное и количественное соответствие спектров, полученных в результате экспериментов, и спектров, рассчитанных по теоретической модели с учетом неоднородностей средней скорости в сечении струи;

— показана возможность экспериментального определения показателя пространственного спектра турбулентных флуктуаций концентрации кавитационных пузырьков;

— проведены измерения скорости потока в трубе по характерным участкам спектра мощности;

— предложен и апробирован метод бесконтактного определения скорости потока на оси затопленной струи, протекающей в открытом водном пространстве бассейна.

Полученные результаты свидетельствуют о работоспособности исследуемого метода и пригодности его для диагностики различных природных сред.

Заключение

.

В работе выполнен теоретический, численный и экспериментальный анализ сигнала интерферометра при приеме монохроматического и широкополосного излучения, прошедшего через неоднородную нестационарную среду с развитой турбулентной структурой, с целью определения характеристик среды распространения.

1. В результате теоретического анализа корреляционных и спектральных характеристик сигнала интерферометра, выполненного при последовательно неквазистатическом учете временных изменений параметров среды, получены следующие результаты:

— рассчитан вид автокорреляционной функции выходного сигнала инструмента для двух случаев: при описании распространяющихся волн методом геометрической оптики и методом плавных возмущений;

— проведено сравнение процедуры формирования сигнала РСДБ-интерферометра при приеме широкополосного излучения и сигнала ИББ-интерферометра при приеме монохроматического излучения;

— выведены соотношения для спектра мощности сигнала интерферометра в приближении сильных и слабых флуктуации разности фаз принятого излучения для двух процедур преобразования сигналов;

— показано, что вид спектра мощности существенно зависит от величины флуктуаций разности фаз:

— при сильных флуктуациях разности фаз спектр имеет вид гауссовой кривой, частота максимума которой определяется корреляцией между флуктуациями амплитуды и фазы волны, а ширина зависит от средней скорости потока и от интенсивности флуктуаций разности фаз- - при слабых флуктуациях разности фаз спектр мощности достаточно просто, но различным образом для двух разобранных способов обработки сигнала (ИББ и РСДБ), определяется пространственным спектром турбулентности неоднородностей среды;

— предложены способы восстановления параметров среды (скорости дрейфа неоднородностей и показателя пространственного спектра) из спектра мощности поля выходного сигнала инструмента.

2. Проведен численный расчет автокорреляционной функции и спектра мощности выходного сигнала РСДБи ИББ-радиоинтерферометров при приеме излучения, прошедшего через турбулентную среду. Результаты расчетов подтверждают основные выводы теоретического анализа, касающиеся определения параметров плазмы солнечного ветра — показателя пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации и скорости солнечного ветра в области зондирования.

3. Осуществлены интерферометрические эксперименты по зондированию турбулентной водной струи в открытом водном пространстве гидродинамического бассейна и потока, протекающего в трубе, ультразвуковым широкополосным излучением. Получено, что результаты экспериментов удовлетворительно согласуются с выводами теоретического анализа. Обработка экспериментальных данных показала следующее:

— при зондировании потока шумовыми и монохроматическими сигналами в случае интерференционного приема получаются результаты, совпадающие в пределах точности эксперимента;

— продемонстрировано хорошее качественное и количественное соответствие спектров, полученных в результате экспериментов, и спектров, рассчитанных по теоретической модели с учетом неоднородностей средней скорости в сечении струи;

— показана возможность экспериментального определения показателя пространственного спектра турбулентных флуктуаций концентрации кавитационных пузырьков;

— предложены и апробированы методы бесконтактного определения скорости потока на оси затопленной струи и скорости потока, заключенного в трубу.

4. Проведены РСДБ-эксперименты по исследованию плазмы солнечного ветра методом радиопросвечивания ее излучением естественных радиоисточников в широких диапазонах угловых расстояний относительно Солнца на длинах волн 6 см (5010.024 МГц), 18 см (1665 МГц), 92 см (327 МГц). В экспериментах были задействованы (в разных комбинациях) следующие радиотелескопы: Медвежьи Озера (РТ-64, ОКБ МЭИ, Россия), Пущино (РТ-22, ПРАО АКЦ ФИАН), Уссурийск (РТ-70, РНИИ КП), Светлое (РТ-32, ИПА РАН, Россия), Евпатория (РТ-70, НЦУИКС, Украина), ХартРАО (РТ-25, Южная Африка), Hoto (РТ-25, Италия), Шанхай (РТ-25, Китай), GMRT (РТ-45, Индия), радиотелескопы VLBA-сети (NRAO, США) и др.

По результатам обработки сделаны следующие выводы: 1) Проведена интерпретация крупномасштабной пространственной структуры распределения неоднородностей среды по относительному уширению спектральных откликов интерферометра на излучение, прошедшее через околосолнечную плазму, от источников, расположенных на различных угловых расстояниях и позиционных углах относительно Солнца, в т. ч.:

— сделано предположение о наличии «струйной» структуры плазмы солнечного ветра в виде областей повышенной интенсивности флуктуаций электронной концентрации, сильно вытянутых вдоль радиального направления от Солнца с продольными размерами порядка 200 тысяч километров и с поперечным масштабом 1.5−2.0 тысячи километров;

— сделан анализ ограничений, накладываемых околосолнечной плазмой на работу РСДБ-систем в дециметровом диапазоне длин волн: влияние неоднородностей околосолнечной плазмы на работу РСДБ-систем существенно в области угловых расстояний от Солнца от 3 до 30 градусов в диапазоне 1665 МГц и от 13 до 80 градусов в диапазоне 327 МГцпри меньших угловых расстояниях источников от Солнца фазовая когерентность сигналов полностью нарушается. Эти результаты важны при планировании РСДБ-экспериментов в указанных диапазонах частот.

2) Измерены показатель пространственного спектра флуктуаций электронной концентрации р = 3.57 ±0.06 и скорость солнечного ветра У±- =342±17км/с в области гелиоцентрических дистанций 10°.