Министерство образования Российской Федерации
Санкт - Петербургский государственный университет
Физический факультет
Рассмотрено и рекомендовано на заседании кафедры | УТВЕРЖДАЮ декан факультета ________________ |
Протокол от № 10 Заведующий кафедрой _____________________ |
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
СДМ. В.01-05 - «Распространение коротких волн
в ионосфере»
Магистерская программа 510419/16
Разработчик:
ст. научн. сотр., докт. физ.-мат. наук _________________
Рецензент:
профессор, канд. физ.-мат. наук _________________
Санкт - Петербург - 2003 г.
1. Организационно-методический раздел
1.1. Цель изучения дисциплины: Ознакомление студентов с особенностями распространения радиоволн коротковолнового (КВ) диапазона частот в реальной ионосфере и методами их описания.
1.2. Задачи курса: Изложение методов описания эффектов возмущений электронной плотности ионосферы на распространение радиоволн КВ диапазона.
1.3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника:
Дисциплина «Распространение коротких волн в ионосфере» является дисциплиной по выбору в рамках магистерской программы 510419/16. Она знакомит студентов, специализирующихся в области распространения волн, с особенностями распространения высокочастотных полей в реальной ионосфере, возмущенной локальными детерминированными и случайными неоднородностями электронной плотности.
1.4. Требования к уровню освоения дисциплины СДМ. В.01-05 – «Распространение коротких волн в ионосфере»:
· знать содержание дисциплины «Распространение коротких волн в ионосфере»;
· владеть методами описания эффектов возмущений ионосферы на ионосферный КВ радиоканал.
2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного и итогового контроля
| Всего аудиторных занятий | 48 часов |
| из них: - лекций | 48 часов |
| - практические занятия | - |
| Самостоятельная работа студента (курсовой работы по дисциплине нет)* | 30 час |
| Итого (трудоемкость дисциплины) | 78 часов |
Изучение дисциплины по семестрам: |
| |
11 семестр: лекции - 48 часов, экзамен. |
| |
3. Содержание дисциплины
3.1. Темы дисциплин, их краткое содержание и виды занятий
1. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
Стационарная и квазистационарная формы уравнений Максвелла; волновое уравнение для поля; скалярное волновое уравнение (уравнение Гельмгольца). Современное состояние теории распространения коротких волн в реальной ионосфере. Регулярная и возмущенная ионосфера, рефракция и рассеяние локальными неоднородностями с учетом дифракционных эффектов, динамические и статистические задачи, типы ионосферных неоднородностей, ионосферная турбулентность.
2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОРОТКИХ ВОЛН В РЕГУЛЯРНОЙ ИОНОСФЕРЕ.
Магнито-ионная теория и тензор комплексной диэлектрической проницаемости холодной анизотропной плазмы. Показатель преломления для плазмы в магнитном поле – формула Эпплтона-Хартри. Обыкновенная и необыкновенная волны. Малые параметры в формуле Эпплтона-Хартри для коротковолнового диапазона частот.
Приближение геометрической оптики для уравнений Гельмгольца и Максвелла. Уравнения эйконала и переноса для обыкновенной и необыкновенной волн. Лучевые уравнения как уравнения характеристик для уравнения эйконала; главное уравнение переноса. Сохранение энергии в лучевой трубке.
Решение лучевых уравнений, уравнения эйконала и главного уравнения переноса для плоско-слоистой среды (ионосферы). Дистанционно-угловые характеристики. Граница "мертвой зоны".
Интегральное представление поля точечного источника в плоско-слоистой среде (интеграл Фурье для поля точечного источника в плоско-слоистой среде). Асимптотическое вычисление интеграла для случаев изолированных и близко расположенных седловых точек. Поведение поля в окрестности каустики (границы "мертвой зоны").
Интегральное представление волнового поля по парциальным волнам геометрооптического типа для произвольной трехмерной плавно-неоднородной среды (интерференционный интеграл).
3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОРОТКИХ ВОЛН В ВОЗМУЩЕННОЙ ИОНОСФЕРЕ
Теория возмущений в уравнениях эйконала и переноса. Вариации углов прихода. Теория возмущений для лучевых уравнений. Теория возмущений для парциальных волн в интерференционном интеграле.
Учет волновых явлений при рассеянии КВ поля локальными неоднородностями ионосферы (дифракция на локальных неоднородностях ионосферы). Общая техника метода плавных возмущений (МПВ). МПВ в случае однородной фоновой среды.
Обобщение МПВ на случай плоско-слоистой фоновой среды. Поле вдали от каустики. Предельный переход к приближению геометрической оптики. Дифракция поля точечного источника на локальной гауссовой неоднородности ионосферы и на перемещающихся ионосферных возмущениях (ПИВ) (волновых возмущений ионосферы).
Интегральное представление поля точечного источника по дифрагирующим парциальным волнам. Предельный переход к интерференционному интегралу по парциальным волнам геометро-оптического типа. Влияние ПИВ на поле в окрестности границы "мертвой зоны".
Распространение КВ в ионосфере с флуктуациями электронной плотности. Флуктуации уровня и фазы лучевого поля. Среднее значение и средняя энергия лучевого поля. Вычисление моментов комплексной фазы первого и второго порядка. Корреляционные функции флуктуаций уровня (логарифма амплитуды) и фазы КВ поля в приближении "вмороженного" переноса неоднородностей. Среднее поле и средняя энергия поля точечного источника вблизи границы "мертвой зоны".
Распространение импульсных сигналов во флуктуирующей ионосфере. Двухпозиционная, временная функция когерентности нестационарного сигнала. Двухчастотная, временная, двухпозиционная функция когерентности гармонических компонент импульсного сигнала. Средняя энергия импульсного сигнала при распространении через ионосферу с флуктуациями электронной плотности. Двухчастотная функция когерентности. Распространение узкополосных (волновых пакетов) и широкополосных импульсов. Доплеровское уширение монохроматического сигнала при распространении во флуктуирующей ионосфере. Функции рассеяния сигнала в ионосфере с флуктуациями электронной плотности. Моделирование высокочастотного ионосферного флуктуационного КВ радиоканала.
3.2. Лабораторный практикум
В специальной лаборатории кафедры радиофизики по распространению радиоволн предусмотрены, в том числе, работы по распространению радиоволн КВ диапазона.
3.3. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы
Тема I.
· Стационарная и квазистационарная формы уравнений Максвелла; волновое уравнение для поля; скалярное волновое уравнение (уравнение Гельмгольца).
Тема II.
· Магнитоионная теория и тензор комплексной диэлектрической проницаемости холодной анизотропной плазмы. Предельный случай высокочастотных полей.
· Дистанционно-угловые характеристики. Понятие “мертвой зоны”.
· Интеграл Фурье для поля точечного источника в слоистой среде. Фокусировки полей на каустиках.
· Интерференционный интеграл для не слоистой плавно-неоднородной среды.
Тема III.
· Теория возмущений в уравнениях геометрической оптики (ГО) для полного поля и парциальных волн интегрального представления (интерференционного интеграла.
· Учет волновых явлений при рассеянии КВ поля локальными неоднородностями ионосферы (дифракция на локальных неоднородностях ионосферы). Общая техника метода плавных возмущений (МПВ).
· Интегральное представление поля точечного источника по дифрагирую - щим парциальным волнам. Предельный переход к интерференционному интегралу по парциальным волнам геометро-оптического типа.
· Дифракция КВ поля на локальной гауссовой неоднородности в ионосфере.
· Средняя энергия КВ поля в ионосфере с флуктуациями электронной плотности.
· Корреляционные функции флуктуаций уровня (логарифма амплитуды) и фазы КВ поля в приближении "вмороженного" переноса неоднородностей.
· Среднее поле и средняя энергия поля точечного источника вблизи границы "мертвой зоны".
· Распространение импульсных сигналов в ионосфере с флуктуациями электронной плотности.
· Функции рассеяния сигнала в ионосфере с флуктуациями электронной плотности.
3.4. Темы курсовых работ
Раздел 3.4 в данной программе отсутствует.
3.5. Темы рефератов
Раздел 3.5 в данной программе отсутствует.
3.6. Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу
1. Стационарная и квазистационарная формы уравнений Максвелла для холодной ионосферной плазмы.
2. Типичные модели пространственного спектра флуктуаций электронной плотности ионосферной плазмы (ионосферной турбулентности). Типичные детерминированные локальные неоднородности ионосферы.
3. Тензор комплексной диэлектрической проницаемости холодной анизотропной плазмы (формула Эпплтона-хартри). Малые параметры в формуле Эпплтона-Хартри для коротковолнового диапазона частот.
3. Основные положения метода геометрической оптики.
4. Решения уравнений геометрической оптики для плоско-слоистой среды. Дистанционно-угловые характеристики.
5. Интегральное представление (интеграл Фурье) поля точечного источника в плоско-слоистой среде. Эквивалентность результатов вычисления интеграла методом стационарной фазы и лучевого представления поля в слоистой среде.
6. Вычисление интеграла Фурье в случае близко расположенных седловых точек. Поведение поля в окрестности каустики (границы "мертвой зоны").
7. Интегральное представление волнового поля по парциальным волнам геометрооптического типа для произвольной трехмерной плавно-неоднородной среды (интерференционный интеграл).
8. Теория возмущений в уравнениях геометрической оптики. Флуктуации фазы и уровня (логарифма амплитуды) КВ поля при распространении в ионосфере.
9. Среднее значение КВ поля и пространственно-частотная функция когерентности в приближении геометрической оптики.
10. Теория возмущений для парциальных волн в интерференционном интеграле.
11. Учет волновых явлений при рассеянии КВ поля локальными неоднородностями ионосферы (дифракция на локальных неоднородностях ионосферы). Общая техника метода плавных возмущений (МПВ) для плоско-слоистой среды. Предельный переход к приближению геометрической оптики.
12. Дифракция поля точечного источника на локальной гауссовой неоднородности ионосферы и на перемещающихся ионосферных возмущениях (ПИВ) (волновых возмущений ионосферы).
13. Интегральное представление поля точечного источника по дифрагирующим парциальным волнам. Влияние ПИВ на КВ поле в окрестности границы "мертвой зоны".
14. Флуктуации уровня (логарифма амплитуды) и фазы лучевого поля. Их корреляционные функции и временные спектры при модели «вмороженого» переноса случайных ионосферных неоднородностей (ионосферной турбулентности).
15. Среднее значение, средняя энергия и пространственная функция когерентности КВ поля вдали от границы «мертвой зоны».
16. Среднее значение и средняя энергия КВ поля вблизи границы мертвой зоны.
17. Пространственно-частотная функция когерентности и распространение импульсных сигналов КВ диапазона.
18. Функции рассеяния сигнала в ионосфере с флуктуациями электронной плотности и моделирование высокочастотного ионосферного флуктуационного КВ радиоканала.
4. Учебно-методическое обеспечение курса
4.1. Активные методы обучения
В данном курсе используются классические аудиторные методы и самостоятельная работа студентов по освоению решения задач распространения волн КВ диапазона в ионосфере.
4.2. Методические материалы и разработки
Дисциплина обеспечена учебными пособиями, изданными автором курса в Санкт-Петербургском университете, а также конспектом лекций, изданным автором на английском языке в Швеции.
4.3. Литература
4.3.1. Основная
1. Zernov N. N., Lundborg B. The Statistical Theory of Wave propagation and HF Propagation in the Ionosphere with Local Inhomogeneities. IRF Scientific Report 215. October ISSN . Kiruna, Sweden, 138 p.
2. , Зернов импульсных сигналов КВ диапазона во флуктуирующей ионосфере. Лекции, Изд-во Петербургского университета, 1996, 51 с.
3. , Зернов рассеяния флуктуирующей ионосферы. Лекции, Изд-во Петербургского университета, 1997, 32 с.
4. , Зернов теория распространения радиоволн КВ диапзона в ионосфере. Лекции. Изд-во Санкт-Петербургского университета, 20с.
4.3.2. Дополнительная
1. , , Яшин явления в ионосфере и космической плазме. М. Наука, 1984.
2. Budden, K. G. The Propagation of Radio Waves. Cambridge University Press, Cambridge. 1985.
3. , Булдырев методы в задачах дифракции коротких волн. М, Наука, 1972.
4. , Кравцов оптика неоднородных сред. М. Наука, 1980.
5. , , Татарский в статистическую радиофизику. Ч.2. Случайные поля. М. Наука. 1978.
6. О двух новых асимптотических методах в теории распространения волн в неоднородных средах. Обзор. Акустический журнал, 14, 1, с. 1-24, 1969.
7. и др. Метод интерференционных интегралов. Обзор. Изв. вузов. Радиофизика, 31, 11, с. , 1988.
8. Зернов волн коротковолнового диапазона при наклонном распространении в ионосфере. Изв. вузов Радиофизика, 23, 2, с. 151-158, 1980.
9. Зернов метода плавных возмущений на случай точечного излучателя в неоднородной среде. Радиотехника и электроника, 35, 8, с. , 1990.
10. Зернов комплексной фазы для поля точечного источника в неоднородной ионосфере с флуктуациями диэлектрической проницаемости. Радиотехника и электроника, 39, 2, с. 241-252, 1994.
11. Zernov N. N., Lundborg B. An integral representation of the wave field in inhomogeneous media in terms of diffracting component waves. Radio Science, 31, 1, p. p. 67-80, 1996.
12. Gherm V. E., Zernov N. N. Fresnel filtering in the HF ionospheric reflection channel. Radio Science, 30, p. p. 127-134, 1995.
13. Zernov N. N., Lundborg B. The influence of ionospheric electron density fluctuations on HF pulse propagation. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 57, p. p. 65-73, 1995.
14.V. E.Gherm, N. N.Zernov. Scattering function of the fluctuating ionosphere in the HF
band. Radio Science, 33, , 1998.
15. V. E.Gherm, N. N.Zernov, B. Lundborg, A. Vastberg. The two-frequency coherence function for the fluctuating ionosphere: narrowband pulse propagation. Journal of satmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 59, , 1997.
16. V. E.Gherm, N. N.Zernov, B. Lundborg. The two-frequency, two-time coherence function for the fluctuating ionosphere: wideband pulse propagation. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 59, , 1997.
17. V. E.Gherm, N. N.Zernov. Scattering function of the fluctuating ionosphere in the HF band. Radio Science, 33, , 1998.
18. , . Распространение радиоволн КВ диапазона в ионосфере с флуктуациями электронной плотности. Зарубежная радиоэлектроника: успехи современной радиоэлектроники, N7, 1999.
19. . Аналитические и численные методы моделирования эффектов распространения коротких волн в возмущенной ионосфере. Проблемы дифракции и распространения волн, вып. 28, 115-147, Изд-во СПбУ, 2000.
20. , , . Дифракция волнового поля на слабых неоднородностях диэлектрической проницаемости в трехмерной плавно-неоднородной среде. Вестник СПбУ, серия 4, выпуск 2 (№12), 2001.
21. V. Gherm, N. Zernov, B. Lundborg, M. Darnell, H. Strangeways. Wideband scаttering functions for HF ionospheric propagation channels. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 63, , 2001.
