МЕРЦАНИЙ МЕТОД

МЕРЦАНИЙ МЕТОД

- метод определения параметров турбулентной среды и источника, к-рым просвечивается среда, на основе измерения статистич. характеристик флуктуации потока излучения, вызванных модуляцией волн неоднородностями показателя преломления. Метод базируется на теории распространения волн в средах с показателем преломления, являющимся случайной ф-цией координат r (см. Распространение радиоволн в случайно неоднородных средах). Развитие возмущений поля волны начинается с развития фазовых возмущений, затем эффекты фокусировки, дифракции и интерференции приводят к появлению флуктуации потока - мерцаниям (см. Мерцания радиоволн). Различают два режима мерцаний: режим слабых и режим сильных (насыщенных) мерцаний. Движение среды относительно луча зрения преобразует пространств, флуктуации во временные.

Измеряемыми характеристиками флуктуации потока излучения H являются индекс мерцаний (угл. скобки обозначают ср. значение), корреляционная функция где двумерный вектор характеризует относительное положение точек измерения в картинной (нормальной лучу зрения) плоскости, - разность времён наблюдения. Измеряют также пространственную и временную спектральные ф-ции - Фурье преобразования по q_z), где - пространственные частоты, f- временная частота]. Наблюдения мерцаний проводят обычно на одиночных оптич. телескопах или радиотелескопах, реже используют систему из неск. инструментов (интерферометры).

Определение параметров среды. Среда характеризуется корреляц. ф-цией флуктуации показателя преломления и спектральной ф-цией - преобразованием Фурье по . Задача восстановления характеристик среды по данным мерцаний имеет неоднозначное решение, поэтому вводят дополнит, предположения о модели среды и из сравнения теории с наблюдениями делают вывод о правильности или неправильности модели.

В режиме слабых мерцаний флуктуации потока описываются теорией возмущений в первом порядке, поэтому пространств, спектры флуктуации потока и по-показателя преломления связаны линейным соотношением. Для случая бесконечно удалённого точечного источника это соотношение имеет вид

где - волновое число, ось z ориентирована вдоль луча зрения, интегрирование ведётся от источника к наблюдателю. Это соотношение используется для восстановления вида спектра Ф _n по наблюдаемому спектру мерцаний источника M_H. Обычно измеряют временной спектр, к-рый в отличие от пространственного является одномерным. В простейшем случае однородного движения среды со скоростью u поперёк луча зрения временной спектр может быть получен из пространственного интегрированием по переменной, нормальной вектору скорости, напр. , а переменная q_x заменяется на .M. м. является наиб, информа-

тивным в интервале пространств, частот, прилегающих к частоте Почти для всех типов сред (атмосфера, ионосфера, межпланетная и межзвёздная плазмы) характерны спектры показателя преломления степенного вида. Для этих сред характерные пространств, масштабы мерцаний близки к масштабу Френеля В метровом диапазоне радиоволн км

для ионосферы, ~ 100 км для межпланетной плазмы и ~ 10⁸ м для межзвёздной плазмы. Характерные времена мерцаний - минуты для ионосферы и межзвёздной плазмы, секунды для межпланетной плазмы.

Зондируя среду в разных направлениях, можно изучать крупномасштабную структуру уровня турбулентности. Методом картографирования индексов мерцаний изучена крупномасштабная структура межпланетной плазмы (рис. 1), ионосферы.

Рис. 1. Структура межпланетной плазмы, полученная по измерениям индексов мерцаний 150 радиоисточников. Усиление плотности штриховки соответствует увеличению индекса мерцаний. a и б - прямое восхождение и склонение. В незаштрихованных областях измерения отсутствуют. Точкой показано положение Солнца.

В режиме насыщенных мерцаний индекс мерцаний близок к 1 и слабо зависит от параметров среды. Информация о среде содержится в пространственном и временном масштабах, в корреляц. и спектральной ф-циях. В этом режиме возникает тонкая структура модуляции потока при изменении несущей частоты волны. Корреляция флуктуации потока на двух разнесённых частотах зависит от вида спектра турбулентности и от распределения турбулентной среды по лучу зрения. Осн. информацию о спектре неоднородностей межзвёздной плазмы дали наблюдения мерцаний пульсаров в режиме насыщения.

Измеряя корреляцию мерцаний в разнесённых точках, получают скорость движения среды или источника. В простейшем случае однородного движения со скоростью v имеем

- проекции разности координат и скорости на картинную плоскость. Этим методом измерены скорость солнечного ветра, скорости движения пульсаров. Определение параметров источника излучения. Исходное излучение источника характеризуется распределением яркости , где - уклонение угл. координат от ср. направления на источник. Используют также ф-цию видности, или ф-цию когерентности поля , к-рая представляет собой отклик интерферометра с базой и связана с преобразованием Фурье. При восстановлении распределения яркости по источнику наиб, информативными являются мерцания на геометрически тонком слое случайно преломляющей среды (фазовом экране). В этом случае между пространств, спектром мерцаний и ф-цией видности имеется простое соотношение:

где М _H,0, - спектр мерцаний точечного источника с единичным потоком. Аналогичное соотношение справедливо и в случае флуктуации потока в фокусе оптич. телескопа, оно служит основой метода спекл-интерферометрии, к-рый позволяет исключить влияние турбулентной атмосферы на изображение астр, объекта. В случае протяжённой среды в режиме слабых мерцаний приведённое выше выражение можно распространить на вклад слоя малой толщины dz, а суммарный спектр определяется интегралом по z. Возможности восстановления распределения яркости по источнику в случае протяжённой среды сужаются (непосредственно определяются лишь угл. размеры источника, рис. 2), но тем не менее можно проводить модельное восстановление с включением в модель неск. свободных параметров.

Рис. 2. Влияние угловых размеров источников на временное спектры межпланетных мерцаний. Сплошные линии - теоретические: точки - данные наблюдений, полученные на длине волны м, на угловых расстояниях от Солнца

В режиме насыщенных мерцаний в случае протяжённой среды вид спектра мерцаний практически ве зависит от угл. размеров источника Q₀. Осн. информация об источнике содержится в индексе мерцаний, к-рый убывает с увеличением Для больших значений

В качестве ориентировки для оценки разрешения M. м. может служить угл. размер первой зоны Френеля,В метровом диапазоне радиоволн в ионосфере , в межпланетной плазме , в межзвёздной плазме . При исследовании мерцаний пульсаров достигнуто рекордное угл. разрешение

Лит.: Чернов Л. А., Волны в случайно-неоднородных средах, M., 1975; Введение в статистическую радиофизику, ч. 2 - Рытов С. M., Кравцов Ю. А., Татарский В. И., Случайные поля, M., 1978; Гочелашвили К. С., Шишов В. И., Волны в случайно неоднородных средах, в кн.: Итоги науки и техники. Радиофизика. Физические основы электроники. Акустика, т. 1, M., 1981; Гершман Б. H., Ерухимов Л. M., Яшин Ю. Я., Волновые явления в ионосфере и космической плазме, M., 1984.

В. И. Шишов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.