Методы пространственной обработки поля в задачах спутниковой диагностики ионосферной плазмы

В 90-х годах прошлого столетия с развитием спутниковых технологий появились новые методы диагностики ионосферы Земли. Одной из наиболее перспективных в настоящее время является спутниковая радиотомография, реализуемая с помощью низкоорбитальных или высокоорбитальных искусственных спутников Земли [1]. Для определения физических характеристик ионосферы с помощью спутниковой радиотомографии используют томографические данные, такие как фазовые проекции, полученные посредством измерения распределения фазы в плоскости приема при просвечивании неоднородной среды под разными углами. За счет использования спутников реализуется простая схема томографических измерений, в которой имеется линейка приемников и спутник, синтезирующий апертуру по плоскости излучения при помощи передатчика радиоволн, находящегося на его борту [1]. Спутниковую радиотомографию можно разделить на два типа, лучевую и дифракционную томографии. Лучевая радиотомография ионосферы, основанная на геометрооптической (ГО) модели распространения сигнала, позволяет исследовать крупномасштабные неоднородности в ионосфере Земли. В ГО модели характеристики принимаемого сигнала (фаза, запаздывание, амплитуда) полностью определяются интегралами вдоль лучей, которые на высоких частотах имеют вид прямых линий. Такие интегралы часто называют линейными интегралами. Таким образом, при решении задач лучевой радиотомографии, т. е. без учета дифракционных эффектов, задача сводится к восстановлению физических характеристик неоднородной среды по набору линейных интегралов. Для решения томографической задачи с учетом дифракционных эффектов используют другие приближенные методы описания полей в неоднородных средах. Для неоднородных сред, вызывающих слабые флуктуации фазы, используют метод плавных возмущений и приближение Борна [2-3]. Для сред с сильными флуктуациями фазы обычно применяют модель фазового экрана, однако данная модель требует информации о местонахождении неоднородности [4].
Все рассмотренные методы диагностики позволяют получать данные о структуре ионосферы Земли. Однако, исследования тонкой структуры околоземной плазмы с масштабами, не превышающими радиуса Френеля, при слабых и сильных вариациях фазы остаются актуальными. Исследование таких неоднородностей необходимо для решения широкого круга радиофизических задач, например, глобальное позиционирование с помощью навигационных спутников (GPS, ГЛОНАСС). Как известно, рефракция на локальных неоднородностях в ионосфере способна искривлять траекторию навигационного сигнала и давать существенную ошибку в прецизионное позиционирование.
В качестве метода, позволяющего увеличить разрешающую способность диагностики неоднородной плазмы можно использовать пространственную обработку поля, основанную на представлении поля волны в виде двойного взвешенного Фурье преобразования (ДВФП), выполненного относительно координат источника и приемника [5-8]. Отличительная особенность данного метода заключается в возможности диагностировать неоднородности с размерами меньше радиуса Френеля при слабых и сильных вариациях фазы и уровня в отсутствие информации о локализации исследуемой неоднородной среды. Такой вид диагностики может быть реализован в задачах радиотомографии плазмы, где приемо-передающая система включает в себя две антенные решетки. В ионосферных исследованиях пространственная обработка ДВФП реализуема, когда передающую антенную систему можно синтезировать двигающимся низкоорбитальным или высокоорбитальным искусственным спутником Земли [1].
В условиях, когда физические характеристики неоднородной среды изменяются быстро или пространственная обработка поля возможна только по одной из плоскостей, например, плоскости приема, двукратная обработка поля ДВФП становится не применимой. В данном случае можно использовать однократную пространственную обработку поля, основанную на модификации метода ДВФП для удаленной неоднородности [8]. Этот подход, так же, как и двукратная обработка поля ДВФП позволяет диагностировать мелкомасштабные неоднородности в условиях сильных и слабых вариаций фазы. Главное отличие данной методики от френелевской инверсии, которую часто используют при решении задач диагностики неоднородной плазмы, заключается в возможности расположить виртуальный экран не только на выходе из неоднородной среды, но и внутри нее.
Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (Задание № FZZE-2023-0004).