Радиотомография глобальных ионосферных структур (стр. 1 )

, , Черняков глобальных ионосферных структур. Препринт ПГИ 90-10-78, Апатиты, Изд-во Кольского научного центра АН СССР, 1990, 29 с.

Kunitsyn V. E., Tereshchenko E. D., Andreeva E. S., Galinov A. V., Melnichenko Yu. A., Stepanov V. A., Filimonov M. A., Chernyakov S. M. Radiotomography of global ionospheric structures. Preprint PGI 90-10-78, Apatity, Publisher: Kola Science Center AS USSR, 1990, 29 P.

РАДИОТОМОГРАФИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ ИОНОСФЕРНЫХ СТРУКТУР

1, 2, 1, 2, 2,

3, 1, 2

1Московский университет, 119899, Москва, СССР

2Полярный геофизический институт, 183023, Мурманск, СССР

3Радиотехнический институт, 125319, Москва, СССР

В работе рассмотрена радиотомография крупномасштабных неоднородностей и глобальных структур размерами в сотни, тысячи километров электронной плотности в ионосфере. Предложен метод фазоразностной томографии, основанный на использовании данных по ионосферной составляющей доплеровской частоты радиоволны с движущегося источника. Доказана непригодность фазовых методов для определения сложных геофизических структур. Описан эксперимент по радиотомографии глобальных структур, использующий прием сигналов движущегося передатчика на ИСЗ в нескольких приемных точках на Земле, расположенных в плоскости пролета ИСЗ.

Приведены первые результаты томографической реконструкции экспериментальных данных, относящихся к авроральной и субавроральной областям ионосферы.

ВВЕДЕНИЕ

Радиотомография крупных глобальных структур неоднородностей электронной плотности в ионосфере, когда можно пренебречь дифракционными эффектами, является в определенном смысле, как частный случай, более простой задачей по сравнению с дифракционной радиотомографией /Kunitsyn and Tereshchenko, 1990/. В высокочастотном приближении интеграл по лучу источник - приемник определяется первым приближением комплексной фазы f1 и равен

(1)

где обозначает символ интегрирования по траектории, N - электронная плотность, n - частота соударений, w - циклическая частота радиоволн, w>>n, re = 2.8×10-15 м - классический радиус электрона.

В большинстве задач глобальной высокочастотной томографии траектории можно считать прямыми и проблема сводится к обычной линейной томографии по прямым.

В (1) комплексная фаза f1 разделена на уровень c = Ref1 и фазу f = - Imf1. Поскольку expf1 = E/E0, т. е. определяется отношением измеряемого поля Е и поля зондирующей волны Е0, то уровень определяется логарифмом отношения амплитуд измеряемого поля и поля зондирующей волны c = lnA/A0, а фаза разностью фаз f = Imf0 – Imf1 = - Imf1.

Из (1) следует пара равенств, являющихся основой для реконструкции распределения электронной концентрации и эффективной частоты соударений

(2)

Естественно, данные формулы можно получить не только как предельные случаи соотношений дифракционной томографии, но и более прямым путем, непосредственно в рамках приближения геометрической оптики.

Томографические задачи, типа (2), когда по измерениям линейных интегралов для системы лучей, пересекающих некоторую заданную область, требуется восстановить структуру среды, встречаются в большом числе различных областей науки и техники. По-видимому, сейчас уже нельзя указать те области и виды излучений и волн, где не пытались бы, по крайней мере теоретически, применять томографические методы. Здесь не имеет смысла перечислять все варианты томографических подходов. Остановимся лишь кратко на более близких областях - томографии геофизических структур.

К настоящему времени достаточно хорошо разработаны методы и аппаратура сейсмической томографии, где в основном по измерениям времени пробега сейсмических волн реконструируется распределение сейсмической “медленности”, величины обратной скорости волн. Число работ по сейсмической томографии весьма велико, укажем лишь на некоторые обзоры /Дайнс и Дайтл, 1979; Иванссон, 1986/. В области сейсмической томографии предложено много методов решения задачи и алгоритмов, пригодных и при использовании других типов волн. Существенно меньше внимания уделено томографическим исследованиям других “сфер” Земли. Сейчас активно развивается акустическая томография океана /Гончаров и Куртепов, 1987; Kerr, 1982/, где также измеряется время пробега акустических волн. Появились работы по радио и оптической томографии атмосферы /Горбунов, 1988; Phinney and Anderson, 1968/.

Выдвигались предложения и по вариантам радиотомографии ионосферы. В /Краснушкин, 1981а; Краснушкин, 1981б/ обсуждался томографический метод определения локального коэффициента ослабления как функции географических координат по данным об интегральных факторах ослабления на трассах, покрывающих данную область достаточно густой сетью. Далекие от реконструируемой области излучатели и приемники дадут прямые трассы распространения. Предполагалось использовать преобразование Радона, что при небольшом числе лучей нереально на практике. Кроме того, сложно учесть зависимость фактора ослабления от высоты. В ряде работ /Терехов, 1988; Austen et al, 1988/ рассмотрен вариант радиотомографии с использованием сигналов от движущегося ИСЗ. При этом распределение электронной концентрации предполагалось реконструировать по полной электронной концентрации на серии лучей. Схема сбора информации для подобного эксперимента изображена на рис. 1, где в плоскости пролета ИСЗ находятся три приемных пункта, и лучи считаются прямолинейными.

Схемы томографии по линейным интегралам для различных типов волн практически неотличимы друг от друга. Основное требование сводится к простому рецепту: как можно больше лучей должно пересекать заданную область в возможно более широком диапазоне углов. Отсюда требование иметь как можно больше передатчиков и приемников, либо перемещать их друг относительно друга в широком диапазоне положений.

Рассмотренный в /Терехов, 1988; Austen et al, 1988/ подход по лучевой интегральной электронной концентрации идентичен, например, сейсмической межскваженной томографии /Густавсон и др., 1986/, когда источники сейсмических волн помещаются в скважины, а приемник перемещается по поверхности. Моделирование, проведенное в работах по сейсмической томографии /Дайнс и Дайтл, 1979; Иванссон, 1986/ и в /Терехов, 1988; Austen et al, 1988/, показало возможность реконструкции двумерного среза.

К сожалению, прямой “перенос” варианта томографии по линейным интегралам в ионосферные исследования не приведет к хорошим результатам. Дело в том, что в отличие от сейсмики и акустики в радиотомографии ионосферы для того, чтобы получить линейные интегралы от электронной концентрации нужно измерять полную фазу радиосигнала (2) или групповую задержку.

Существуют методы измерения разности фаз на ряде частот (дифференциально-фазовые) и измерения угла поворота плоскости поляризации (фарадеевское вращение), но все они сводятся к измерениям фазы и имеют общий недостаток: сложно определить полную фазу сигнала, включая неизмеряемое явно целое число 2p радиан. Ниже рассмотрим этот вопрос подробнее.

Рис. 1. (а) Схема эксперимента по радиотомографиии ионосферы с использованием сигналов от ИСЗ. (б) Геометрия системы регистрации.

Схемы томографии по линейным интегралам для различных типов волн практически неотличимы друг от друга. Основное требование сводится к простому рецепту: как можно больше лучей должно пересекать заданную область в возможно более широком диапазоне углов. Отсюда требование иметь как можно больше передатчиков и приемников, либо перемещать их друг относительно друга в широком диапазоне положений.

Рассмотренный в /Терехов, 1988; Austen et al, 1988/ подход по лучевой интегральной электронной концентрации идентичен, например, сейсмической межскваженной томографии /Густавсон и др., 1986/, когда источники сейсмических волн помещаются в скважины, а приемник перемещается по поверхности. Моделирование, проведенное в работах по сейсмической томографии /Дайнс и Дайтл, 1979; Иванссон, 1986/ и в /Терехов, 1988; Austen et al, 1988/, показало возможность реконструкции двумерного среза.

К сожалению, прямой “перенос” варианта томографии по линейным интегралам в ионосферные исследования не приведет к хорошим результатам. Дело в том, что в отличие от сейсмики и акустики в радиотомографии ионосферы для того, чтобы получить линейные интегралы от электронной концентрации нужно измерять полную фазу радиосигнала (2) или групповую задержку.

Существуют методы измерения разности фаз на ряде частот (дифференциально-фазовые) и измерения угла поворота плоскости поляризации (фарадеевское вращение), но все они сводятся к измерениям фазы и имеют общий недостаток: сложно определить полную фазу сигнала, включая неизмеряемое явно целое число 2p радиан. Ниже рассмотрим этот вопрос подробнее.

Измерения групповой (абсолютной или относительной) задержки позволяют в принципе определять полную электронную концентрацию. Известны варианты трансионосферного зондирования /Данилкин, 1985; Titheridge and Heron, 1972/, где определяется относительная задержка между двумя импульсами различной частоты, пропорциональная интегральной электронной концентрации. Однако здесь просматриваются следующие неприятные для радиотомографии факторы: на низких частотах, сравнимых с критической частотой ионосферы, траектории становятся кривыми, а задача нелинейной; на более высоких частотах падает величина относительной групповой задержки (~f-2) и растет относительная погрешность измерений при невысокой точности определения групповой задержки. Кроме того, вследствие влияния мелких неоднородностей методическая точность регистрации групповой задержки ограничена размером зоны Френеля /Калинин и др., 1990/.