Фрактальные характеристики излучения атмосферы Текст научной статьи по специальности «Физика»

ГЕРМАН Б.А., ПОТАПОВ А.А.

ФРАКТАЛЬНАЯ РАДИОФИЗИКА

ФРАКТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Герман В. А., Потапов А. А.

Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, 125009 Москва

Поступила в редакцию 12.10.2010

В работе рассматривается применение методов фрактального анализа, разработанных в ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, к исследованию радиотеплового излучения в диапазоне миллиметровых волн (ММВ) и наличия искусственных возмущений ионосферы.

Ключевые слова: фрактальный анализ, обработка сигналов, фрактальная размерность, тропосфера, ионосфера, радар.

УДК 551.501.8 + 621.396.96

1. радиотепловое излучение тропосферы является частным случаем теплового (температурного) излучения. Спектр радиотеплового излучения огранивается частотами, занимаемыми радиоволнами, т.е. частотами от 3 кГц до 6000 ГГц. Далее представим фрактальные характеристики реального процесса радиотеплового излучения на длине волны 8.2 мм [1].

Б экспериментах измеряли в основном вели -чину вертикального поглощения ГВ. Радиометр с чувствительностью 0.5 К, выполненный по мо-дуляционной схеме с супергетеродинным приём -ником на входе, обеспечивал измерение шумо -вого сигнала в частотной полосе Af = 400 МГц по основному и зеркальному каналам при промежуточной частоте 250 МГц. Модуляция сигна-ла с частотой 1 000 Гц осуществлялась при помощи ферритового переключателя. Б качестве ан -тенны использовался рупор с шириной диаграммы направленности 9°х1°. Устройство внутрен -ней калибровки на входе приемника включало в себя волноводный переключатель, согласованные нагрузки при температуре окружающей среды и жидкого азота, электромеханический при -вод переключателя и датчики его положения.

На рис. 1 представлены фрагменты полученных результатов измерений радиотеплового излучения на X = 8.2 мм. Было проанализировано 5 серий записей, произведенных в различных метеоусловиях.

На основе полученных данных были восстановлены фазовые портреты для каждой серии и построены автокорреляционные функции исследуемых серий. Эмпирические распределения вероятностей значений

2-я ' серия: кучево-дождаши облачгГость

Рис. 1. Результаты измерений радиотеплового излучения на X = 8.2 мм.

радиотепловой температуры, построенные на различных сериях экспериментальных данных, слабо различаются между собой. Анализ статистических характеристик радиотеплового излучения произведен с помощью диаграммы Пирсона [10].

На рис. 2 показана диаграмма Пирсона с точками, соответствующими рассмотренным сериям измерений. На диаграмме отмечена граница раздела критической области, выше которой не могут существовать

1-2 НОМЕР | ТОМ 2 | 2010 | РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ФРАКТАЛЬНАЯ РАДИОФИЗИКА

ФРАКТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

В1

О 2 4 6 8 10

1

3

5

7 см

ш 9

11 13 15

| ^^Критич. обя ^^1 ^^2 HIH4

Рис. 2. Диаграмма Пирсона для серийрадиотепловых измерений на X = 8.2 мм.

распределения. Видно, что статистические характеристики серий № 1 и № 2 группируются в области законов распределений, близких к гауссовскому; с другой стороны, серии №№ 3-5 находятся в области степенных законов с тяжелыми хвостами. Данный факт говорит о целесообразности использования именно фрактальной обработки.

Далее измерялись фрактальная размерность и показатель Херста. Анализ производился по графикам Dc = f(M) и log(R/S) = f[log(t)], где Dc - корреляционная размерность, M - размерность вложения, R/S - отношение размаха к дисперсии, t - “время” (номер записи во временном ряду). Численные оценки корреляционной размерности Dc и показателя Херста H сведены в таблицу.

Таблица

Фрактальные характеристики радиотеплового

излучения в диапазоне ММВ

Номер серии Корреляционная размерность Dc Показатель Херста H

1 1.976 0.024

2 3.549 0.451

3 6.573 0.427

4 3.466 0.534

5 2.894 0.106

Измеренная величина H говорит о высокой антиперсистентности процесса радиотеплового излучения.

2. Взаимодействие стартующих и летящих космических ракет (КР) с окружающей средой (ОС) являлось предметом многих исследований. В частности, установлено, что характер взаимодействия существенно зависит от высоты h, компонентов ракетного топлива и других факторов. Принято рассматривать особенности взаимодействия ракеты с ОС в трех областях: в ионосфере (15 < h < 30 км), нижний ионосфере (60-70 < h < 120 км) и верхней ионосфере (120-450 км).

Многочисленными исследованиями показано, что основные волновые процессы, стимулированные КР, связаны с акустико-гравитационными волнами в ионосфере, акустическими волнами в атмосфере, явлениями в оптическом и квазиоптическом диапазонах, генерацией низкочастотных электромагнитных колебаний и возмущением геополей, образованием ионосферных дыр. К излучению СДВ-волн приводят следующие процессы: возникновение спонтанных электрических разрядов на корпусе ракеты; МГД-эффекты проводящих объемов; акустические (вибрационные) колебания плазмы факела ракеты; индуцированные высыпания частиц.

Фрактальный экспресс-анализ данных проводился по сериям измерений длительностью около 5 мин. В ходе обработки определялась фрактальная размерность D, а также размерность вложения фазового портрета серии измерений. Фрактальная размерность определялась по углу наклона корреляционного показателя. В данном случае число наблюдений было равно 500, т.е. размерность определялась по скользящему окну в 500 измерений. Размерность вложения определялась с помощью алгоритма грассбергера-прокаччиа.

Рис. 3. Результаты фрактальной обработки: а) исходная выборка (огибающая); б) корреляционная фрактальная размерность; в) размерность вложения.

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ | 2010 | ТОМ 2 | НОМЕР 1-2

ГЕРМАН В.А., ПОТАПОВ А.А.

ФРАКТАЛЬНАЯ РАДИОФИЗИКА

На рис. 3 а-в представлены некоторые результаты экспресс-анализа фрактальными методами процессов обнаружения и идентификации искусственных ионосферных возмущений по экспериментальным данным ИЗмирАн и нИИДАр [2].

полученные результаты показывают перспективность использования фрактальных методов обработки информации в прикладных задачах исследование тропосферы и ионосферы.

Авторы выражают благодарность Сухонину Е.в. (Фрязинский филиал ИРЭ им. В.А. Котельникова РАн) за предоставление первичных записей данных по радиотепловому излучению тропосферы в диапазоне ММВ, Савельеву С.М., Шустову Э.И. (оАо нпК нИИДАР) и Ю.М. Михайлову (ИЗМИРАн) за предоставление экспериментальных данных по ионосферным возмущениям.

ЛИТЕРАТУРА

1. German VA., Potapov A.A., Sykhonin E.V Fractal Characteristics of Radio Thermal Radiation of a Different Layer of Atmosphere in a Range of Millimeter Waves // Proc. PIERS 2009 “Progress in Electromagnetics Research Symp.” (18-21.08.2009, Moscow, Russia). - Cambridge, MA: Electromagnetics Academy, 2009, p. 1813-1817.

2. Герман В.А., Михайлов Ю.М., Потапов А.А., Савельев С.М., Шустов Э.И. Фрактальные измерения искусственных возмущений ионосферы // Сб. докл. IV Всероссийской конф. “Радиолокация и радиосвязь” (Москва, 29.11-03.12 2010 г.). - М.: ИРЭ им. В.А. Котельникова РАн, 2010, с. 216-217.

Герман Виталий Александрович,

к.ф.-м.н., с.н.с., ИРЭ им. ВА.Котельникова РАН 125009 Москва, ул.Моховая, д.11, корп.7, тел.: (495) 629-3406.

Потапов Александр Алексеевич,

действительный член РАЕН, д.ф.-м.н, гл.н.с, ИРЭ им. ВА.Котельникова РАН 125009 Москва, ул.Моховая, д.11, корп.7, тел.: (495) 629-3406, [email protected]

FRACTAL BEHAVIOR OF ATMOSPHERE RADIATION

German A.V., Potapov A.A.

Kotel’nikov Institute of Radio-Engineering and Electronics of RAS Mokhovaya str.,11, b.7, 125009 Moscow, Russia tel. +7(495) 629-3406, e-mail:[email protected]

Application of fractal analysis methods designed in Kotelnikov IRE RAS to the investigation of thermal radio radiation in the millimiter radio waves range and with presence of artificial perturbations of ionosphere has been considered in this work.

Keywords: fractal analysis, signal processing, fractal dimension, troposphere, ionosphere, radar.

УДК 551.501.8 + 621.396.96

Bibliography - 2 references Receded 12.10.2010

1-2 НОМЕР | ТОМ 2 | 2010 | РАДИОЭЛЕКТРОНИКА | НАНОСИСТЕМЫ | ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ