Исследование преобразований частотного спектра в возмущенных условиях

Сверху: выбранный участок профиля нижней ионосферы,

Снизу: пересечение максимумов "диаграммы" решетки излучателей 2 гармоники с Землей.

Рис. 1-5

Волновой процесс в плазме будет подчиняться уравнению:

(9)

где eдиэлектрическая проницаемость плазмы в линейном приближении; m - малый параметр, и может быть представлен в виде:

Å = Å1cos x+E2cos h + Å3cos z , ãäå

x = w1t  k1Z + j1(Z)

h = w2tk2Z + j2(Z)

z = w3t – k3Z + j3(Z)

а частоты и волновые векторы удовлетворяют при этом условию

w3 = w1 + w2

k3 = k1 + k2 + D

å D- малая расстройка

То есть, процесс внутри ионосферного слоя представляется в виде трех волн, две из которых вводятся в ионосферу извне, третья же возбуждается в результате их взаимодействия при распространении. Ионосфера в данном случае выступает в роли плазменного смесителя частоты радиосигналов. Для выявления зависимости эффективности смешения от параметров распространяющихся радиоволн и состояния ионосферной плазмы необходимо решить волновое уравнение (9) и получить явное выражение для поля возбуждаемой в ионосфере волны Е2. В этих целях воспользуемся методом медленно меняющихся амплитуд и, полагая  = 0, перейдем к укороченным уравнениям для амплитуд и фаз взаимодействующих волн.

,

где Ф – так называемая обобщенная фаза.

Учитывая ранее принятое предположение, что поле Е3 слабо меняется при распространении внутри слоя, уравнения можно привести к системе вида

Полагая Ф(0) = –p/2 получим:

(10)

Подстановкой:

система дифференциальных уравнений сводится к системе однородных уравнений:

(11)

Отличное от нуля решение система (11) имеет только в том случае, если равен нулю ее определитель:

Отсюда находим для Г1,2:

Подставляя значения в Г1,2 в однородные уравнения получим

Таким образом Е1 и Е2 будут иметь вид:

Постоянные e1, e2, B1, B2 должны быть определены из граничных условий:

Е1(0) = e1+ B1 = Е10

(12)

Е2(0) = e2+ B2 = 0

Из уравнений найдем:

e1 = B1 = Е10 /2

e2 = –B2 =

и запишем уравнение для амплитуды поля Е2:

где – тензоры диэлектрической проницаемости для сигнальной волны и для волны накачки.

Таким образом, амплитуда радиосигнала на частоте 2, возбужденного в ионосфере, экспоненциально растет по мере распространения в слое. Амплитуда зависит от разности частот и амплитуд волны накачки и сигнальной волны, диэлектрической проницаемости ионосферной плазмы на частотах сигнальной волны и волны, возбужденной в ионосфере.

Наиболее современным радиотехническим средством для воздействия на ионосферу является РТС HAARP.

HAARP (High frequency Active Auroral Research Program- Программа высокочастотных активных авроральных исследований) является главным арктическим стендом для научных и прикладных исследований в верхней полярной ионосфере. HAARP находится в Gakona, Штата Аляска(см. рис. 5.1.) и включает:

· мощный высокочастотный передатчик

· фазированая антенная решетка (ВЧ) (известная как Ionospheric Research Instrument, или IRI)

· сверхвысокогочастотный некогерентный радар (ISR), используемый для измерения плотности электронов, электронной и ионной температуры, Допплеровской скорости в возбужденной области ионосферы.

· В дополнение к ним установлены самые современные геофизические исследовательские приборы, включая ВЧ ионозонд, ELF и VLF приемники, магнитометры, реометры, LIDAR, оптические и инфракрасные спектрометры и камеры.

Рисунок 5.1.

В настоящее время в США используются два ионосферных исследовательских стенда, один в Пуэрто-Рико и другой (известный как HIPAS) в Штате Аляска около Fairbanks. Обе установки по построению сходны с HAARP. Ожидается,что

HAARP, обеспечит существенные продвижения в понимании ионосферной модификации и управлении плазменными процессами в малой ограниченной области в пределах ионосферы, это также имеет перспективу использования при дальнейшем планировании работ по обеспечению спутниковой связи и навигационных систем.

Частью системы HAARP является передатчик. Передатчик работает между частотами 2.8 - 10 МГЦ. Передатчики находятся в закрытых помещениях, расположенные в пределах антенной решетки, под антенным экраном. В каждой станции размещено шесть блоков передатчиков, по два передатчика в блоке. Каждый блок обеспечивает мощностью один из антенных элементов в антенной решетке. Каждый блок способен обеспечивать до 10 kW мощности от каждого из двух передатчиков. Для достижения высокой точности и удовлетворения регулирующим требованиям, передатчики, используемые в антенной решетке HAARP, должны работать в соответствии с жесткими техническими условиями. Каждый передатчик должен производить спектрально чистый сигнал, который управляем в 60 dB диапазоне, простирающимся от максимума 10 kW до 10 mW.

Система передатчика HAARP должна быть способна к функционированию таким образом, чтобы не мешать другим потребителям РЧ спектра. Технические условия системы требуют, чтобы все гармоники передатчика и другие ложные сигналы отсутствовали или были уменьшены по крайней мере до 80 dB ниже уровня главного (основного сигнала). Все нежелательные сигналы на частотах более чем 45 МГЦ должны быть уменьшены по крайней мере до 120 dB. Гармоники и ложные сигналы в частотном диапазоне 88 - 200 МГЦ, должны быть уменьшены на 150 dB или более. Антенная решетка HAARP состоит из 48 элементов, размещаемых как прямоугольная антенная решетка из 8 столбцов и 6 строк. В течение 1997 и 1998, антенная решетка ВЧ была расширена так, чтобы все 48 элементов были функциональны, и передатчик HAARP был способен к излучению на 960 кВт уровне. В течение работ, первоначальный проект устройства согласования антенны был изменен и все первоначальные модули заменены, чтобы улучшить рабочую характеристику системы. Целью столь длительного срока, для построения антенной системы, состоящей из 180 элементов, является достигнутая теперь способность к выполнению большого количества значимых для высоких широт ионосферных исследований. Между декабрем 1994 и февралем 1999, были проведены двенадцать инженерных тестов, каждый длительностью от нескольких дней до двух недель. Тесты подтвердили, что все требования EIP относительно абсолютной общественной безопасности будут выполнены с завершением проекта. Начальные исследования проводились в течение марта, 1997.В течение 1999, были успешно завершены четыре исследования. В течение марта 1999 недавно завершенная 48 элементная антенная решетка ВЧ эксплуатировалась в первые. Группа, из 23 ведущих исследователей и их коллективов, провела 19 различных экспериментов за 19 дней. Некоторые ранние результаты были представлены на URSI в январе 2000.Летние эксперименты проводились с 16 июня по 8 июля 1999. Основная цель состояла в том, чтобы характеризовать ДНА из 48 элементной антенной решетки .Темы исследования включали оценку различных методов генерации сигналов СНЧ/ОНЧ/КНЧ и наблюдения ионосферного излучения.

 Скачать реферат