четверг, 26 сентября 2013 г.

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТЕОРОВ В КАЗАНИ

В.В. СИДОРОВ
Радиотехника, 2010, вып.160, с.21-24

Проблемная радиоастрономическая лаборатория Казанского
государственного университета (ПРАЛ) была создана в 1957 г.
Основателем лаборатории является Константин Владимирович Костылёв,
в то время доцент кафедры радиофизики, а впоследствии, зав. кафедрой
радиоастрономии, профессор. До этого он сумел один из первых в СССР с
помощью военного радара пронаблюдать и идентифицировать
радиолокационные отражения от ионизированных следов в атмосфере,
остающихся в процессе разрушения, испарения и ионизации метеорных
частиц. Стало ясно, что метеорные явления, которые мы можем наблюдать
иногда в виде падающих звёзд, представляют собой сложный
геофизический процесс взаимодействия быстро летящей частицы с
атмосферой Земли, а радары могут давать обширную информацию как о
пылевой составляющей Солнечной системы, так и об атмосфере на высотах
почти недоступных другим методам исследования.

В то время СССР включился в первую международную
координированную программу «Международный геофизический год».
Коллектив лаборатории, состоящий из нескольких аспирантов и
лаборантов под руководством К.В. Костылёва, успешно проработал в этой
программе и в дальнейшем участвовал во многих других
координированных программах по исследованию метеоров и верхней
атмосферы MAP, MAC, GLOBMET, DYANA и др. Четверо из сподвижников К.В.
Костылёва: Сидоров В.В., Курганов, Р.А. Белькович О.И. и Тептин Г.М.
впоследствии стали докторами наук.

С 1965 руководителем лаборатории стал В. В. Сидоров. К настоящему
времени пятеро учеников профессора В. В. Сидорова защитили докторские
диссертации: А.М. Насыров. Р.Г. Минуллин. К.Л. Каримов А.Н. Фахрутдинова,
А.В. Карпов. Была близка к защите докторская диссертация Плеухова А.Н. Лаборатория подготовила квалифицированные кадры радиофизиков-
экспериментаторов для всего радиофизического крыла физфака. Это -
шесть заведующих кафедрами и десять доцентов. Выходцы из лаборатории
Кардоник Г.С. и Ганин В.А. основали новые успешно работающие
подразделения в Казанском государственном университете (КГУ).

Радиолокационные исследования в метеорной астрономии

Метеорная астрономия является одним из традиционных
направлений Казанской астрономической школы. Метеоры исследовали
профессор Дубяго А.Д. и профессор Евдокимов Ю.В. Вскоре после
организации ПРАЛ. К. В. Костылёвым был создан Метеорный отдел Астрономической обсерватории им. Энгельгардга при КГУ (АОЭ), которым
в течение многих лет руководил его ученик Белькович О.И., а затем ученик
В.В. Сидорова - А.М. Насыров. а теперь ученик О.И. Бельковича - В.В.
Андреев. Так что ПРАЛ и Метеорный отдел АОЭ в течение многих лет
работают координировано. На долю радиофизиков ПРАЛ приходится
разработка радиолокационного оборудования для метеорных
исследований, набор экспериментальных данных регистраций метеорных
радиоотражений, разработка методов интерпретации результатов
измерений для получения информации о падающем потоке метеорных
частиц и их физических свойствах.

Данные эти получаются на основе анализа сигналов Метеорного
радара, отражённых от метеорных «следов». Искусство радиофизиков
Сидорова В.В., Пупышева Ю.А., Костылёва К.К., Ганина В.А., Степанова А.М. и
др. состояло в том, чтобы построить такой радар, который давал бы
наиболее полную информацию о «звёздных пришельцах». В течение более
10 лет непрерывных наблюдений на пятой модификации из
разработанных в ПРАЛ метеорных радаров – КГУ-М5 позволили получить
обширную базу данных, состоящую более чем из 12 миллионов метеорных
отражении. На основе этих исследований разработан ГОСТ «Метеорное
вещество».

Последние совместные ПРАЛ и Метеорного отдела АОЭ исследования
с использованием нового метода, который был разработан профессорами
В.В. Сидоровым с его учениками канд. физ.-мат. наук Филимоновой Т.К. и
Рассимом Амер Али, а также проф. Бельковичем О.И. и назван
томографическим (по аналогии с известным прибором), в корне меняют
прежние представления о структуре и распределении наиболее
представительной части «метеорного сообщества» - спорадических
метеорах и открывают новые перспективы установления связей между
метеорами и их родоначальниками - кометами и астероидами, а это по-
зволит понять многое в строении Солнечной системы.*

*В данном случае речь идет о радиотомографическом методе получения угловых 
распределений метеорных отражений применительно к новым метрологическим возможностям 
радара КГУ-М5 и карты распределения плотности падающего потока с разрешением 10”x10”. 
В сборнике в статьях В.В. Сидорова, С.А. Калабанова, Д.В. Любимова представлен новый 
дискретный квазитомографический метод определения распределения радиантов метеоров по 
небесной сфере с высоким угловым разрешением 2”x2”. Этот метод обеспечивает обнаружение 
метеорных потоков и микропотоков с точностью, по крайней мере, в 5 раз лучшей по сравнению с 
предшествующими радарными методами, что является актуальным в связи с тем, что освоение 
космоса и задачи радиосвязи требуют знания деталей структуры околоземного метеорного 
комплекса. (прим. сост.)

Метеорные исследования динамика верхней атмосферы

Чтобы изучать ветер в приземном слое, метеорологи запускают
шары-зонды и наблюдают за их движением. Метеорные следы образуются
бесплатно в громадном количестве и за их перемещениями можно
наблюдать с помощью радиолокатора. Группа ученых ПРАЛ и аспирантов, сначала В.В. Сидоров с учениками (ныне докторами физ.-мат. наук) К.А.
Каримовым и А.Н. Фахрутдиновой, а затем А.Н. Фахрутдинова и ее ученики
(ныне кандидаты наук О.Г. Хуторова, Р.А. Ишмуратов., Н.В. Бердунов и др.)
обработали десятилетний ряд наблюдении Метеорного радара КГУ и
построили настолько детальную эмпирическую модель динамики
атмосферы на высотах 80 – 110 км, какой пока нет на участках атмосферы,
исследуемых другими методами.

Метеорный вклад в ионизацию атмосферы

Этот вклад невелик, но он создает неоднородности, образование и
эволюцию которых можно исследовать, а на этой основе получать важные
сведения об ионосфере. Проф. Минуллин Р.Г. с его учениками доц.
Шерстюковым и канд. физ.-мат. наук, доц. Акчуриным А.Д. и проф. Насыров
А.М., начав с метеоров, стали крупными специалистами в области
ионосферного распространения радиоволн - первый в области
спорадических ионосферных образований, а другой в области ракурсных
свойств ионизаций, возникающих в результате искусственных
воздействий на нелинейную ионосферу.

Метеорная радиосвязь

Широко известно, какова роль спутников в дальней радиосвязи, но
мало кто знает, что ионизованные метеорные следы тоже могут быть
использованы вместо спутников для дальней радиосвязи на УКВ. Причём
бит информации, переданный по метеорной линии радиосвязи, вдвое
дешевле, чем, если его передавать через спутник. Разработанные в ПРАЛ
метеорные системы работали на десятках радиолиний, особенно в
малонаселённых районах и в Заполярье. где преимущества метеорной
связи особенно значительны. Разработанные в ПРАЛ модели метеорного
радиоканала признаются многими учёными мира как наиболее детальные
и достоверные. Большой вклад в эти работы сделали К.В. Костылёв. Р.А.
Курганов. В.В. Сидоров. А.В. Карпов, Г.С. Кардоник, А.Р. Курганов, В.И.
Романов, П.А. Школдов, Л.А. Эпиктетов, А.В. Логашин, Р.Р. Мерзакреев и др.

Метеорная синхронизация шкал времени

В работах проф. В.В. Сидорова и его учеников доц. А.Н. Плеухова,
к.ф.м.н. Г.С. Кардоника, к.ф.-м.н. Р.Г. Хузяшева, доц. А.Р. Курганова, В.М.
Романова, Л.А. Эпиктетова и др. было установлено, что метеорный канал
имеет уникальные свойства стабильности и взаимности условий распространения, позволяющие с высокой точностью производить
дистанционные измерения расхождения атомных часов. Достигнутая
точность 0,5 наносекунды не доступна пока другим методам. Чтобы
получить такие высокие результаты, пришлось последовательно разработать семь аппаратурных измерительных комплексов и пройти
трудный путь снижения погрешности от микросекунд до наносекунд. С
помощью такой аппаратуры можно строить недорогие системы
метрологии времени, дополняющие и резервирующие системы GPS, что
очень важно для реализации истинной самостоятельности малых
государств.

Метеорный радар КГУ

Метеорный радар Казанского университета КГУ-М5 был создан в
восьмидесятых годах сотрудниками Проблемной радиолаборатории
Казанского университета. Это была не первая радиолокационная система,
созданная в Казани. Первые наблюдения метеорной активности были
выполнены в 1954-1955 годах тогда доцентом кафедры радиофизики, а
впоследствии заведующим кафедрой радиоастрономии, профессором К.В.
Костылёвым с использованием военного радара П-2М и визуальной
регистрации метеорных отражений на электронно-лучевом дисплее. Эти
наблюдения были первыми в СССР радиолокационными наблюдениями
метеоров, и они позволили понять, какими должны быть требования к
системе обработки радиолокационных отражений от метеорных следов
для получения научной информации о метеорных явлениях. Метеорный
радар КГУ-Ml, разработанный Ю.А. Пупышевым и В.В. Сидоровым под
руководством К.В. Костылёва путём существенной переделки военного
радара П-8 был первым в СССР радаром для количественного изучения
притока метеорного вещества. Фоторегистраторы автоматически
записывали время появления и длительность метеорных отражений.
Метеорный радар КГУ-Ml развивался и улучшался Ю.А. Пупышевым и после разработки им азимутального статистического метода изучения
распределения радиантов метеоров по небесной сфере в течение
нескольких лет использовался для построения модели притока метеорного
вещества в северную небесную полусферу. Полученные Ю.А. Пупышевым
карты распределения плотности падающего потока метеоров по небесной
сфере в течение десятков лет использовались в качестве астрономической
основы при моделировании условий метеорного распространения
радиоволн. Эти карты, несмотря на их невысокое разрешение, до
настоящего времени не потеряли своей значимости. Однако ограничения
военных радаров потребовали создания специализированного метеорного
радара.

Метеорный радар КГУ-М2, как и последующие метеорные радары,
был разработан в Проблемной радио-лаборатории под руководством
Сидорова В.В. - Фахрутдиновым Р.Ю., Андриановым Н.С., Смоляковым Б.П.,
Покровским Г.Б., Михайловым Б.К. и др. специально для метеорных
исследовании. Это был когерентный двухчастотный радар с возможностью
измерения доплеровских сдвигов частоты, фазовых измерений углов
прихода индивидуальных метеорных отражений, их пространственных координат и фоторегистрацией амплитудных и фазовых межчастотных и
поляризационных измерений. На этом радаре была отработана техника
измерения углов (Сидоров В.В., Фахрутдинов Р.Ю., Фахрутдннова А.Н.,
Покровский Г.Б.), получены данные об электродинамике рассеяния
радиоволн метеорным следом, механизмах диффузионного расширения,
плазменных резонансах и других эффектах рассеяния. определяющих
полосу пропускания и фазовую стабильность метеорного канала, впо-
следствии определивших успех технических его приложений для
радиосвязи и высокоточной синхронизации. На этом радаре были
выполнены первые программы геофизических исследований. В этих
работах выявились и главные недостатки радара KГУ-М2:
- недостаточная точность угловых измерений;
- недостаточная численность метеорных отражений для
статистически обеспеченных геофизических измерений с высотным
разрешением;
- недостаточная информативность радара для получения данных по
метеорной астрономии. одним из факторов которой были ограничения на
частоту посылок импульсного радара, наконец, громадная трудоемкость
обработки фоторегистраций.

Для увеличения эффективности в области астрономии комплекса
Сидоровым В.В., Кургановым Г.А., Андриановым Н.С. и Нежметдиновым Т.К.
был разработан дополнительный непрерывно-волновой комплекс с
мощным передатчиком в Казани и системой разнесенных пунктов в
окрестности Астрономической Обсерватории имени Энгельгардта - КГУ-
М3. Предполагалось, что увеличение точности дифракционных измерений
позволит улучшить точность измерения скоростей метеоров. Однако из-за
близости аэропорта и отражений от самолетов эта дополнительная
радарная система оказалась недостаточно эффективной.

Было принято решение перейти в этом варианте к наклонному
рассеянию с передатчиком в Москве и дополнить её фазовым угломером.
Так возникла новая непрерывно-волновая радарная система наклонного
рассеяния KГУ-М4. Эта система в течение ряда лет использовалась для
исследования в области метеорного распространения радиоволн и
прикладных исследований. На этой системе впервые в мире Сидоровым
В.В. и Андриановым Н.С. были реализованы измерения индивидуальных
радиантов метеоров при наклонном рассеянии и экспериментально
изучены проблемы скоростной селективности в метеорной радиолокации.
К сожалению, этот комплекс оказался слишком дорогим в эксплуатации и
просуществовал в полном составе и в работающем виде всего один год.
Теснота на старом полигоне и, как следствие, ограничения в точности
угловых измерений потребовали строительства нового радиополигона в
«Ореховке».

Метеорный радар КГУ-М5 проектировался с учётом новых
возможностей радиополигона и должен был решить проблему
долгосрочных наблюдений для исследования динамики верхней атмосферы и изучения притока на Землю метеорного вещества. Радар
проектировали Сидоров В.В., Пупышев Ю.А., Костылёв К.К., Степанов А.М.,
Ганин В.А., Макаров В.А., Шувариков В., Нестеров В. и др. В новом радаре
была почти на порядок увеличена энергия в импульсе по сравнению с КГУ-
М2 и соответственно увеличена статистическая обеспеченность
наблюдений.

Успехи в применении азимутального статистического метода для
построения карт распределения по небесной сфере плотности радиантов
метеоров (карты Пупышева Ю.А.) естественно было закрепить в новом
Радаре. Поэтому его антенную систему решено было сделать
полноповоротной. Технически сложно оказалось реализовать в
полноповоротном варианте фазовый угломер. Однако вскоре выяснилось,
что для азимутального метода четырех направлений Север, Юг, Восток и
Запад вполне достаточно, и в этом случае задачи геофизических и астро-
номических измерений удачно совмещались в едином комплексе.
Полноповоротная антенная система метеорного Радара с фазовым
угломером в настоящее время в мире реализована только в Казани, и это
даёт ряд дополнительных возможностей в научных экспериментах.

Для организации непрерывных наблюдений потребовалось
использовать для регистрации миллионов метеорных отражений
цифровых методов с накоплением результатов на магнитных носителях,
поэтому в структуру радара были включены несколько мини-ЭВМ, а на
территории университета был построен (Макаров В.А., Костылёв К.К.,
Ганин В.А. и др.) специальный вычислительный комплекс для обработки
результатов массовых наблюдений. Было подготовлено также
необходимое математическое обеспечение (Фахрутдинова А.Н., Костылёв К.К. и др.). В таком виде радар был запущен в 1980 г., и практически без
изменения проработал до настоящего времени, обеспечивая ПРАЛ, АОЭ и
радиофизические кафедры добротным экспериментальным материалом
для научных исследований метеорного комплекса в окрестности орбиты
Земли, распространения радиоволн и динамики верхней атмосферы. В
настоящее время по своим возможностям он относится к лучшим
метеорным радарам в Европе. На нем накоплен богатейший научный
материал за более чем 10 лет почти непрерывных наблюдений.

Перспективы

Сейчас для ПРАЛ наступили трудные времена, несмотря на
захватывающие научные перспективы:
- разработка системы радарного мониторинга притока метеорного
вещества для целей безопасности людей и аппаратуры в космосе;
- наносекундная метрология времени и те преимущества, которые
она может дать в системах радионавигации, пеленгации, радиолокации и
др.;
- разработка принципов построения системы метеорной связи и
синхронизации оптимально использующей замечательные свойства
метеорного радиоканала;
- развитие псевдоголографических принципов для расшифровки
волновой структуры ветровых полей на высотах 80 - 110 км.

Наконец, опыт ПРАЛ может оказаться полезным в разработке
проблем информатизации Республики Татарстан.

Казанский государственный университет,
Республика Татарстан

Комментариев нет:

Отправить комментарий