Дослідження Землі з космосу

З початку 1980-х рр. у відділі починається розробка космічного радіолокатора бічного огляду і скануючого радіометра для вивчення океану і льодів.

Одночасно у відділі створюється літаковий комплекс апаратури, що складається з радіолокатора бічного огляду сантиметрового діапазону (РБО-3) і скануючого восьмиміліметрового радіометра (РМ-08) з оперативною обробкою інформації на борту, аналог космічної системи. У перших же експериментах підтверджена ефективність запропонованої в ІРЕ АН УРСР системи для вивчення океану і льодів [1].

Спільне використання інформації РБО-3 і РМ-08 принципово мало б забезпечити отримання даних про стан морської поверхні і льодів,  глибших, ніж дані кожного окремо взятого датчика. У ряді ситуацій ці можливості були проілюстровані, проте інформативність радіометричних систем виявилася набагато меншою, ніж очікувалося. У цей період отримано переконливі дані про можливості радіолокаційних спостережень льодів. Результати цих досліджень переконали співробітників відділу в перспективах радіолокаційних спостережень льодів з космосу. Вжиті численні спроби теоретично інтерпретувати дані зондування льодів, на жаль, не привели до створення адекватної моделі і методів розрахунку. Явище розсіювання льодами виявилося багато складнішим, ніж розсіяння морем. Разом з тим виконані дослідження показали перспективи вирішення широкого кола завдань по вивченню океану і льодів з космосу.

У 1983 р. запущений ШСЗ Космос-1500 (рис.1) з першим вітчизняним оперативним РБО зі смугою огляду близько 500 км і просторовою роздільністю 1-2 км [2].

Параметри РБО Космос-1500 (див. табл.1) обрано оптимальними для вивчення мезомасштабних процесів в океані і льодах, що забезпечувало можливість контролю основних взаємодій в системі океан-атмосфера, основних процесів льодоутворення і динаміки льодових покривів.

 Рис 1. Космічний апарат «Космос – 1500» з радіофізичної апаратурою дистанційного зондування Землі на борту (ВДНГ СРСР)

Таблиця 1

Параметри	РБО-3
Довжина хвилі, см	3,1
Поляризація	ВВ
Діапазон кутів спостереження	20°-46°
Ширина ДС антени: в азимутальній площині в угломестной площині	0,2° 42°
Просторова роздільна здатність, км: при передачі по М- лінії при передачі по ДМ-лінії	2 х 2,5 0,8 х 2,5
Чутливість приймача, дБ / Вт	-140
Потужність передавача	100 КВт
Тривалість імпульсу, мкс	3
Частота повторення імпульсів, Гц	100
Висота орбіти ШСЗ, км	650
Нахил орбіти	82,6°
Смуга огляду, км	450

Висока оперативність системи досягалася як вибором параметрів, так і обробкою інформації на борту і передачею її в міжнародному стандарті АРТ на широку мережу споживачів (у тому числі і на автономний пункт прийому та обробки космічної інформації в ІРЕ).

Розробка РБО і скануючого радіометра була передана НДІ радіовимірюваннь для промислового виготовлення. НДІРВ виготовив системи ШСЗ Космос-1766, 1899, Океан, перших українських національних систем ДЗЗ Січ-1, Січ-1м.

Починаючи з середини 1980-х рр. відділ приступив до розробки концепції побудови багатоцільових аерокосмічних оперативних радіолокаційних систем (БРЛК), що забезпечували спостереження океану, льодів і суші. Ця система планувалася до установки на ДОС “Мир” [3].

Пізніше запропоновано вирішення і виконано оцінку інформативності різних ра-діолокаційних систем дистанційного зондування. Було показано, що максимальну інформативність має комплекс, що складається з РБО, РСА і скатерометра. Відповідно до запропонованої концепції в період 1987-1990 рр. відділом спільно з ЦСКБ (Самара) і КБ “Південне” були виконані розробки перспективного варіанта багатоцільового радіолокаційного комплексу. Цю комплектацію було запропоновано до установки на національний супутник дистанційного зондування.

Багатоцільовий авіаційний радіолокаційний комплекс.

Паралельно з розробкою космічного варіанту створювався літаковий багатоцільової авіаційний радіолокаційний комплекс (МРЛК – «МАРС») [4]. Він був призначений як для забезпечення наукових досліджень, так і для виконання експлуатаційних робіт. Склад і параметри комплексу вибиралися також на основі запропонованої концепції (рис.2, табл. 2).

Реалізація активної фазованої ґратки (АФАҐ) дозволила вирішити комплекс проблем: компенсація еволюції носія; високий енергетичний потенціал РСА; оперативна обробка інформації на борту. Запропоноване рішення виключило необхідність управління супутником для компенсації траєкторних спотворень. Необхідно зазначити, що застосовані рішення дозволили досягти смуг огляду, перевищуючих смуги більшості космічних РСА, існуючих на тій момент.

Рис.2 Літак – лабораторія МРЛК ІЛ-18Д

Таблиця 2

Параметри	РБО-0.8	РБО-3	РСА-23	РСА-180
Довжина хвилі, см	0.8	3	23	180
Тривалість імпульсу, мкс стисненого ЛЧМ імпульсу розтягнутого ЛЧМ імпульсу	0.15	0.15	0.15 7	0.25 28
Потужність випромінювання імпульсу, кВт	50	100	1.5	0.3
Ширина спектра, МГц	6.5	6.5	12	6.5
Частота повторення імп., Гц	1000	1000	1000	1000
Чутливість приймача, Вт	10-12	10-13	10-14	5х10-14
Коефіцієнт посилення антени, дБ	33	30	19,4	11
Ширина ДС антени, град: в азимутальній площині в кутомісцевій площині	0.3 50	0.6 42	3.6 63	35 70
Тип антени	АДИ	ХЩ	АФАГ	ФАГ
Поляризація	ВВ, ГГ, ВГ	ВВ	ВВ, ГГ, ВГ, ГВ	ВВ, ГГ, ВГ, ГВ
Смуга огляду, км	15	2 х 45	15, 30	30, 60
Початковий кут огляду, град	20	20	20	20
Дозвіл, м	30…50*	20…50*	25…50* 2.5…25**	50…100* 10…50**

* Цифрова бортова обробка

** Цифрова наземна обробка

Застосування оригінальних систем калібрування потенціалу РБО і РСА з використанням ліній затримок на НВЧ дозволило досягти точності вимірювань до 2 дБ, що забезпечувало потреби більшості вимірювань параметрів об’єктів природного середовища [5].

Створення конформних антен для всіх систем, включаючи РСА 1,8 м, дозволило зберегти льотні якості літака, що має принципове значення для вивчення важкодоступних районів.

На борту був літака встановлено пункт прийому космічної інформації і створено радіоканал для оперативної передачі одержуваної інформації на Землю споживачам.

Багатоцільовий літаковий радіолокаційний комплекс розроблено А.І. Калмиковим, В.М. Цимбалом, О.С. Курекіним, О.Я. Матвєєвим, В.В. Іголкіним, М.В. Васильєвим, Г.І. Клочко, В.І. Зельдісом, А.С. Левдою, С.А., Шило, В.Ю. Левантовським, А.І. Логвіненко, В.Б. Єфімовим, О.С. Гавриленко, Л.В. Єленським, С.Є. Яцевичем та ін.

Практичне використання аерокосмічної інформації.

За своїми технічними характеристиками космічний РБО-3 не мав аналогів при практичному вивченні океану і льодів. Хоча системи Seasat, Shattle, згодом ЕRS-1, Radarsat та ін. мали високі потенційні характеристики, практичне використання їхньої інформації виявилося ефективним лише для суші. Ефективність РБО «Космос-1500» ґрунтувалася, насамперед, на використанні результатів фундаментальних досліджень і підтверджена на практиці.

Так, в 1983 р. за даними РБО Космос-1500 врятовано з кризового становища в важких льодах караван суден в Арктиці (протока Лонга) – рис.3.

У 1984 р. виявлено ураган Diana на узбережжі США, проведено синхронні літакові (США) і космічні (СРСР) експерименти, визначено точністні можливості вимірювання параметрів вітру (рис.4).

У 1985 р. проведено операцію з порятунку судна “Михайло Сомов”, затертого в льодах Антарктики – рис.5.

У 1986 р. патрулювали відкол шельфового льодовика в Антарктиді зі станцією “Дружна-1”.

У 1988 р. за даними РБО Космос-1766 спостерігався процес танення снігів у Дніпровському каскаді. Велика кількість снігів загрожувала катастрофічною повінню і, побоюючись її, адміністративні органи збиралися спустити водосховища на Східній Україні. Було б завдано величезної матеріальної та екологічний шкоди. Небезпека повені погіршувалася Чорнобильською катастрофою. Інформація РБО оперативно використовувалася в штабі паводкової ситуації і дозволила уникнути подібних втрат у Дніпровському каскаді водосховищ (рис.6).

У процесі досліджень з космічними РБО отримано ряд фундаментальних результатів. Спільні синхронні спостереження хмарних структур за допомогою оптичного сканера і поверхні океану за допомогою інформації РБО дозволили встановити, що всі основні процеси в системі океан – атмосфера проявляються на поверхні океану в зміні структури поля хвилювання (вітру). Саме цим методом ідентифіковано серпоподібні структури в радіолокаційних зображеннях океану, які проявилися у вигляді конвективних осередків. Одним з яскравих результатів стала розробка методики вимірювання енергетичних параметрів вихороподібних структур в системі океан – атмосфера, зокрема, вимірювання потужності тропічних циклонів (ураганів, тайфунів). Це дозволяє задовго до виходу ураганів на сушу виміряти їх потужність і оцінити їх небезпеку, прийняти необхідні заходи. На підставі проведених досліджень з’явилася принципова можливість виявлення зародження ураганів та їх розвитку.

Згодом спільно з фахівцями НАСА (США) запропоновано комплексувати інформацію РБО ШСЗ типу Космос-1500 / Океан, яка дозволяє оцінювати параметри ураганів в океані, з даними супутника ТRММ, що вимірює інтенсивність зливових дощів після виходу урагану на сушу. Спільні оптичні та радіолокаційні спостереження дозволили виявити вельми цікаві кільцеві підповерхневі структури в льодовиках Антарктиди і в Сахарі.

Радіолокаційні зображення РБО ШСЗ Космос-1500 використано для складання першої радіолокаційної карти Антарктиди, на якій виявляються відколи льодовиків, айсберги, розломи, підповерхневі геологічні структури. Цей напрямок являє собою інтерес у зв’язку з участю України в освоєнні Антарктиди.

а)	а)
б)	б)
Рис. 3. Порятунок каравану суден у протоці Лонга (1983р.) Радіолокаційне (а) зображення і тематична карта (б), на якій зазначено місце розташування судів і шлях їх виходу з льодового полону	Рис. 5 Порятунок судна «Михайло Сомов» (1985р.), Затертого в льодах Антарктики. Радіолокаційне (а) зображення і тематична карта (б) на якій зазначено місце розташування судна і шлях криголама «Владивосток» при виведенні його по тріщинах в льоду на чисту воду

а)	б)	а)	б)
Рис.4 Радіолокаційне (а) зображення тропічного циклону і тематична карта (б) із зображенням «ока  тайфуну» і умовними позначеннями швидкостей вітру		Рис. 6 Розподіл снігового покриву на території України за даними ШСЗ Січ – 1 (а – радіолокаційне зображення, б – тематична карта)

З метою широкомасштабного використання інформації радіолокаторів типу Космос-1500 / Океан було підготовлено методичні матеріали з дешифрування інформації по морю і кригам, а також методичний посібник для країн – учасниць програми «Інтеркосмос», а всі матеріали, що стосуються як створення радіолокатора, так і його експлуатації та обробки даних було узагальнено в монографії [6].

Використання радіолокаторів різних діапазонів дозволяло вирішувати широке коло наукових і практичних завдань. У вивченні моря це дозволило одночасно аналізувати стан капілярних, гравітаційно-капілярних і гравітаційних хвиль, на підставі чого в сантиметровому діапазоні вимірювалося поле приводного вітру, а в дециметровому – просторовий спектр хвилювання. Багаточастотне зондування дозволило по-новому вирішувати екологічні завдання. Наприклад, у запропонованій технології інформація РБО трисантиметрового діапазону використовується для виявлення факту розливу нафти, а дециметровий РСА дозволяє виділяти найбільш небезпечні ділянки товстих плівок (рис.7).

Завдання діагностики льодів також ефективно вирішувалися БРЛК. За допомогою дециметрового і метрового РСА виявляються айсберги, визначається стан льодів в літній період, що в сантиметровому діапазоні виявляється скрутним. При вивченні льодовиків багаточастотне зондування дозволяє провести пошарову діагностику їх структури до глибин в кілька кілометрів. Це дозволяє виявляти тріщини, розломи, геологічні структури.

Що стосується спостережень суші, то багаточастотне зондування дозволяє розділити внесок у зворотнє розсіяння  рослинністі і ґрунта. Так, відбиття на 8 мм формуються верхньою межею рослинності. На 3 см (рис.8) – шаром рослинності і іноді навіть верхнім шаром грунту. На 23 см – шаром грунту товщиною до декількох метрів На 1,8 м – шаром глибиною від декількох метрів до сотні метрів. Таке пошарове спостерігання дозволяє розділити поверхневі і підповерхневі відбиття, що забезпечує можливость вирішення задач підповерхневого зондування. При цьому глибина спостерігання становить від кількох метрів до сотні метрів залежно від вологості ґрунту (рис.9).

Літак Іл-18Д, обладнаний БРЛК, неодноразово забезпечував навігацію в Арктиці, за його допомогою контролювалися родовища нафти і газу на шельфі, виявлені газоносні соляні куполи в Харківській області, виконувалося екологічне патрулювання морської економічної зони та ін. Коло завдань, що вирішуються БРЛК, досить широке, що робить раціональним його використання в інтересах України і міжнародної співпраці.

Об’єктами зйомки були різні поверхні  що підстелюють в лісостеповій та степовій зонах України, тайгові зони Забайкалля, деякі райони Далекого Сходу, піски Кара-Кумів, гори Кавказу, Паміру і передгір’я Капет-Дага, заплави великих і малих річок, внутрішні водойми, зрошувальні канали, заболочена місцевість, засніжені райони Заполяр’я, тундра, геологічні об’єкти. Отримано матеріали по районах екологічних катастроф в районі Чорнобильської АЕС, Аральського моря, затоки Кара-Богазгол. Проводилися зйомки забруднень нафтопродуктами в районі Баку («Нафтові камені») з різноманітними товщинами нафтових плівок. На морях Тихого і Північного Льодовитого океанів (Японське, Охотське моря з островами, Баренцове, Карське, Лаптєвих та ін.) Проводились вимірювання параметрів морського хвилювання і льодової обстановки (рис.10). Отримано матеріали по льодовиках на Новій Землі і Землі Франца Йосипа і ряду інших (рис. 11).

Крім цього для ряду тестових полігонів було отримано гідрометеорологічну інформацію і наземні дані, отримані синхронно зі зйомкою з літака. Відбиралися проби ґрунту і рослинності з метою отримати дані про фізикохімічні і геометричні параметри поверхні, що підстелює. Ці додаткові дані дозволили по-новому підійти до створення емпіричних і теоретичних моделей відбиття від різноманітних типів поверхонь, що підстелюють.

а)	а)
б)	б)
в)	в)
Рис.7. Контроль забруднень морської поверхні нафтопродуктами на Каспійському морі в районі «Нафтові камені».  РБО СМ – (а), РСА ДМ – (б), тематична карта – (в)

а)	б)	г)
Рис. 8 Сезонні радіозображення с/г територій в Харківській області, отримані РБО СМ в серпні (а) і жовтні		Рис.9 Багаточастотні зображення (а – РБО СМ, б – РСА ДМ, в-РСА – М) і тематична карта (г) алмазоносного району в Архан-гельській області

а)              б)             в)              г)	а)                   б)                      в)
Рис. 10 Багаточастотні зображення морських льодів різного віку (а -РБО 3, б – РСА 23, в – РСА 180), тематична карта віку льоду виконана за міжнародними гляціологічними стандартами – г	Рис.11 Багаточастотні зображення льодовиків на землі Франца – Йосипа (а -РБО 3, б – РСА 23, в – РСА 180)

Літакові дослідження, забезпечуючи наукові потреби, послужили і для відпрацювання методик обробки і дешифрування інформації для споживачей, дозволили розв’язувати різні народно-господарські завдання.

Дослідження з борту літака-лабораторії тривали до 1995 р. і були завершені з причин припинення фінансування.

Основні наукові результати, отримані співробітниками Інституту в процесі роботи над апаратурними комплексами, в області теоретичних досліджень, обробки результатів, впровадження отриманих даних споживачеві представлено в працях [7-46].

Таким чином, розпочате більше 40 років тому вивчення фізичної природи розсіювання НВЧ радіохвиль морською поверхнею, послужило основою нового наукового напрямку в Академії наук України – радіофізичних досліджень природного середовища Землі з аеро-космічних носіїв. Відмінною особливістю робіт у цьому напрямку стало поєднання фундаментальних досліджень з розробкою на основі їх результатів нової апаратури дистанційного зондування.

Широке коло наукових і практичних завдань вирішено з використанням розробленого першого вітчизняного космічного радіолокатора бічного огляду ШСЗ Космос-1500,  який впроваджено згодом до Державної космічної оперативної експлуатаційної системи Океан, першого національного Українського супутника дистанційного зондування «Січ-1». Пізніше цю систему запропоновано використовувати для виявлення критичних ситуацій та природних катастроф в інтересах світової спільноти.

У цей же період у відділі відкривається новий напрям, який очолив доктор фізико-математичних наук, професор О.П. Ніколаєнко – дистанційне зондування навколишнього середовища пасивними методами. Об’єктами досліджень є світова грозова активність, космічна погода і поширення ННЧ-ДНЧ радіовипромінювання в хвильоводі Земля – іоносфера. До складу групи увійшли старші наукові співробітники, кандидати фізико-математичних наук Л.М. Рабинович, В.А. Рафальський і О.В. Швець, пізніше до досліджень була залучена молодий співробітник О.І. Яцевич.

В рамках роботи гранту ІНТАС проводилися дослідження шуманівськго резонансу спільно з колегами з Росії, Ізраїлю та Швеції. У 1998 р був організований пункт спостережень в Карелії, робота якого продовжується і в даний час, що забезпечує отримання довготривалих рядів експериментальних даних по шуманівському резонансу. У співпраці з японськими і російськими колегами проводяться пошукові роботи з дистанційного виявлення електромагнітних провісників землетрусів.

Серед фундаментальних наукових результатів, отриманих в той період слід відмітити наступні:

• було показано, що розщеплення власних частот електромагнітного резонанса під впливом геомагнітного поля дійсно спостерігається експериментально;
• виявленіо і досліджено зміни в сигналах глобального резонансу, які пов’язані зі змінами «космічної погоди»;
• вирішено зворотні задачі з відновлення просторового розподілу мірової грозової активності, що використовують як дані шумановского резонансу, так і розподіл кутів приходу ННЧ-НДВ атмосфериків.

У 1999 році в колектив влилася група співробітників 32 відділу на чолі з доктором фізико-математичних наук В.К. Івановим, який очолює відділ дистанційного зондування Землі і по теперішній час.

Основна тематика відділу не зазнала істотних змін – це в першу чергу дистанційні методи і засоби дослідження природного середовища Землі і ряд нових напрямків, пов’язаних з дистанційними методами діагностики та вивчення дії електромагнітного випромінювання на живі організми і людину.

СУЧАСНИЙ ПЕРІОД

У 2005-2014 рр. під керівництвом завідувача відділом В.К. Іванова виконувалися роботи за основними, традиційним для відділу, науковими напрямками:

1. дистанційне зондування поверхні Землі з аерокосмічних носіїв радіофізичними методами (Цимбал В.Н., Яцевич С.Є, Матвєєв О.Я.);
2. низькочастотні хвилі і природні резонанси як засіб дистанційного зондування навколишнього середовища (О.П. Ніколаєнко, О.В. Швець);
3. дослідження розповсюдження УКХ в неоднорідних випадково-шаруватих середовищах над шорсткою поверхнею (В.М. Шаляпін, Ю.В. Левадний);
4. дослідження взаємодії електромагнітних полів НВЧ діапазону з біологічними об’єктами (О.М. Стадник , О.О. Сілін).

У цей період були розпочаті нові наукові напрямки: вивчення проявів надзвичайних ситуацій на морській поверхні і суші методами ДЗЗ (Матвєєв О.Я). Фокусування електромагнітного випромінювання в середовищах з штучними матеріалами (О.М. Стадник, О.О. Сілін). Вивчення впливу дощів на поширення зондуючих радіосигналів міліметрового і субміліметрового діапазонів і розробка досконалих дождемірних метеоприладів (Ю.І. Малишенко).

За результатами робіт виконаних з борту літака лабораторії сформовано банк радіолокаційних відбитків та даних контактних вимірювань, на основі якого встановлено взаємозв’язок багаточастотних радіолокаційних зображень з широким спектром ґрунтових характеристик. Розглядаються питання впливу рослинного покриву і лісів при наявності складного рельєфу місцевості, наявності об’ємних розсіювачів, широкого спектра шорсткостей поверхні на розсіяний сигнал при дистанційних методах зондування Землі.

Триває робота з вивчення можливості застосування природних сверхнизькочастотних ЕМ випромінювань, що порушуються розрядами блискавок в порожнині Земля-іоносфера для діагностики навколишнього середовища.

При вивченні проблеми діелектричних властивостей різних матеріалів природного походження, в тому числі біологічних тканин, розроблено та апробовано нові технічні рішення, проведено натурні експерименти, накопичено банк нових експериментальних даних про величини діелектричної проникності тканин і органів с/г тварин, експериментально апробовано сучасний більш гуманний і більш оперативний спосіб  стерилізації репродуктивних органів с/г тварин.

За останні 10 років колективом відділу було отримано ряд фундаментальних ре-зультатів в області створення методів дистанційного моніторингу катастрофічних явищ на суші і морі. Так, результати відпрацювання (за допомогою авіаційного комплексу дистанційного зондування АКДЗ-30) методики комбінованої (в умовах сухого осіннього сезону) добової і сезонної радіолокаційно-радіотеплової (термальної ІК) авіаційної зйомки покритих травостієм меліорованих ґрунтів показали, що з її допомогою може бути вирішена задача виявлення низки небезпечних катастрофічних процесів – поверхневого та підповерхневого перезволоження (в результаті неробочого стану дренажних каналів) ґрунту (раніше осушених заболочених ділянок), а також підземних осередків низькотемпературного окислення і самонагріву органічних речовин (у тому числі торфу), який їх самозайманням на ділянках, що переосушені[47]. (Цимбал В.М., Матвеєв О.Я., Яцевич С.Є. і Бичков Д.М.)

Експериментальні результати дозволили створити метод виявлення та картографування в районах підтоплення і заболочення шляхів міграції ґрунтових вод по прихованим зонам алювіальних відкладень, пов’язаним з руслами древніх річок, що дозволяє (при поєднанні з підповерхневим георадарним зондуванням) визначати перепіз таких зон міграції та оцінювати їх фільтруючу здатність [48]. (Іванов В.К, Цимбал В.М., Яцевич С.Є., Бичков Д.М.)

Отримано результати перших експериментів з відпрацювання методики програмної ідентифікації катастрофічних підповерхневих процесів – перезволоження грунту, низькотемпературного саморозігріву і загоряння органічних речовин (торфу, сіна, соломи тощо) на раніше осушених заболочених ґрунтах на основі даних термальної ІК і радіолокаційної зйомки. Результати комп’ютерної процедури тривимірної кластеризації даних комбінованої добової радіолокаційно-радіотеплової авіаційної зйомки свідчать про надійний поділ кластерів і впевнене співвіднесення (для обраниої ділянки) отриманих кластерів з результатами експертних оцінок. (Іванов В.К., Цимбал В.М., Яцевич С.Є., і Бичков Д.М.)

Співробітниками відділу також запропоновано і обґрунтовано нові супутникові радіолокаційний методи діагностики катастрофічних явищ, пов’язаних з аварійними розливами нафти на морській поверхні і хвилями сейсмічного походження.

При цьому, розроблено методику реалізації та перевірки радіолокаційного багатокутового методу дистанційного зондування, як за даними одночастотного методу, так і з залученням нової моделі розтікання нафти по морській поверхні, що підтверджує можливість використання методу для оперативного вимірювання товщини нафтової плівки на морській поверхні. Для збільшення достовірності верифікації необхідно додавати дані радіометричних і контактних вимірювань [49]. (А. Г. Боєв, О. Я. Матвєєв, В.М. Цимбал)

Для створення методу дистанційного радіолокаційного виявлення морських сейсмічних хвиль було розв’язано задачу впливу таких хвиль на спектр короткохвильового ветрового хвилювання (вітрової брижі), що розсіює зондуючі радіохвилі. При цьому вираз для радіоконтрасту вітрової брижі, що розвивається на довгій сейсмічної хвилі, було розроблено на основі лінійної, але більш загальної гідродинамічної задачі про взаємодії коротких хвиль з довгою хвилею, з урахуванням тиску вітру, в’язкості, повного поля швидкостей рідини в довгій хвилі. Запропонована гідродинамічна модель впливу сейсмічної хвилі на вітрове хвилювання є найменш інерційною. Дана модель дозволяє пояснити вплив вітрової брижі на сейсмічні хвилі типу цунамі, що швидко розповсюджуються. Отримані експериментальні результати підтверджують можливість радіолокаційної діагностики проявів небезпечних сейсмічних хвиль.

Проведений аналіз показав, що морські хвилі сейсмічного походження при зондуванні в сантиметровому діапазоні довжин радіохвиль характеризуються позитивними величинами радіоконтрастів на задньому схилі хвилі і негативними – на передньому. Їх величини, і це підтверджено радіолокаційними даними РБО ШСЗ “Січ-1”, достатні для впевненого виявлення навіть відносно слабких проявів сейсмічних хвиль з аерокосмічних носіїв. (А. Г. Боєв, О. Я. Матвєєв, В.М. Цимбал)

Для вирішення завдань дистанційного зондування Землі у відділі з участю Іванова В.К., Пащенко Р.Е., Cтадніка О.М., Яцевича С.Є. використано методи фрактальної обробки інформації. На основі побудови поля фрактальних розмірностей радіолокаційнихних зображень показано можливість відокремлення різних типів природних об’єктів. Для аналізу використано багаточастотну інформацію, отриману літаковими і супутниковими радіолокаторами в міліметровому, сантиметровому, дециметровому і метровому діапазонах довжин хвиль.

Проведений аналіз дозволив виділити характерні типи лісових масивів, сіль-скогосподарчих угідь, дороги, ерозійні особливості місцевості, межі снігового покриву і його області з різним вмістом вологи, визначити кордон лід-море і області течій з різною фрактальної структурою, а також здійснити сегментацію меж областей забруднення морської поверхні і виділити зони циклону, що мають різні енергетичні характеристики [50].

У відділі розроблено систему управління розподіленими базами даних дистанційно-ного зондування землі, яка: дозволяє на відміну від існуючих в даний час систем, зберігати й обробляти в підтримуваних системою базах даних радіолокаційну інформацію дистанційного зондування землі великих обсягів; забезпечує доступ до радіолокаційних зображень в реальному масштабі часу для забезпечення користувачів інформаціїєю дистанційного зондування Землі.

При дослідженні фрактального трафіку в телекоммунікацііонних системах передачі даних ДЗЗ виконано: моделювання фрактального шуму і броунівського руху, що спостерігається в мережевих буферах і при передачі великих файлів; досліджено характер побудови черг при мережевому проектуванні; побудовано модель мережевого процесу з урахуванням компенсації втрати пакетів інформації. Розроблено нові методи управління інформаційними потоками в телекомунікаційних мережах обміну та обробки даних ДЗЗ [51]. (Кучук Г.А.)

У результаті порівняння даних вимірювань і обчислень доведено розщеплення ліній глобальних електромагнітних (шуманівських) резонансів [52]. Зняття резонансного виродження, як правило, не видно в звичайному спектрі потужності електричного або магнітного поля, так як розщеплення мало в порівнянні з природною шириною резонансних ліній. Розділення може бути виявлено шляхом використання просторової структури полів і/або еліптичної поляризації магнітного поля. Просторові властивості було використано в синхронних і послідовних вимірах вертикального електричного поля в двох обсерваторіях. Зняття виродження також проявляється в якості частотно-залежної еліптичної поляризації горизонтальній компоненти вектора магнітного поля, яка була виявлена експериментально.

Вперше глобальний розподіл блискавок було отримано в результаті рішення зворотної задачі для природного електромагнітного фонового поля наднизької частоти (ННЧ), виміряного одночасно на трьох станціях: Лехта (Карелія, Росія), Моширі (Хоккайдо, Японія) і Вест Гринвіч (Род-Айленд , США) [53]. Ми використовували двоетапний метод, що складається з: (1) інверсії спектрів ННЧ поля в розподіл джерел по дальності для кожної станції мережі і (2) обробки отриманих розподілів в якості проекцій в методі томографічної реконструкції. Структура вихідних розподілів по дальності, отриманих з експериментальних спектрів поля, змінюється протягом дня характерним чином для кожної станції, що може бути пояснено перерозподілом активності джерел в тропічних континентальних районах, так званих світових грозових центрах. Порівняння отриманих розподілів джерел і супутникових даних показало задовільну згоду, яка підтверджує працездатність методики інверсії для картування глобального розподілу блискавок по поверхні Землі.

Для аналізу даних, отриманих в трьох обсерваторіях, було також застосовано роба-стну методику, яка відокремлює варіації інтенсивності поля в універсальному та місцевому часі [54]. Середньодобові варіації було отримано для кожного місяця за період з серпня 1999 по грудень 2001 для кожної обсерваторії. Добові варіації для окремих місяців повторюються з року в рік, що свідчить про те, що просторово-часовий розподіл глобальних гроз щорічно відтворюється з незначними відхиленнями. Інший метод, заснований на геометричному усередненні записів, було використано для отримання альтернативних оцінок глобальної інтенсивності гроз. Результати, отримані в обох методах, показують виняткову подібність.

За спостереженнями глобального електромагнітного (шуманівського) резонансу виявлено модифікацію іоносфери в результаті гамма спалаху від SGR 1806-20 (27 грудня 2004) [55]. Гамма-промені знизили іоносферу на денній стороні земної кулі і модифікували спектри шуманівською резонансу. Гамма-спалах модифікував ток глобального електричного кола і, таким чином, став причиною “параметричного” ННЧ перехідного процесу. Результати моделювання порівнювалися зі спостереженнями і дозволили оцінити зміни в глобальному електричному колі. (Ніколаєнко О.П., Швець О.В., Яцевич О.І.)

У 2014-му році у видавництві Springer опубліковано монографію [56] в якій подано як теоретичні основи, так і результати новітніх досліджень шуманівського резонансу. Розглянуто такі проблеми: методи експериментальних спостережень шуманівських резонансів; виявлення іоносферних збурень, пов’язаних з сонячними протонними подіями, надпотужним гамма-спалахом, а також викликаних сейсмічною активністю; розв’язок зворотних задач з використанням результатів однопозиційних і багатопозіційних вимірювань для визначення характеристик світових гроз і властивостей нижньої іоносфери; зв’язок варіацій природного ННЧ поля з глобальною температурою.

Під керівництвом В.К. Іванова в цей період у відділі отримав подальший розвиток науковий напрямок, пов’язаний з діелектрометрією біологічних тканин і об’єктів. У співавторстві з О.О. Силіним і О.М. Стадником було проведено теоретичні дослідження, чисельне моделювання та експериментальне відпрацювання питань, пов’язаних з застосуванням методу відкритого кінця коаксіальної лінії.

В роботі [57] досліджено похибки визначення комплексної діелектричної проникності диссипативного середовища методом відкритого кінця коаксіальної лінії. Показано, що додаткові похибки у визначенні діелектричної проникності 2-міліметровим коаксіальним зондом в діапазоні частот від 2 до 18 ГГц, що виникають в результаті того, що застосовувані моделі не враховують особливостей реальної геометрії задачі (відсутності фланця у зонда і близькості апертури до поверхні середовища), менші за похибки через неврахування вищих мод на апертурі зонда.

Досліджено чутливість зондів і розраховано помилки визначення діелектрічних параметрів різних біологічних тканин, зумовлені похибками вимірювання комплексного коефіцієнта відбиття в НВЧ діапазоні [58]. Визначено критерії вибору оптимального діаметра зонда в залежності від частоти і типу біологічної тканини (з високим або низьким вмістом води).

Було розроблено модель адмітанса ізольованого коаксіального зонда і на її базі адаптовано методику вимірювання комплексної діелектричної проникності відкритим кінцем коаксіальної лінії [59]. Отримані оцінки чутливості показали можливість використання ізольованого зонда для вимірювання діелектричних характеристик рідких середовищ і біологічних тканин в НВЧ діапазоні. Незважаючи на деяку втрату чутливості в порівнянні з традиційним методом, ізольований зонд має забезпечити більш високу відтворюваність результатів вимірювань. Розглянута в роботі задача примикає до проблеми зондування шарів кінцевої товщини, що має самі різні практичні застосування: від визначення товщини емульсійних шарів і пакувальних матеріалів до діагностики раку шкіри в медицині.

Вперше показано, що тонка підкладка з метаматериала з одночасно негативною діелектричною та магнітною проникностями може призводити до появи резонансних мінімумів на частотної залежності коефіцієнта відбиття коаксіального зонда від шару середовища, що зондується [60]. Фізично це пояснювалося ефективним збудженням поперечно-магнітної поверхневої хвилі на межі середовища, що зондується, та метаматеріалу. На основі цього явища запропоновано модифікацію методу вимірювання комплексної діелектричної проникності рідин коаксіальним зондом, яка вимагає тільки амплітудних вимірювань коефіцієнта відбиття і можливості регулювати і вимірювати товщину шару рідини, що зондується з точністю 0,01 мм. При цьому вимірювання в смузі частот порядку 10% можуть забезпечити визначення діелектричної проникності одним і тим самим зондом в діапазоні її значень не менше декади з похибкою менше 5%. Такий метод також зручний для безперервного моніторингу малих відносних змін діелектричних параметрів досліджуваної рідини в технологічних процесах або наукових експериментах.

Практична реалізація наукових результатів групи здійснювалася за участю О.С. Фатєєва. Спільно зі співробітниками Інституту загальної та невідкладної хірургії АМН України були проведені дослідження можливості застосування електромагнітного випромінювання вкрай високої частоти (ЕМВ КВЧ) в лікуванні різних захворювань. На їх основі була розроблена конструкція компактного пристрою для опромінення ЕМВ КВЧ оперативно відкритих внутрішніх органів, ефективність якого досягається безпосереднім контактом опромінювача з органом [61]. За допомогою комп’ютерного моделювання було оптимізовано конструкцію опромінювача і підібрані режими опромінення, виготовлено макет пристрою і проведено його лабораторні випробування.

У відділі досліджено умови поширення радіохвиль сантиметрового і міліметрового діапазонів в приводному шарі атмосфери над морем, включаючи прибережні райони; вплив флуктуацій коефіцієнта заломлення і морського хвилювання на усереднені та флуктуаційнї характеристики радіосигналів; найбільш використовувані математичні моделі приводного шару атмосфери.

Труднощі, що виникають при побудові адекватної моделі приводного шару атмо-сфери, пов’язані з уточненнями емпіричних залежностей і подальшою перевіркою моделі на експериментальному матеріалі. Для перевірки обрані найбільш відомі моделі LKB (США), РДГМУ (РФ), ECMWF (ЄС), COARE (США). Розроблено алгоритми і програми оцінки радіометеорологічних параметрів за даними СГМВ, проведено зіставлення розрахованих параметрів з синхронно обмірюваними рефрактометром параметрами приводного хвилеводу випаровування. Показано, що точність вимірювання висоти хвилеводу вища для нестійкої атмосфери і складає близько 2,5 м. Всі моделі занижують величину висоти хвилеводу випаровування в області великих значень (10 – 20 м). Проведено оцінки чутливості моделей до точності СГМВ. Показано, що модель РДГМУ більш чутлива до точності СГМВ, ніж LKB.

Проведено дослідження структури поля см і мм радіохвиль в прибережних районах над морем чисельним методом розв’язку параболічного рівняння з покроковим розбиттям і перетворенням Фур’є. Проведено дослідження впливу аномально високих градієнтів поблизу поверхні моря. Показано, що при стандартній атмосфері в міліметровому діапазоні радіохвиль спостерігається спотворення пелюсткової структури (звуження і притиснення до поверхні моря першої пелюстки, а також зсув наступних пелюсток вгору), в сантиметровому діапазоні спотворення відсутні. При збільшенні рівня рефракції спостерігається збільшення кількості притиснутих пелюсток. Подальше збільшення висоти хвилеводу і її зміна з відстанню призводить до руйнування пелюсткової структури з близької відстані. Цей ефект проявляється сильніше для випадку низько розташованих антен. Для сантиметрових радіохвиль перехід від звичайної інтерференційної структури до неправильної відбувається безперервно. При повільних змінах розподілу коефіцієнта заломлення структура поля на хвилі 3 см залишається більш стійкою.

Виконано дослідження впливу дощів на роботу РЛС в діапазоні (1- 100 ГГц), обчислені коефіцієнти ослаблення і питомої відбиваності з використанням метеорологічної статистики випадання дощів і їх інтенсивності в одному з регіонів України для оцінки збою роботи РЛС.

Удосконалено метод чисельного розв’язку параболічного рівняння для оцінки рівня поля НВЧ радіохвиль, декремента затухання за рахунок регулярної рефракції і до-додаткового декремента загасання, обумовленого розсіюванням на неоднорідностях ко-коефіцієнта заломлення і висвічуванням енергії з хвилеводу для різних профілів. Проведено моделювання структури поля для хвилеводів з різними параметрами. Отримано гарний збіг з експериментальними даними, відзначено неодноріднийність висвічування енергії з хвилеводу випаровування уздовж дистанції поширення.

В результаті зіставлення ефективної висоти хвилеводу випаровування, оціненої за виміряними дистанційними залежностями множника ослаблення і відновленої по СГМВ, показано, що вплив флуктуацій коефіцієнта заломлення, що обумовлює додаткове зменшення множника ослаблення, можна врахувати за допомогою зниження реальної висоти хвилеводу в середньому на 2 м без шкоди для практичного застосування. Результати опубліковано в роботах [62-66]. (Ю. В. Левадний, В. К. Іванов, В. М. Шаляпін, Ю.І. Малишенко).