Материалы 20-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»
Москва, ИКИ РАН, 14–18 ноября 2022 г.

(http://conf.rse.geosmis.ru)

XX.I.277

Исследование влияния перемещающихся ионосферных возмущений на фарадеевское вращение и поляризационные характеристики радиоволн при зондировании ионосферы

Крюковский А.С. (1), Кутуза Б.Г. (2), Бова Ю.И. (1), Растягаев Д.В. (1,2)
(1) Российский новый университет, Москва, Россия
(2) Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва, РФ
Исследование влияния ионосферы Земли на работу систем радиосвязи и радионавигации, а также на результаты дистанционного зондирования является актуальной задачей радиофизики [Иванов, 2006; Данилкин и др. 2014; Вертоградов и др., 2018; Ipatov et al., 2014]. Ионосфера обладает сложной структурой, в которой можно выделить несколько слоев, положение и интенсивность которых меняются в течение суток, а также существенно зависят от сезонности и текущей солнечной активности.
В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом планируется ряд экспериментов по дистанционному зондированию поверхности Земли из космоса [Kutuza et al., 1996; Fuegen et al., 2021], на результаты которых существенным образом окажет влияние ионосфера, поскольку космические аппараты летают на высотах, превышающих главный максимум ионосферы (максимум слоя F2). Обычно влияние ионосферы учитывается на основе эмпирических моделей, которые, к сожалению, дают лишь усредненные результаты. Поэтому очень важно рассмотреть влияние отклонений параметров ионосферы от модельных и их влияние на радиофизические параметры: девиацию фазы, угол фарадеевского вращения и коэффициенты поляризации. На основе классических работ [Гинзбург, 1967; Дэвис, 1973] такие исследования проводились с 1988 года [Кутуза Б.Г., Мошков А.В., 1988]. В частности, исследовано влияние локальных неоднородностей на поляризационные характеристики и девиацию фазы для модельных задач [Kutuza et al., 2018; Bova et al., 2019 (2); Bova et al., 2021; Kryukovsky et al., 2022], влияние слоя E при различных ориентациях магнитного поля [Бова и др., 1918; Bova et al., 2019(1)], влияние экваториальной аномалии на основе данных радиотомографии [Bova et al., 2020; Kryukovsky et al., 2021], выполнено моделирование коэффициентов поляризации [Egorov et al., 2022].
В настоящей работе рассмотрено влияние на девиацию фазы и поляризационные характеристики перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), которые активно наблюдаются в азиатском регионе России [Куркин и др., 2022; Софьин, 2022]. ПИВ это квазипериодические вариации электронной концентрации. В работе рассмотрены ПИВ в окрестности главного максимума ионосферного слоя с горизонтальными масштабами порядка нескольких сотен километров и вертикальными масштабами порядка нескольких десятков километров. Передатчик расположен на высоте выше максимума ионосферного слоя, а приемник на поверхности Земли. Анализ поляризационных характеристик выполнен на основе численного моделирования лучевых траекторий методом бихарактеристической системы уравнений [Казанцев и др., 1967; Крюковский и др., 2012; Крюковский и др., 2015; Крюковский А.С., Скворцова Ю.И., 2016]. Расчеты проведена как для частот декаметрового, так и дециметрового диапазонов. Результаты вычислений представлены как графические зависимости полного электронного содержания (ТЕС), девиации фазы и угла фарадеевского вращения от времени прихода сигнала в приемник. Путем сравнения возмущенной и невозмущенной модели выявлено существенное влияние ПИВ на поляризационные характеристики. Рассмотрено изменение поляризационных характеристик вдоль лучевых траекторий и рассчитаны коэффициенты поляризации, определяющие эксцентриситет эллипса поляризации и его наклон в направлении распространения волны в лучевой трубке.
Авторы выражают благодарность профессору Д.С. Лукину за внимание и помощь в работе.
Работа поддержана РНФ, проект № 20-12-00299

Ключевые слова: перемещающиеся ионосферные возмущения, распространение радиоволн, девиация фазы, фарадеевское вращение вектора поляризации, лучи, бихарактеристическая система
Литература:
  1. Бова Ю.И., Крюковский А.С., Кутуза Б.Г., Лукин Д.С., Стасевич В.И. Исследование влияния ионосферы на распространение электромагнитных волн P-диапазона // Физические основы приборостроения. 2018. Т. 7. № 1 (27). С. 54-61.
  2. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Выборнов Ф.И. Моделирование распространения декаметровых радиоволн в условиях волновых возмущений концентрации электронов // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2018. Т. 61. № 6. С. 462–473.
  3. Данилкин Н.П., Жбанков Г.А., Журавлев С.В., Котонаева Н.Г. Трансионосферное радиозондирование с учетом отражения радиоволн от Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54. № 4. С. 508.
  4. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. 2-е изд. М.: Наука, 1967. 684 с.
  5. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 502 с.
  6. Иванов Д.В. Методы и математические модели исследования распространения в ионосфере сложных декаметровых сигналов и коррекции их дисперсионных искажений. Монография. Йошкар-Ола: Марийский гос. технический ун-т. 2006. 266 с.
  7. Казанцев А.Н., Лукин Д.С., Спиридонов Ю.Г. Метод исследования распространения радиоволн в неоднородной магнитоактивной ионосфере. // Космические исследования, 1967. Т. 5. Вып. 4. С. 593–600.
  8. Крюковский А.С., Лукин Д.С., Кирьянова К.С. Метод расширенной бихарактеристической системы при моделировании распространения радиоволн в ионосферной плазме. // Радиотехника и электроника, М.: Наука. 2012. Т.57. № 9. С. 1028–1034.
  9. Крюковский А.С., Лукин Д.С., Растягаев Д.В., Скворцова Ю.И. Математическое моделирование распространения частотно-модулированных радиоволн в ионосферной плазме // Радиотехника и электроника, 2015, Т. 60, № 10. С. 1001–1009. DOI: 10.7868/S0033849415100071
  10. Крюковский А.С., Скворцова Ю.И. Математическое моделирование распространения радиоволн в нестационарной плазме с учетом кривизны поверхности земли и ионосферных слоев // Вестник Российского нового университета. Серия: Сложные системы: модели, анализ и управление. 2016. № 1-2. С. 34–40.
  11. Куркин В.И., Медведева И.В., Подлесный А.В., Думбрава З.Ф., Поддельский И.Н. Влияние внезапного стратосферного потепления на характеристики среднемасштабных перемещающихся ионосферных возмущений в азиатском регионе России // Армандовские чтения. Всероссийская открытая научная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования, радиолокации, распространения и дифракции волн» - Муром 2022. С. 27–35.
  12. Софьин А.В. Зоны влияния ПИВ различных масштабов на ионограммы наклонного зондирования ионосферы // Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике. Труды XVII Конференции молодых ученых. Иркутск, 2022. С. 406–408.
  13. Кутуза Б.Г., Мошков А.В. Влияние фарадеевского вращения плоскости поляризации в ионосфере при измерении из космоса радиоизлучения поверхности океана. // Исследование Земли из космоса. 1988. № 5. С. 94–98.
  14. Bova Yu.I., Kryukovskii A.S., Kutuza B.G., Lukin D.S. Investigation of the Influence of the Earth Ionosphere on the Radio Wave Propagation in the High-Frequency Range // Journal of Communications Technology and Electronics, 2019. V.64 No 8. P. 740–746. DOI:10.1134/S1064226919070052
  15. Bova Yu. I., Kryukovsky A.S., Kutuza B.G., Lukin D.S. The Influence of the Earth’s Ionosphere on the Polarization Characteristics of a Radio Wave in the High-Frequency Range // 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation (RWP), 1-6 July 2019 / Russia, Kazan: IEEE. P. 492 – 495.
  16. Bova Yu. I., Kryukovsky A.S., Kutuza B.G., Rastyagaev D.V., Lukin D.S. Mathematical modeling of the polarization characteristics of radio waves in the Earth's equatorial ionosphere // Journal of Physics: Conference Series (Russian open scientific conference «Modern problems of remote sensing, radar, wave propagation and diffraction»" (MPRSRWPD) 23-25 June 2020, Murom, Russian Federation) 2020. Volume 1632, 012009
  17. Bova Y., Kryukovsky A., Kutuza B., Stasevich V. The influence of ionospheric inhomogeneities on remote sensing of the Earth from space // Proceedings of the European Conference on Synthetic Aperture Radar, EUSAR. 13. Сер. "EUSAR 2021 - 13th European Conference on Synthetic Aperture Radar, Proceedings" 2021. P. 902–907.
  18. Egorov D.P., Kutuza B.G., Kryukovsky A.S., Lukin D.S., Rastyagaev D.V. Influence of the earth's ionosphere on the polarization characteristics of radio waves in the megahertz range // Progress in Electromagnetics Research Symposium. Сер. "2022 Photonics and Electromagnetics Research Symposium, PIERS 2022 - Proceedings" 2022. С. 1108-1118.
  19. Fuegen T., Sperlich E., Heer Ch., Warren C., Carbone A., Heliere F. Development Status of the Biomass SAR Instrument // Proceedings of the European Conference on Synthetic Aperture Radar, 2021, 2021- March, 20-25.
  20. Ipatov E.B., Kryukovskii A.S., Lukin D.S., Palkin E.A., Rastyagaev D.V. Methods of simulation of electromagnetic wave propagation in the ionosphere with allowance for the distributions of the electron concentration and the Earth’s magnetic field // Journal of Communications Technology and Electronics. 2014. V. 59. No 12. P. 1341-1348. DOI: 10.1134/S1064226914120079.
  21. Kryukovsky A.S., Lukin D.S., Bova Y.I., Rastyagaev D.V., Kutuza B.G. Study of the effect of the equatorial ionosphere anomaly on the polarizing characteristics of HF radio waves // 2021 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, Conference Proceedings. 2021. С. 9415981
  22. Kryukovsky A.S., Bova Y.I., Rastyagaev D.V., Kutuza B.G. Еffects of ionospheric inhomogeneities on remote sensing of the Earth by space-borne P-band SAR // Radio Science. 2022. Т. 57. № 6. С. e2021RS007341.
  23. Kutuza B.G., Kalinkevitch A.A., Ephimov A.I., Vostrov E.A., Dzenkevitch A.B. Application of SAR Operating at P-band for Space Experiments // EUSAR’96: Proceedings. Germany, Konigswinter, 1996. P. 309-313.
  24. Kutuza B.G., Bova Yu.Ig., Kryukovsky A.S., Stasevich V.Ig. Features of the Influence of the Earth‘s Ionosphere on the P-Band Propagation // The 12th European Conference on Synthetic Aperture Radar - EUSAR 2018, Aachen, Germany on June 4-7, 2018.

Презентация доклада



Ссылка для цитирования: Крюковский А.С., Кутуза Б.Г., Бова Ю.И., Растягаев Д.В. Исследование влияния перемещающихся ионосферных возмущений на фарадеевское вращение и поляризационные характеристики радиоволн при зондировании ионосферы // Материалы 20-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2022. C. 370. DOI 10.21046/20DZZconf-2022a

Дистанционное зондирование ионосферы

370