Анотація до роботи:

Пуляєв В.О. Підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери при дистанційному моніторингу методом некогерентного розсіяння. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.07.12 – дистанційні аерокосмічні дослідження. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Харків, 2006.

У дисертації з метою підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери при дистанційному моніторингу іоносфери Землі методом некогерентного розсіяння (НР) у широкому інтервалі висот розглядаються питання узагальнення теорії і практики зондування та обробки сигналу некогерентного розсіяння, а також багатопараметричної ідентифікації стану плазми по автокореляційним функціям цього сигналу.

Розроблено теоретичні положення, сформульовано принципи побудови систем імпульсного зондування і обробки, створено алгоритми їх функціонування при синтезі інформаційних технологій, адаптованих до особливостей некогерентного розсіяння радіохвиль. Модифіковано методи і алгоритми аналізу та обробки сигналу розсіяння, що сприяло подальшому розвитку теорії розв’язку зворотної задачі електродинаміки.

Обґрунтовано структуру спеціалізованого пристрою багатоканальної обробки, синтезовано загальну структуру апаратурних засобів для їх спільної взаємодії з багаторівневою комп’ютерною мережею у випадку функціонування у складі міжнародної мережі радарів НР. Організовано локальну базу даних радара, розроблено прикладне програмне забезпечення, отримано нові експериментальні дані про структуру і динаміку іоносферної плазми в інтервалі висот 100 – 1500 км.

У дисертації в рамках існуючої теорії НР одержали подальший розвиток теоретичні положення, моделі і алгоритми, а також реалізована практична база для розширення інформаційних можливостей методу НР. Це сприяло розв’язанню важливої науково-прикладної проблеми – підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери при дистанційному моніторингу навколоземного космічного простору.

Показано, що режими, які використовуються для імпульсного зондування і обробки даних, та радіотехнічні пристрої не дозволяють проводити повноцінний і якісний іоносферний моніторинг іоносфери Землі на висотах понад 1000 км. Це пов’язано із неможливістю значно підняти енергетичний потенціал радіолокаційної установки, а також і з недовикористанням можливостей зондувальних сигналів та недосконалістю аналізу сигналу НР при розв’язанні зворотної задачі розсіяння.

Основні висновки, які підтверджені експериментальними даними, зводяться до наступного.

1. Показано, що для організації ефективних іоносферних спостережень необхідно використовувати системний підхід до процесу вимірювань. При цьому досліджуване середовище, пристрої і процедури зондування, а також алгоритми обробки повинні розглядатися як елементи загальної системи, причому з метою одержання максимально достовірної іоносферної інформації зв’язки між ними і конкретне виконання елементів визначаються умовами спостережень. В результаті узагальнено і запропоновано для реалізації комплекс інформаційних перетворень з впровадженням процесів адаптивного зондування, ефективного виділення геофізичної інформації із статистичних характеристик сигналу НР та оперативного обміну і уточнення результатів спостережень.

2. Запропоновано нові підходи до синтезу зондувальних сигналів із заданими кореляційними властивостями. Вперше розроблено складені зондувальні сигнали, що мають в своєму складі елементи для поточного контролю технічного стану радара НР. Розроблено дискретну модель формування АКФ сигналу розсіяння для аналізу можливостей зондування одночасно нижніх і верхніх висотних рівнів. На її основі дано математичне обґрунтування принципів кодування елементів зондувальних сигналів, які враховують специфіку некогерентного розсіяння радіохвиль і апаратурне оснащення радарів НР і, зокрема, радара НР метрового діапазону.

3. Проведено математичне моделювання процесу розрахунків нормованих АКФ сигналу НР. Під час цього на основі аналізу марківских процесів одержано аналітичні вирази, що імітують кореляційні функціонали, результат же аналізу їх властивостей дозволив вперше обчислити сімейства кривих густини розподілу випадкових значень ординат АКФ. Це дає можливість проводити їх статистичну атестацію. Вперше оцінені значення довірчих інтервалів АКФ в різних умовах експерименту, особливо при аналізі сеансів короткої тривалості, що дозволяє мінімізувати похибки, пов’язані з апаратурними і методичними факторами.

4. Одержали подальший розвиток процедури розв’язання зворотної задачі електродинаміки для випадку її адаптації до особливостей некогерентного розсіяння радіохвиль. В руслі цього розглянуто питання узагальнення і подальшого розвитку процедур регуляризації оцінок, що вперше дозволило істотно звузити інтервал можливих розв’язків задачі і підвищити завадостійкість алгоритмів при малих (до 0.01 по потужності) відношеннях сигнал/шум. В результаті у 1.5 раз розширено висотний діапазон зондування, а результуюча похибка вимірювань при довірчій імовірності 0.68 ... 0.95 (відповідно [±у ... ±2у]) не перевищує 10 %, що підтверджують результати чисельного моделювання.

5. Уперше розроблено стійкі алгоритми для визначення параметрів іоносферної плазми при багатокомпонентному іонному складі. Реалізовано ряд оптимальних (як за критерієм мінімуму обчислювальних операцій, так і максимуму точності обчислень) розрахунків висотно-часового розподілу перерізу розсіяння у(h, t), електронної концентрації N_e(h, t), електронної T_e(h, t) та іонної T_i(h, t) температур, дрейфу V_r(h, t) іоносферної плазми, складових іонної компоненти: іонів атомного кисню O⁺(h, t), гелію He⁺(h, t), водню H⁺(h, t) і молекулярних іонів М⁺(h, t) (суміш NO⁺, O₂⁺ та ін.).

В остаточному підсумку ці відомості дозволяють розраховувати добові і сезонні залежності іоносферних параметрів на висотному інтервалі одночасно від 100 км до 1500 км.

6. Вперше розроблено модель, яка на основі одночасного розв’язання прямої та зворотної задач дає можливість визначати ефективність статистичного оцінювання параметрів іоносферної плазми при багатокомпонентному іонному складі. З її допомогою для заданих довірчих інтервалів досліджено вплив вибору кількості і кроку по затримці експериментальних ординат АКФ, а також рівня адитивного шуму на потенційну точність обробки інформації. Отримані відомості є базовими при визначені складу технічних засобів, точності обчислювальних операцій, швидкодії алгоритмів обробки.

7. Запропоновано сумісну дослідницьку систему з використанням власне радара НР та мережі інформаційно-обчислювальних засобів, яка на новому функціональному рівні сприяє покращанню якості вимірювань. При цьому одержали подальший розвиток різноманітні варіанти систем зондування та структура операційної частини кореляційного каналу для обробки кодованого сигналу любої складності. Також вперше запропоновано модель багатоканальної структури для реалізації оперативного розв’язання зворотної задачі, що використовує принцип дії елементів штучних нейронних мереж. Запропоновано структуру швидкодіючого радіоканалу для передачі результатів між територіально віддаленими підсистеми радара. Розглянуто адаптивне керування апаратурою і поточний контроль ходу іоносферних вимірювань.

Дані розробки сприяли створенню автоматизованого комплексу засобів – Іоносферного зонду Інституту іоносфери НАН і МОН України, призначеного для спільних міжнародних аерокосмічних досліджень і оперативного відстеження стану і динаміки іоносфери Землі. Як наслідок успіхів, досягнутих у розробці перспективних технологій з моніторингу іоносфери, за рекомендацією Національного наукового фонду США харківський радар включено до складу учасників міжнародної мережі радарів НР.

8. Реалізовано програмне забезпечення для підтримки одночасної взаємодії ряду функціонально нестандартних задач. Вони реалізують як управління радаром НР і імовірнісний аналіз сигналу розсіяння у реальному часі, так і оцінку статистичних характеристик сигналу НР і параметрів нестаціонарних іоносферних процесів, з відображенням їх сезонно-добових варіацій. Програмне забезпечення також реалізує обмін результатами з іншими обсерваторіями з метою одержання уявлень про стан навколоземного космічного простору як над європейським регіоном, так і над іншими регіонами земної кулі.

9. Проведено розробку локальної бази іоносферної інформації радара НР Інституту іоносфери, що відповідає особливостям НР. Організовано її зв’язок з міжнародною базою даних радарів НР, для чого синтезовано програмно-алгоритмічні процедури обробки експериментальних даних для оперативної їх передачі по e-mail і Інтернет у базу MADRІGAL (Масачусетський інститут технології, США) і в центр даних CEDAR (Національний центр атмосферних досліджень, США).

10. В процесі апробації працездатності й ефективності розроблених методів, алгоритмів і пристроїв при проведенні систематичних координованих іоносферних досліджень отримано значний обсяг експериментальних даних про структуру і динаміку іоносферної плазми, що дозволило за період 1990-2005 рр. сформувати унікальний інформаційний масив про стан іоносфери над середніми широтами європейського регіону. Цей масив за своїм обсягом і якісній стороні відповідає міжнародним стандартам.

11. Стосовно до стану іоносфери над українським регіоном, у рамках фундаментальних і прикладних досліджень, екології та інших наук експериментальні дані вперше дозволили одержати таке:

– визначено особливості розподілу гелію He⁺ і водню H⁺ на висотах 500 - 1500 км у періоди низької і високої сонячної активностей;

– зареєстровано особливості поведінки молекулярних іонів на висотах 100 - 250 км;

– оцінено вплив на стан і поведінку іоносфери над Харковом особливостей іоносфери у магнітосполученій точці (о. Мадагаскар);

– зареєстровано ефекти іоносферних бур, викликаних магнітними бурями і процесами, що відбуваються на Сонці;

– виявлено ефекти різкого посилення іонної та електронної частин спектру некогерентного розсіяння при впливі на іоносферу потужного короткохвильового випромінювання;

– відзначено ефекти утворення штучних іоносферних збурень, викликаних антропогенним впливом на іоносферу.

Таким чином, в результаті розвитку теоретичних та практичних аспектів методу некогерентного розсіяння вирішена важлива науково-прикладна проблема – підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери в інтервалі висот 100 - 1500 км за умов, коли відсутня можливість подальшого збільшення енергетичного потенціалу радарної системи. Використання основних положень дисертації в існуючій світовій мережі радарів НР дозволить здійснювати надійний контроль і прогнозування глобальних процесів в іоносфері в її спокійному і збуреному станах.

Публікації автора:

1. Пуляев В.А. Автоматизированная система исследования параметров ионосферной плазмы на базе радара некогерентного рассеяния // Радиотехника. Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. – 2003. – № 135. – С. 78-86.

2. Мазманишвили А.С., Пуляев В.А., Рогожкин Е.В. Особенности определения высотных зависимостей параметров ионосферной плазмы при НР // Космічна наука і технологія. – Київ, 2004. – Т. 10, № 2/3. – С. 36-44.

3. Пуляев В.А. Автоматизация процесса определения параметров ионосферной плазмы радаром некогерентного рассеяния // АСУ и приборы автоматики. Всеукр. научн.-техн. сб. – 2004. – № 127. – С.22-28.

4. Пуляев В.А. Программное обеспечение автоматизированной системы радара некогерентного рассеяния // Вестник НТУ “ХПИ”: Информатика и моделирование. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2003. – № 26. – С. 91-94.

5. Мазманишвили А.С., Пуляев В.А. Статистические и расчетные зависимости в задачах адаптивного оценивания параметров ионосферной плазмы // Вестник НТУ “ХПИ”: Системный анализ, управление и информационные технологии. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2003. № 18 . – С. 51-56.

6. Мазманишвили А.С., Пуляев В.А. Корреляции и антикорреляции в задачах анализа опытов по некогерентному рассеянию радиоволн // Космічна наука і технологія. – Київ, 2004. – Т. 10, № 4. – С. 74-80.

7. Рогожкин Е.В., Пуляев В.А., Антонова В.А. Особенности контроля переходных процессов на радарах НР // Системи обробки інформації. – Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. – 2001. – Вип. 6(16). – С. 98-103.

8. Мазманишвили А.С., Пуляев В.А. Распределение корреляционного функционала при точечном измерении данных // Известия вузов. Радиофизика. – Н. Новгород, 2004. – Т. XLVII , № 9. С. 789-797.

9. Мазманишвили А.С., Пуляев В.А. Обоснование статистических свойств корреляционного функционала сигнала НР // Радиоэлектроника и информатика. Всеукр. научн.-техн. журнал. – 2004. – № 3. – С. 23-27.

10. Пуляев В.А., Капустян А.М., М.И. Егорова. Устройство квазиоптимальной фильтрации сигналов некогерентного рассеяния // Вестник НТУ “ХПИ”: Автоматика и приборостроение. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2004. – № 17. – С. 91-94.

11. Пуляев В.А. Информационная обработка сигнала НР на фоне импульсных и флуктуационных помех // Вестник НТУ “ХПИ”: Радиофизика и ионосфера. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2002. – Т. 5, № 9. – С. 57-60.

12. Патент 20022075909 України, МКИ G 01 S 13/95. Спосіб визначення малих радіальних швидкостей в когерентних РЛС і пристрій для його здійснення // Є.В. Рогожкін, В.О. Пуляєв, В.В. Лізогуб; Заявл. 03.01.01; Опубл. 15.08.01, Бюл. № 7. – 9 с.

13. Пуляев В.А. Обработка сигнала некогерентного рассеяния при вычислении параметров ионосферной плазмы // Космічна наука і технологія. Додаток. – Київ, 2003. – Т. 9, № 2. – С. 164-168.

14. Пуляев В.А. Оценка параметров ионосферной плазмы в методе некогерентного рассеяния радиоволн // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2003. – 5(5). – С. 12-14.

15. Пуляев В.А. Вычислительные методы при обработке корреляционных функций сигнала НР // Вестник ХГПУ: Физические аспекты современных технологий. – Харьков: ХГПУ. – 2000. – Вып. 103. – С. 94-96.

16. Пуляев В.А. Вычислительные методы при обработке корреляционных функций сигнала НР // Труды VII Междунар. научн.-техн. конф. “MicroCAD '99” “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”. – Харьков: ХГПУ. – 1999. – С. 30.

17. Пуляев В.А. Расчет параметров ионосферной плазмы по корреляционной функции сигнала некогерентного рассеяния // Сб. тезисов 1-й укр. конф. по перспективным космическим исследованиям. – Киев: Ин-т косм. иссл. НАНУ-НКАУ. – 2001. – С. 134-137.

18. Пуляев В.А. Влияние аппаратурных факторов на выбор обработки сигнала некогерентного рассеяния // Вестник НТУ “ХПИ”: Ионосфера. – Харьков: ХГПУ. – 1999. – Вып. 31. – С. 87-89.

19. Пуляев В.А. Статистическое оценивание параметров ионосферы в методе некогерентного рассеяния радиоволн // Радиотехника. Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. – 2002. – № 129. – С. 98-102.

20. Пуляев В.А. Алгоритм анализа функций невязки в процессе расчета ионосферных параметров по АКФ сигнала некогерентного рассеяния // Вестник НТУ “ХПИ”: Автоматика и приборостроение. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2001. – № 4. – С. 216-218.

21. Пуляев В.А. Минимизация ошибок при анализе среднеквадратичных отклонений в процессе обработки корреляционных функций сигнала НР // Труды Междунар. научн.-практ. конф. “MicroCAD '2001” “Наука и социальные проблемы общества: человек, техника, технология, окружающая среда”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2001. – С. 30.

22 Мазманишвили А.С., Пуляев В.А. Разработка информационных технологий оценки параметров ионосферной плазмы в методе некогерентного рассеяния радиоволн // Космічна наука і технологія. – Київ, 2003. – Т. 9, № 4. – С. 73-78.

23. Мазманишвили А.С., Пуляев В.А. Метод статистических испытаний эффективности алгоритмов оценки ионосферных параметров в методе некогерентного рассеяния // Вестник НТУ “ХПИ”: Радиофизика и ионосфера. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2003. – Т. 4, № 7. – С. 59-64.

24. Пуляєв В.О., Рогожкін Є.В., Хлєбніков О.М. Мікропроцесорна система для вимірювання характеристик випадкових процесів // Праці 1-ї Міжнар. конф. “Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації”. – Ч. 1. – Харків: ХПІ. – 1994. – С. 44.

25. Пуляєв В.О., Хлєбніков О.М. Комп’ютерна система обробки випадкових сигналів // Праці 2-ї Міжнародної. конференції “Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації”. – Ч. 1. – Харків-Туапсе: ХІРЕ. – 1996. – С. 64.

26. Пуляев В.А., Лизогуб В.И. Галенин Е.П. Канал передачи данных для организации потоковой обработки ионосферной информации // Вестник НТУ ”ХПИ”: Информатика и моделирование. – Харьков: НТУ ”ХПИ”. – 2004. – №34. – С. 153-156.

27. Рогожкин Е.В., Пуляев В.А., Антонова В.А. Особенности контроля переходных процессов на радарах НР // Сб. тр. межд. научн.-техн. конф. “Проблемы информатики и моделирования”. – Харков: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. – 2001. – С. 4.

28. Пуляев В.А. Определение ионосферных параметров в методе некогерентного рассеяния на основе использования искусственных нейронных сетей // Вестник НТУ “ХПИ”: Радиофизика и ионосфера. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2004. – № 23. – С. 83-86.

29. Пуляев В.А. Статистическая обработка ионосферных данных с помощью нейронной сети // Труды XII Междунар. научн.-практ. конф. “MicroCAD '2004” “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2004. – С. 672.

30. PulyayevV. A., Belozerov D. P. The automatic system for investigating the parameters of ionospheric plasma and the monitoring of the environment // Proc. the 9^th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics WMSCI-2005 (July 10-13), – Orlando, Florida (USA) – 2005. – P. 115.

31. Пуляев В.А. База ионосферных данных Харьковского радара НР //Труды X Междунар. научн.-практ. конф. “MicroCAD '2002” “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2002. – С. 431-432.

32. Пуляев В.А. Разработка алгоритмов преобразования данных Харьковского радара согласно требований Международного формата // Труды VIII Междунар. научн.-техн. конф. “MicroCAD '2000” “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”. – Харьков: ХГПУ. – 2000. – С. 23.

33. Pulyayev V.A. Kharkov’s incoherent scatter radar: the data parameters for the CEDAR DATA BASE // Proc. the Incoherent Scatter Radar Working Group Workshop: Incoherent scatter. – USA: Millstone-Hill. – 1999. – P. 19.

34. Пуляев В.А. База данных международной сети радаров НР // Труды XI Междунар. научн.-практ. конф. “MicroCAD '2003” “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2003. – С. 602.

35. Пуляев В.А. Программное обеспечение автоматизированной системы радара НР // Сб. тр. 3-й межд. научн.-техн. конф. “Проблемы информатики и моделирования”. – Харков: НТУ “ХПИ”. – 2003. – С. 8.

36. Dziubanov D.A., Grigorenko Ye.I., Pulayev V.A., Lysenko V.N. Cyclical Variations of the F2 Region Parameters from the IS Radar Data // Proc. the 23rd European Physical Society Conference on “Controlled Fusion and Plasma Physics”. – Kiev: Bogolyubov Institute for Theoretical Physics. – 1996. – P. 442.

37. Живолуп Т.Г., Пуляев В.А. Сезонные вариации относительного содержания молекулярных ионов по данным Харьковского радара НР // Сб. тезисов 2-й укр. конф. по перспективным космическим исследованиям. – Киев: Ин-т косм. иссл. НАНУ-НКАУ. – 2002. – С. 152.

38. Taran V.I., Goncharenko L.P., Pulyayev V.A. Diagnostics of the artificial ionospheric disturbances above Kharkov by using IS Radars // Proc. the International Radio Science Meeting. – Vol 2. – USA: Millstoun-Hill. – 1995. – P. 70.

39. Pulyayev V.A. Kharkov’s radar: Ionospheric investigation by incoherent scatter method // Proc. the Incoherent Scatter Radar Working Group Workshop: Incoherent scatter. – USA: Boulder, Colorado, National Center for Atmospheric Research. – 1999. – P. 15.

40. Григоренко Е.И., Боговский В.К., Емельянов Л.Я., Кияшко Г.А., Пуляев В.А., Смагло Н.А. Вариации параметров ионосферы в периоды высокой и низкой солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. – М.: 2001. – Т. 41, № 2. – С. 199-203.

41. Григоренко Е.И., Боговский В.К., Емельянов Л.Я., Кияшко Г.А., Пуляев В.А., Смагло Н.А. Вариации параметров: N_e, T_e, T_i в периоды высокой и низкой солнечной активности // Труды VII Симпозиума по солнечно-земной физики России и стран СНГ. – М.: ИЗМИРАН. – 1998. – С. 126-127.

42. Таран В.И., Григоренко Е.И., Гринченко С.В., Живолуп Т.Г., Пуляев В.А. Исследование высотного распределения ионов водорода // Труды VII Симпозиума по солнечно-земной физики России и стран СНГ. – М.: ИЗМИРАН. – 1998. – С. 125-126.

43. Григоренко Е.И., Пазюра С.А., Пуляев В.А., Таран В.И., Черногор Л.Ф. Динамические процессы в ионосфере во время геокосмической бури 30 мая и затмения Солнца 31 мая 2003 года // Космічна наука і технологія. – Київ, 2004. – Т. 10, № 1. – С. 12-25.

44. Боговский В.К., Григоренко Е.И., Пазюра С.А., Пуляев В.А., Скляров И.Б., Таран В.И., Черногор Л.Ф. Эффекты солнечного затмения 31 мая 2003 года, развивающиеся на фоне восстановительной фазы магнитной бури // Сб. тезисов 3-й укр. конф. по перспективным космическим исследованиям. – Крым, Кацивели: Ин-т косм. иссл. НАНУ-НКАУ. – 2003. – С. 143.

45. Гончаренко Л.П., Дзюбанов Д.А., Пуляев В.А., Таран В.И. Нелинейные эффекты в ионосфере, зарегистрированные радаром некогерентного рассеяния в Харькове // Труды XIX-й Всерос. науч. конф. “Распространение радиоволн”. – Татарстан: Казанский госун-тет. – 1999. – С. 351-352.

46. Емельянов Л.Я., Пуляев В.А., Скляров И.Б. Высотно-временные зависимости скорости движения ионосферной плазмы, полученные по корреляционным измерениям методом НР // Труды XX Всеросс. научн. конфер. по распространению радиоволн. – Нижний Новгород: Талам. – 2002. – С. 48-49.

47. Таран В.И., Лысенко В.Н., Григоренко Е.И., Пуляев В.А. Ионосферные эффекты магнитной бури по наблюдениям на радаре некогерентного рассеяния в Харькове // Вестник ХГПУ: Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. – Харьков: ХГПУ. – 1999. – Вып. 7, Ч. 3. – С. 381-383.