В.Е. Куницын

Исследование структуры ионосферы важно как для понимания физики протекающих в ней процессов, так и для разнообразных радиофизических задач, связанных с распространением радиоволн, поскольку ионосфера существенным образом влияет на работу различных систем навигации, локации и связи. Главную роль среди методов зондирования в связи с изменчивостью ионосферы играют методы дистанционного зондирования, позволяющие получать информацию в реальном времени. Особое место среди методов дистанционного зондирования занимают методы радиозондирования, имеющие развитую техническую базу, хорошо разработанную методику измерений и давшие за свою более чем семидесятилетнюю историю основную долю информации о строении ионосферы. Применение томографических методов - закономерный этап эволюции многих диагностических систем. На современном этапе техника радиозондирования дает возможность с помощью спутниковых средств проводить зондирование ионосферы в широком диапазоне различных положений приемопередающих систем и применять томографические методы, поэтому в последние годы в ряде стран активно ведутся работы по радиотомографии (РТ) ионосферы.

В лекции приводится краткий обзор томографических методов восстановления структуры ионосферы, речь идет о восстановлении распределения плотности электронной концентрации N(r) и эффективной частоты соударений n (r) [1,2]. Ионосфера имеет сложную структуру, где наряду с квазислоистым фоном с большими масштабами вариаций электронной концентрации присутствуют локальные неоднородности различных масштабов, включая турбулизованные области. Поэтому задачи РТ ионосферы разделяются на детерминированные и статистические. В случае детерминированной задачи необходимо восстановить структуру некоторых крупных неоднородностей или группы неоднородностей. Если же большое число неоднородностей занимает некоторую область в пространстве, то нецелесообразно реконструировать структуру отдельных реализаций быстро меняющегося поля неоднородностей, здесь имеет смысл ставить задачу статистической РТ - задачу реконструкции статистических характеристик, таких как функция корреляции плотности электронной концентрации и т.д. Детерминированные РТ задачи, в свою очередь, делятся на задачи дифракционной РТ и лучевой РТ крупных структур, когда дифракционные эффекты не существенны. К настоящему времени реализованы РТ эксперименты с использованием радиосигналов навигационных систем типа “Цикада” (Россия) и “Транзит” (США) с частотами f около 150Мгц и 400Мгц.

Размеры практически реализуемых приемопередающих систем при радиозондировании ионосферы намного меньше расстояния от них до реконструируемых неоднородностей, составляющего сотни километров, т.е. апертурные углы малы. Поскольку создавать приемопередающие системы с большим количеством приемников сложно и дорого, то очевидна необходимость синтеза апертуры по одной из координат. Синтезирование апертуры реализуется с помощью движущегося передатчика на ИСЗ. Схема экспериментов по РТ ионосферы изображена на рис.1. Спутник с передатчиком движется на высоте около тысячи километров, приемная система расположена на Земле. Для лучевой РТ нужно иметь несколько приемников в плоскости пролета ИСЗ с расстояниями в несколько сотен километров между ними. Дифракционная РТ локализованных неоднородностей с километровыми масштабами (сравнимыми с размером зоны Френеля ~1 км при основной зондирующей длине волны =2м) требует поперечной направлению пролета ИСЗ линейки приемников, что позволяет реконструировать двумерную структуру неоднородностей. Для реконструкции трехмерной структуры требуется несколько линеек с расстоянием в сотни километров между ними. Для статистической РТ в зависимости от размерности реконструируемой статистической структуры и наличия статистической однородности могут потребоваться как один приемник, так и линейка или набор линеек. Отметим, что разделение вкладов крупномасштабных структур (лучевая РТ) и локализованных неоднородностей (дифракционная РТ) или турбулизованных областей (статистическая РТ) осуществляется путем специальной обработки (фильтрации) принимаемых радиосигналов [1].

Задачи дифракционной РТ - это задачи восстановления структуры локализованных неоднородностей электронной концентрации и эффективной частоты соударений по данным о рассеянном поле E монохроматической (частоты f=w /2p ) зондирующей радиоволны. Решение задачи дифракционной РТ сводится к решению уравнения Липпмана-Швингера относительно комплексной функции q(r,w ) [1-4] по данным о поле радиоволны E:

Здесь E₀ - поле зондирующего источника в пустоте или на фоне гладкой регулярной ионосферы, G - функция Грина задачи. Функция q(r) (комплексный потенциал) содержит информацию о распределениях N(r) и n (r), т.к. для ионосферы в приближении холодной плазмы q(r) = 4p r_e N(r)/(1+in (r)/w ), где r_e - классический радиус электрона. Ранее была разработана теория дифракционной РТ ионосферных неоднородностей, получены решения обратной задачи восстановления структуры слабых и сильных ионосферных неоднородностей по данным малоуглового рассеяния [1-4]. Задача дифракционной РТ состоит в определении функции q(r) по данным о поле, измеренном по некоторой апертуре. Благодаря движению зондирующего источника на спутнике осуществляется синтез апертуры в одном направлении, т.е. достаточно использовать поперечную направлению движения спутника линейку приемников. Поскольку расстояния до неоднородностей составляют сотни километров, то апертурные углы таких приемных систем достаточно малы ~ 10^-2 -10^-3. Отсюда возможная поперечная разрешающая способность системы регистрации ~ составит сотни метров, а продольная разрешающая способность ~² составит десятки километров и более, поэтому с помощью одной линейки приемников мы получим двумерные (проинтегрированные вдоль направления распространения зондирующей волны) изображения неоднородностей. Такие эксперименты и реконструкции были проведены ранее [1-3]. Несколько линеек приемников, разнесенных на расстояние порядка сотни километров, позволит ставить задачу восстановления трехмерной структуры по набору двумерных проекций.

Если большое число неоднородностей заполняет протяженные области ионосферы, то целесообразно ставить задачу реконструкции статистических характеристик по данным о статистике рассеянного поля, другими словами, задачу статистической РТ. Решение задачи статистической РТ сводится к решению следующего интегрального уравнения относительно проекции A_q = ò B_qdz, функции корреляции неоднородностей B_q(r₁,r₂) = <q(r₁),q*(r₂)> по данным о второй функции когерентности Г_2,0 рассеянного поля [1,5]:

Здесь k=2p /l - волновое число, r - поперечная направлению распространения зондирующей волны z координата, переменные s и z содержат координаты источника и приемников [5]. Подынтегральный множитель, включающий экспоненту, представляет собой френелевское параксиальное приближение функции Грина. В [1,5]. была разработана теория РТ случайно-неоднородной ионосферы, получены решения статистических обратных задач восстановления спектра или функции корреляции флуктуаций электронной концентрации ионосферы а также распределения интенсивности флуктуаций по данным о статистических характеристиках рассеянного поля. Уравнение (2) позволяет определять расстояние до неоднородностей и находить, в случае статистически однородного слоя, с помощью одного приемника двумерные сечения спектра флуктуаций. Такие эксперименты и реконструкции были реализованы ранее [1, 3,5]. Заметим, что качество реконструкции двумерного сечения существенно улучшится, если использовать несколько приемников, разнесенных на сотни километров в плоскости пролета спутника. Одна поперечная линейка приемников позволит восстанавливать трехмерную структуру спектра флуктуаций статистически однородного слоя. Если область с неоднородностями не является статистически однородной и интенсивность флуктуаций меняется в пространстве, то с помощью нескольких линеек приемников можно реконструировать как распределение интенсивности флуктуаций, так и пространственную структуру коэффициента корреляции флуктуаций. Существующие технические средства радиозондирования дают возможность восстанавливать структуру спектра флуктуаций в диапазоне волновых чисел от 0.1км^-1 до 3-4км^-1 , что соответствует неоднородностям от сотен метров до единиц километров. Когда размер неоднородностей заметно превышает размер зоны Френеля (~1км для =2м), то дифракционными эффектами можно пренебречь, и задача дифракционной РТ сводится к задаче лучевой РТ. В этом случае по данным о фазе f и амплитуде (или уровне c - логарифме отношения амплитуд) зондирующей радиоволны можно находить линейные интегралы от электронной концентрации и эффективной частоты соударений:

Результаты спутниковой РТ ионосферы с помощью среднеорбитальных спутников стимулируют интерес к изучению ближнего космоса (ионосферы - протоносферы - плазмосферы -магнитосферы Земли) по аналогичной методике с использованием зондирующих сигналов современных высокоорбитальных спутниковых систем (американской GPS и российской ГЛОНАСС). Спутники которых имеют орбиты высотой порядка 20 тысяч км и рабочие частоты - в диапазоне от 1.2 до 1.7 Ггц. В [12] были рассмотрены возможности спутниковой томографии ближнего космоса, проанализированы варианты геометрии некоторых возможных томографических экспериментов. Поскольку угловая скорость систем GPS/ГЛОНАСС почти на порядок меньше и необходимо учитывать временную изменчивость околоземной плазмы, в [12] был разработан метод пространственно-временной томографии.

Первые в мире эксперименты по радиоголографической регистрации рассеянного ионосферными неоднородностями поля, дифракционной РТ и статистической РТ были проведены ПГИ в 1984-1987гг. В результате экспериментов по дифракционной РТ были получены координаты изолированных неоднородностей и проведено восстановление голографически реконструируемого поля, связанного с интегральной электронной концентрацией локализованной неоднородности [1-3]. В дальнейшем ПГИ были проведены серии экспериментальных исследований структуры отдельных неоднородностей методом дифракционной РТ. В работах [1,3,13]. приведены примеры РТ реконструкции двумерной структуры отдельных локализованных неоднородностей. Одна поперечная движению спутника линейка приемников позволяет получать двумерные проекции изолированных неоднородностей. Проведенные РТ эксперименты дали информацию о величине, форме и структуре локализованных неоднородностей.

Первые эксперименты по статистической РТ позволили определить высоту статистически однородного слоя неоднородностей и впервые без модельных предположений получить сечение спектра флуктуаций электронной плотности [5]. Экспериментальные исследования тонкой структуры ионосферы методом статистической РТ проводятся с 1987г [1,2,5,14]. Один приемник позволяет получать сечения спектра флуктуаций только в случае статистически однородного и довольно протяженного слоя (сотни км), что бывает достаточно редко. Примеры реконструкции спектра флуктуаций приведены в [1,2,5,14]. В ряде случаев спектр имел сложный характер с локальными экстремумами. Диапазон реконструкции спектра соответствует неоднородностям с размерами от сотни метров до единиц километров. Спектр вытянут вдоль оси, перпендикулярной магнитному полю, что соответствует большей вытянутости неоднородностей вдоль направления магнитного поля. Степень вытянутости изменяется в зависимости от уровня флуктуаций. Полученные реконструкции позволяют сделать вывод о существовании областей флуктуаций электронной плотности с локальными экстремумами и нестепенным спектром. В дальнейшем были проведены серии измерений с несколькими приемниками в плоскости пролета спутника, разнесенными на сотни километров. Проведенные исследования показали, что в отличие от атмосферы спектр электронных флуктуаций ионосферной плазмы меняется в зависимости от геофизических условий, нередко наблюдаются локальные экстремумы, связанные с неполной турбулизацией. Было обнаружено, что модель единственного слоя неоднородностей часто неадекватна реальности, нередко существуют как несколько слоев на разных высотах, так и вытянутые по вертикали структуры.

В 1990г. для реконструкции сечений ионосферы методом лучевой РТ был создан комплекс из трех приемных пунктов: пос. Верхнетуломский (вблизи Мурманска), Кемь и Москва [15]. В приемных пунктах была использована стандартная приемная аппаратура системы пассивной навигации, снабженная дополнительными оконечными устройствами, позволяющими выделить ионосферную составляющую эффекта Доплера. В 1993г. ИЗМИРАН создал РТ трассу Москва (Троицк) - Борок - Архангельск [16,17].

Первые в мире томографические реконструкции методом лучевой РТ были получены сотрудниками ПГИ и МГУ в марте-апреле 1990г. на трассе Мурманск-Москва [15]. На рис.2 приведен в изолиниях пример полученного методом лучевой РТ разреза электронной концентрации, содержащего главный ионосферный провал. Реконструкция приведена в единицах эл м в координатах: высота и географическая широта. Для апробации и верификации результатов лучевой РТ были проведены сравнения ионосферных высотных профилей по данным вертикального зондирования ионозондами с профилями, получаемыми из РТ сечений. Результаты сравнения показали хорошее совпадение в пределах точностей обоих методов. Для сопоставления РТ сечений с данными радаров некогерентного рассеяния был проведен Российско-американский томографический эксперимент 1993г. в США, показавший хорошее качество РТ реконструкций, совпадение результатов в пределах точностей методов и более высокое горизонтальное разрешение лучевой РТ [18].

Начиная с 1990г. метод лучевой РТ широко используется для исследований ионосферы на территории России и за рубежом. В 1990-1999гг. были проведены многочисленные эксперименты и исследования крупномасштабной структуры ионосферы: серии РТ исследований на трассе Мурманск - Москва (1990-1999гг.) [1-2,18,19], серии РТ исследований на трассе Москва - Архангельск (1993-1999гг.) [16,17], серии РТ экспериментов в США и Скандинавии (1993-1998гг.) [13,18,19]. За прошедшие годы были проведены тысячи РТ сеансов и реконструировано большое число РТ сечений ионосферы. Полученные результаты показали широкие возможности лучевой РТ для исследований разнообразных ионосферных структур. Были исследованы как интересные формы хорошо известных структур (провал, перемещающиеся ионосферные возмущения, локальные экстремумы и т.д.), так и малоизвестные структуры (“пальцеобразные” структуры, наклонный провал, квазиволновые структуры и др.). Часть РТ результатов невозможно получить другими методами. Например, узкий наклонный провал не виден ионозондом, “пальцеобразные” неоднородности на больших высотах не выделяются методом некогерентного рассеяния и т.д. Пример узкого наклонного провала, полученный во время Российско-американского томографического эксперимента 1993г. [18], приведен на рис.3. Ширина этого провала в диапазоне 50-70км, а угол наклона к горизонту составляет около 45 градусов. На рис.4 дан пример РТ реконструкции перемещающихся ионосферных возмущений, зарегистрированных на трассе Москва-Архангельск [16]. Интересные квазиволновые структуры наблюдаются в окрестности провала (рис.5). По-видимому, такие структуры связаны с процессами возникновения - исчезновения провала. Пример еще одной интересной структуры - экваториальной аномалии дан на рис.6. Эта реконструкция также получена фазоразностным методом по данным на трассе Шанхай - Манила [30].

1. Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. Томография ионосферы. М.: Наука, 1991.
2. V.E.Kunitsyn, E.D.Tereshchenko, Radiotomography of the Ionosphere //Antennas & Propagation Magazine, 1992, V.34, pp.22-32.
3. Терещенко Е.Д. Радиоголографический метод исследования ионосферных неоднородностей, Апатиты, 1987.
4. V.E.Kunitsyn, Diffraction Tomography based on small-angle scattering data//Proc. SPIE, 1992, Vol.1843, pp.172-182.
5. V.E.Kunitsyn, E.D.Tereshchenko, Determination of the turbulent spectrum in the ionosphere by a tomographic method //J.Atm.Terr.Phys., 1992, 54, Р.1275-1282.
6. Austen J.R., S.J.Franke, and C.H.Liu, Ionospheric imaging using computerized tomography, Radio Sci., 1988, 23, 299-307.
7. Афраймович Э.Л., Пирог О.Л., Терехов А.И. Диагностика крупномасштабных структур высокоширотной ионосферы на основе томографической обработки сигналов навигационных ИСЗ и данных ионосферных станций. Препр. Сиб. ИЗМИР, № 19-89, Иркутск, 1989.
8. Андреева Е.С., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д. Фазоразностная радиотомография ионосферы //Геомагн. и аэрон., 1992. 32, N1. С.104-110.
9. E.S. Andreeva, V.E. Kunitsyn, E.D. Tereshchenko, "Phase difference radiotomography of the ionosphere"//Annales Geophys.,1992, Vol.10,p.849-855.
10. V.E. Kunitsyn, E.D. Tereshchenko, E.S. Andreeva, O.G. Razinkov, Phase and Phase-difference Ionospheric Radiotomography //Int. Journ. Imaging Syst.Techn., 1994, V.5, No.2, P. 128-140.
11. V.E. Kunitsyn, E.S. Andreeva, O.G. Razinkov, Methods and Algorithms of Ray Radiotomography for Ionospheric Research //Annales Geophysicae, 1995, V.13, No.12, P.1263-1276.
12. V.E. Kunitsyn, E.S. Andreeva, O.G. Razinkov, Possibilities of the near-space environment radio tomography //Radio Sci., 1997, V.32, No.5, P.1953-1963.
13. V.E. Kunitsyn, E.D. Tereshchenko, E.S. Andreeva, B.Z. Khudukon, Investigations of the Ionosphere by Satellite Radiotomography //Int. Journ. Imaging Syst.Techn., 1994, V.5, No.2, P. 112-127.
14. E.D. Tereshchenko, B.Z. Khudukon, M.O. Kozlova, et al, Anisotropy of ionospheric irregularities determined from the amplitude of satellite signals at a single receiver //Annales Geophysicae, 1999, V.17, No.4, P.508-518.
15. Андреева Е.С., Куницын В.Е., Терещенко Е.Д., Худукон Б.З., др. Томографическая реконструкция провала ионизации околоземной плазмы //Письма ЖЭТФ. 1990. T.52, вып.3. С.783-785.
16. Ораевский В.Н., Куницын В.Е., Ружин Ю.Я. и др., Радиото- мографические сечения субавроральной ионосферы вдоль трассы Москва-Архангельск //Геомагн. и аэрон. 1995, Т.35, N1, с.117-122.
17. Oraevsky V.N., Kunitsyn V.E., Ruzhin Y., Razinkov O.G. Ionospheric structures of anthropogeneous origin by radiotomographic diagnostic //Adv. Space Res. 1995. V.15, No.11. P. 145-148.
18. J.C. Foster, V.E. Kunitsyn, E.D. Tereshchenko, et al. Russian- American Tomography Experiment //Int. J. Imaging Syst.Techn., 1994,5, N2, P. 148-159.
19. V.E. Kunitsyn, E.D. Tereshchenko, E.S. Andreeva, et al Radiotomographic Investigations of Ionospheric Structures at Auroral and Middle Latitudes //Annales Geophysicae, 1995, 13 , No.12, P.1242-1253.
20. Pryse, S.E., and L. Kersley. A preliminary experimental test of ionospheric tomography, J. Atm. Terr. Phys., 1992, 54, P.1007-1012.
21. Raymund, T. et al. Tomographic reconstruction of ionospheric electron density with incoherent scatter radar verification, Radio Sci., 1993, 28, N. 5, 811-817.
22. Pryse, S.E., L. Kersley, et al, Tomographic Imaging of the ionospheric mid-lalitude trough, Annales Geophys., 1993, 11, 144-149.
23. Bust, G.S., et al, Application of ionospheric tomography to single site location range estimation, Int. J. Imaging Syst.Techn., 1994, 5, N.2, 160-168.
24. Pryse, S.E., C.N. Mitchell et al. Travelling ionospheric disturbances imaged by tomographic techniques, Annales Geophysic., 1995, 13, No. 12, 1325-1330.
25. Pakula, W.A., et al. Tomograhic reconstruction of the ionosphere over North America with comparisons to ground-based radar, Radio Sci., 1995, 30, No.1, 89-103.
26. Kunitake, M., et al Tomographic imaging of the ionosphere over Japan by the modified truncated SVD method, Annales Geophysic.,1995,13,N 12, 1303-1310.
27. Cook, J.A. and S.Close, An investigation of TID evolution observed in MAGE’93 data, Annales Geophysic., 1995, 13, No. 12, 1320-1324.
28. Markkanen M. et al Bayesian approach to satellite radiotomography with applications in the Scandinavian sector, Annales Geophysic., 1995, 13, No. 12, 1277-1287.
29. Mitchell, C.N. et al Imaging of field-aligned structures in the auroral ionosphere, Annales Geophysic., 1995, 13, No. 12, 1311-1319.
30. E.S.Andreeva, .J.Franke, et al, The Implied Ionospheric Effects on Radio Systems Using Tomographic Images across the Equatorial Anomaly Region, Abstr. XXVI General Assembly of the URSI, 1999.