ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………………… 5

ГЛАВА 1 Полевые и лабораторные исследования условий распространения
радиосигналов СубТГц диапазона частот в атмосфере Земли ……………………………………………….. 13

1.1 Роль СубТГц диапазона частот для развития спутниковой телекоммуникации,
радиоастрономии и спектроскопии ………………………………………………………………………………………. 13

1.2 Задачи и методы полевых исследований условий распространения радиосигналов
СубТГц диапазона частот в атмосфере Земли……………………………………………………………………….. 15

1.3 Задачи и методы лабораторных исследований спектральных характеристик
прозрачности атмосферы в СубТГц диапазоне ……………………………………………………………………… 18

1.4 Выводы к главе 1 …………………………………………………………………………………………………. 20

ГЛАВА 2 Модернизация и калибровка радиометрических комплексов «МИАП-2»…….. 21

2.1 Метод измерений и принцип работы радиометрического комплекса МИАП-2 ………. 21

2.1.1 Обзор методов измерения оптической толщины атмосферы в мм диапазоне .. 22

2.1.2 Аппаратурный комплекс МИАП-2 ……………………………………………………………… 26

2.2 Модернизация радиометрического комплекса и сопутствующих систем……………….. 32

2.2.1 Оценка погрешностей, связанных с диаграммой направленности рупорной
антенны ……………………………………………………………………………………………………………………….. 32

2.2.2 Система удалённого доступа и жизнеобеспечения прибора при автономной
работе под воздействием жёстких климатических условий ……………………………………………. 38

2.2.3 Автоматический метеорологический модуль радиометра МИАП-2 …………….. 40

Схема и принцип действия ……………………………………………………………………………… 41

Тестовые результаты ………………………………………………………………………………………. 44

2.2.4 Повторная калибровка модуляторов-калибраторов. …………………………………….. 45

2.2.5 Волноводный фильтр для 3-мм канала радиометра для обсерватории Суффа . 48

2.3 Новая методика расчёта оптической толщины по методу атмосферных разрезов…… 54

2.3.1 Алгоритм методики ……………………………………………………………………………………. 56

А. Оценка оптимального времени накопления ………………………………………………… 56

Б. Измерение и фильтрация шумов аппаратуры ………………………………………………. 57

В. Коррелятор облачности ………………………………………………………………………………. 58
Г. Исключение инверсных углов …………………………………………………………………….. 59

Д. Расчёт оптической толщины……………………………………………………………………….. 60

2.3.2 Тестирование методики ……………………………………………………………………………… 61

2.3.3 Статистическая оценка результативности разработанной методики …………….. 62

2.4 Выводы к главе 2 …………………………………………………………………………………………………. 63

ГЛАВА 3 Повышение чувствительности и температурного диапазона резонаторного
спектрометра мм и субмм диапазонов ………………………………………………………………………………….. 66

3.1 Методика и принцип работы резонаторного спектрометра. Постановка задачи……… 66

3.2 Расчёт и модернизация квазиоптического тракта спектрометра. Снижение уровня
паразитной интерференции ………………………………………………………………………………………………….. 68

3.2.1 Расчёт поля на раскрыве рупора …………………………………………………………………. 68

3.2.2 Расчёт параметров пучка в квазиоптическом тракте ……………………………………. 73

3.3 Модернизация узлов спектрометра и её результаты ……………………………………………… 74

3.3.1 Автоматизация системы регулирования амплитуды резонансной кривой ……. 75

3.3.2 Электромеханическая система регулировки длины резонатора……………………. 77

3.3.3 Автоматизированная система термометрии квазиоптического резонаторного
комплекса …………………………………………………………………………………………………………………….. 79

3.3.4 Малошумящий усилитель постоянного тока для системы считывания отклика
резонатора ……………………………………………………………………………………………………………………. 80

3.3.5 Расчёт и модернизация тепловых криогенных интерфейсов ………………………… 82

3.4 Выводы по главе 3 ……………………………………………………………………………………………….. 86

ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования потерь излучения СубТГц диапазона ……. 88

4.1 Экспериментальное определение соотношения оптической толщины мм диапазона и
количества осаждаемой воды (PWV) ……………………………………………………………………………………. 88

4.2 Оценка эквивалентных частот радиометров по модели MPM Liebe……………………….. 91

4.3 Исследования астроклимата в экспедиционных условиях……………………………………… 94

4.3.1 Классификация измерений астроклимата по длительности …………………………. 95

4.3.2 Кратковременные исследования астроклимата в различных условиях …………. 96

4.3.3 Долговременные исследования статистики астроклимата в режиме удалённого
доступа ………………………………………………………………………………………………………………………. 101

4.3.4 Обобщение результатов исследований астроклимата на различных площадках
…………………………………………………………………………………………………………………………………… 105

4.4 Исследование спектра поглощения атмосферных газов на резонаторном спектрометре
в СубТГц диапазоне …………………………………………………………………………………………………………… 107

4.4.1 Особенности конфигурации резонаторного спектрометра для измерений
спектров атмосферных газов ……………………………………………………………………………………….. 108

4.4.2 Результаты измерений спектров атмосферных газов …………………………………. 109

4.5 Исследование потерь на отражение от металлов и металлизированных покрытий для
зеркал СубТГц диапазона …………………………………………………………………………………………………… 110

4.5.1 Измерения потерь на отражение материалов рефлекторов при криогенных
температурах………………………………………………………………………………………………………………. 110

4.5.2 Оценка влияния шумового вклада отражающей поверхности в шумовую
температуру приёмников, проектируемых с использованием охлаждаемых рефлекторов 112

4.5.3 Измерения потерь на отражение образцов высокотемпературных
сверхпроводников (ВТСП) на основе YBa2Cu3O7 при криогенных температурах………….. 113

4.6 Выводы по главе 4 ……………………………………………………………………………………………… 114

Заключение……………………………………………………………………………………………………………… 116

Список сокращений и условных обозначений ………………………………………………………….. 120

Список литературы………………………………………………………………………………………………….. 121

Во введении представлена общая характеристика диссертационной
работы: раскрывается актуальность темы работы, её цели и задачи, приводится практическая значимость работы, а также состояние вопроса на сегодняшний день и место исследований автора в кругу близких работ. Приведены формальные данные о диссертационном исследовании: апробация и публикации, личный вклад автора, положения, выносимые на защиту, структура работы и пр.
Первая глава носит обзорный характер. В разделе 1.1 описывается постановка задачи исследований. Обосновывается общий подход к выбору тематики и проводимым исследованиям.
Раздел 1.2 посвящён обзору задач и методов полевых исследований условий распространения СубТГц волн в атмосфере Земли. Отмечается необходимость поиска площадок для строительства наземной радиоастрономической станции мм и субмм диапазонов. Для предварительной разведки астроклимата этих площадок необходимо создание экспедиционной аппаратуры и развитие радиометрических методов измерения астроклимата. Приведены примеры радиометрической аппаратуры для исследования атмосферы в различных диапазонах частот. Описывается концепция модернизации радиометрического комплекса МИАП-2 с учётом обзора аналогичных инструментов. Кроме того, развитие методов исследования астроклимата завязано на модели поглощения и спектральные исследования атмосферы в контролируемых лабораторных условиях.
В разделе 1.3 описываются задачи и методы лабораторных исследований поглощения в атмосферных газах. Одним из наиболее точных инструментов для исследования спектральных характеристик поглощения является квазиоптический резонаторный спектрометр. Описывается предыстория создания резонаторного спектрометра и его состояние на момент начало исследований. Приведён обзор проблем и ограничений подобных спектрометров, а также предложены возможные технические решения для повышения чувствительности и разрешающей способности резонаторного спектрометра. Описываются его возможности по вариации условий измерений, в частности по диапазону температур и давлений, их стабильности во времени. Отмечается необходимость модернизации резонаторного спектрометра в части расширения температурного диапазона и повышения повторяемости измерений. Составляется план исследований и разработок, необходимых для реализации поставленных задач.
Во второй главе описывается разработка узлов и модернизация двухканального радиометрического комплекса миллиметрового диапазона для измерения атмосферного поглощения в натурных экспериментах.
В разделе 2.1 приводится описание методики измерений, конструкция и схемы прибора, принцип его работы, его технические характеристики. Описываются схемотехнические решения СВЧ-трактов, приводятся схемы управления и сбора данных с описанием их назначения и принципа работы. На рисунке 1 представлена функциональная схема двухканального радиометра МИАП-2.
Рисунок 1 – Функциональная схема блока приемников МИАП-2
10

В разделе 2.2 приводится описание шагов модернизации радиометрических комплексов МИАП-2 поэтапно. Описывается организация удалённого доступа, как способа управления радиометром и сбора данных. Приводится расчёт и испытание волноводных фильтров, устанавливаемых в 3-х мм канал радиометра на плато “Суффа”. Установка модулятора-калибратора на входе 2-х мм канала позволила вести наблюдения в двух окнах прозрачности атмосферы. Приводится расчёт и измерение параметров рупорно-линзовых антенн. Описывается разработка автоматической погодной станции (рисунок 2) в качестве дополнения к радиометру МИАП-2.
Рисунок 2 – Внешний вид метеостанции
Раздел 2.3 посвящён разработке адаптивного метода обработки данных, получаемых при помощи «атмосферных разрезов» (блок-схема алгоритма представлена на рисунке 3). Известным недостатком метода атмосферных разрезов является невозможность корректной работы в условиях облачности, а также со значительным шумом приёмника. Оба фактора приводят к драматическим ошибкам при вычислении оптической толщины. Разработанный метод (алгоритм) включает в себя 5 этапов. Алгоритм успешно отработан на измерениях при помощи МИАП-2. Разработанная методика позволила снизить ошибку расчёта оптической толщины атмосферы на 30% по сравнению с классическим методом «атмосферных разрезов».
лок-схема методики
Рисунок 3 – Б
Третья глава посвящена модернизации криогенного резонаторного спектрометра миллиметрового диапазона с целью проведения лабораторных исследований поглощения волн в атмосфере.
В разделе 3.1 приведен принцип работы квазиоптического резонаторного спектрометра субТГц диапазона, его параметры и структурная схема. Обсуждаются возможные пути улучшения параметров спектрометра для измерений параметров атмосферных газов для нужд атмосферной спектроскопии и для измерения потерь на отражение от металлов и металлизированных поверхностей при криогенных температурах. Приводятся перечень факторов, влияющих на чувствительность спектрометра, среди которых интерференция в волноводном тракте и температурный «дрифт» элементов спектрометра.
Рисунок 4 – Функциональная схема резонаторного спектрометра
Раздел 3.2 посвящён расчётам квазиоптического тракта и разработке рекомендаций по его модернизации. В частности, были смоделированы рупорные антенны и получены их параметры. Далее, используя ключевые параметры рупорных антенн в ближней зоне, были рассчитаны параметры квазиоптических Гауссовых пучков в спектрометре. В результате показано, что паразитная интерференция возникает из-за рассогласования параметров пучка, приходящего в резонатор и собственного пучка резонатора, а также в результате отражения от узких окон резонатора.
В разделе 3.3 описана модернизация сопроводительных узлов резонатора и её результаты. Кроме квазиоптической части спектрометра, был выполнен ряд инженерных доработок, направленных в первую очередь на автоматизацию и ускорение процесса записи спектра, что в результате привело к повышению стабильности спектрометра и повторяемости результатов. В частности, была предложена и реализована схема управления механическим аттенюатором при помощи шагового двигателя. В результате оптимизации квазиоптического тракта снижена амплитуда паразитной интерференции на 46%. Уменьшено время записи спектра с нескольких часов до нескольких минут. Достигнута чувствительность порядка 4×10-9 cm-1 в диапазоне 45 – 500 ГГц при контролируемом давлении в диапазоне 10-1000 Торр и температуре в диапазоне -30 .. +60°С.
Рисунок 5 – Собственная частотная характеристика пустого резонатора: красный (внизу) – до модернизации, синий (вверху) – после модернизации (-46% СКО).
В четвёртой главе представлены экспериментальные результаты исследований потерь излучения СубТГц диапазона.
Раздел 4.1 посвящён экспериментальным исследованиям взаимосвязи интегральной влажности и оптической толщины, как основных параметров астроклимата субТГц диапазона. Их соотношение выражается формулой:
h – высота над уровнем моря (км),
h0 – характеристическая высота кислорода =5.3 (км), W – количество осаждаемой воды, PWV (мм),
Q – водозапас облаков (кг/м3),
α – кислородная часть поглощения на уровне моря (Неп),
β – удельное поглощение в парах воды (Неп/мм),
, ,W,
o
где τtot – наблюдаемая оптическая толщина (Неп),

γ – удельное поглощение в облачности (Нем·м3/кг).
Рисунок 6 –
В эксперименте радиометр МИАП-2 вёл регулярные измерения оптической толщины τ в непосредственной близости с инструментом, измеряющим интегральную влажность W (Рисунок 6). В результате двух экспериментов с различными измерителями W на различных площадках определены значения коэффициентов α и β (Таблица 1).
Таблица 1. Коэффициенты удельного поглощения в окнах прозрачности 3мм и 2мм.
3 мм 79.7 0.086±0.001 (1.3%) 0.0053±0.00067 (12.7%)
2 мм 134 0.042±0.003 (8%) 0.0167±0.0017 (9.9%)
В разделе 4.2 приведён теоретический расчёт эквивалентных частот радиометрических приёмников с учётом ранее полученных в эксперименте коэффициентов удельного поглощения при помощи модели распространения MPM Liebe с учётом реальных высотных профилей атмосферы. Для большинства расчётов оценка эквивалентных частот измерения оптической толщины радиометром МИАП-2 (Мус-Хая) составляет: 79.7 ГГц и 134 ГГц для каналов 3мм и 2мм соответственно (Таблица 1).
Экспериментальная взаимосвязь оптической толщины мм диапазона и
количества осаждаемой воды (PWV).
Окно прозрачности
Эквивалентная частота
f, ГГц
Удельное поглощение в кислороде на уровне моря α, Неп
Удельное поглощение в парах воды β, Неп/мм

Раздел 4.3 посвящён исследованиям астроклимата в экспедиционных условиях с использованием разработанного оборудования. Они перманентно велись в ходе всего диссертационного исследования. Описаны результаты наблюдений астроклимата, накопленные в течение 9-ти лет в различных точках Восточном полушарии. В ходе 11-ти экспедиций получены уникальные данные по радиопрозрачности атмосферы, в ряде мест собрана годовая статистика. На рисунке 7 представлены медианные значения оптической толщины, измеренные комплексами МИАП-2 в течение всего периода эксплуатации. Показано, что среди исследованных площадок наилучшими по астроклиматическим условиям являются площадки: плато Суффа, гора Муус-Хая и обсерватория ИСЗФ (Монды).
Рисунок 7 – Сравнение результатов долговременных наблюдений оптической толщины в 2мм и 3мм окнах прозрачности
В разделе 4.4 посвящён исследованиям спектров атмосферных газов. Одна из наиболее острых проблем спектроскопии атмосферных газов состоит в природе континуального поглощения и в количественном определении вклада димера воды в это поглощение. Возможность экспериментального наблюдения разрешённого спектра димера воды в мм диапазоне была показана в 2007 году, а на модернизированном резонаторном спектрометре удалось впервые наблюдать его разрешённый вращательный спектр в условиях близких к атмосферным. Особый интерес представляет линия вращательного спектра кислорода с центром около 118 ГГц. Модели, которые ранее использовались для описания формы этой линии не согласовывались с данными эксперимента. Измерения, проведённые на резонаторном спектрометре, позволили получить спектр кислорода с достаточной точностью, чтобы пересмотреть модель профиля поглощения этой диагностической атмосферной линии.
Раздел 4.5 посвящён исследованиям потерь на отражение от материалов криогенных рефлекторов, проводимых на резонаторном спектрометре. Проведены исследования образцов основных металлов, используемых в качестве отражающих материалов: медь различной степени чистоты, алюминий и алюминиевая фольга различной степени чистоты, бериллий, золотое и серебряные покрытия. Показано, что реальные потери на отражение больше расчётных для чистых металлов, и они существенно зависят от чистоты материала и его кристаллической решётки, что особенно выражено при криогенных температурах. Потери на отражение на частоте 230 ГГц образца из особо чистой меди уменьшились после отжига и составили около 0.5 * 10-3 при 4К. Потери на золотом гальваническом покрытии составили около 0.6 * 10-3 при 4К. На образце ВТСП показано (Рисунок 8), что потери на отражение резко падают при наступлении сверхпроводимости, но абсолютное их значение остаётся на уровне 7 * 10-3 на частоте 230ГГц при температуре 4К, то есть примерно на порядок выше, чем у чистых металлов.
Рисунок 8 – Температурная зависимость потерь на отражение образца ВТСП на разной частоте
В заключении формулируются основные итоги и результаты работы, состоящие в следующем:
 На основе лабораторных радиометрических комплексов МИАП-2 создан мобильный автономный аппаратно-программный комплекс для измерения атмосферного поглощения в диапазоне частот 84 – 99 и 132 – 148 ГГц.
Два комплекта комплекса, обладая высокой надежностью и устойчивость к воздействию внешних факторов, в течение 9 лет были использованы для измерения астроклимата с суммарной наработкой свыше 45 000 часов.
 Разработана, апробирована и внедрена новая методика расчёта микроволнового астроклимата, позволившая уменьшить ошибку расчёта оптической толщины на 30% по сравнению с классическим методом «атмосферных разрезов».
 По результатам исследований астроклимата 22-х точек на территории Северо-Восточного полушария с использованием модернизированного радиометрического комплекса выявлены три лидирующие площадки по астроклиматическим условиям: плато Суффа, вершина Мус-Хая и обсерватория ИСЗФ (Монды).
 Сформулированы рекомендации по возможному размещению субТГц радиотелескопов будущей российской программы развития ММ астрономии и по требованиям к точности поверхности главного зеркала строящегося радиотелескопа РТ-70 на плато Суффа. В частности, доказана нецелесообразность доработки 70 метрового телескопа на высоте 2400 м до плановых рабочих длин волн 0.8 мм, и целесообразность дополнения проекта малым субММ зеркалом Ø 13-20 м размещаемом на Суффе на высоте 3200 м.
 Модернизирован резонаторный спектрометр миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов: оптимизирован квазиоптический тракт, снижена амплитуда паразитной интерференции на 46%, уменьшено время записи спектра с нескольких часов до нескольких минут. Достигнута чувствительность порядка 4×10-9 cm-1 в диапазоне 45 – 500 ГГц при контролируемом давлении в диапазоне 10-1000 Торр и температуре в диапазоне -30 .. +60°С.
 На модернизированном автором спектрометре получены спектры поглощения волн мм диапазона в атмосфере и впервые экспериментально наблюдался спектр димера воды в миллиметровом диапазоне длин волн при температурах от 7 до 49°С и давлении от 4 до 43 мм.рт.ст.
 На модернизированном спектрометре проведены измерения потерь на отражение в диапазоне частот 150 – 250 ГГц и температур 4 – 300 К от зеркал из ВТСП, меди, алюминия, бериллия, золота и серебра, позволившие дать рекомендации по оптимальным покрытиям криогенного зеркала телескопа Миллиметрон и исключить из проекта вариант зеркала из ВТСП. Показано, что наиболее оптимальным материалом покрытия криогенных субТГц рефлекторов является золотое гальваническое покрытие с потерями около 0.6 * 10-3 при 4К.

Актуальность.
Развитие техники и технологий, связанных с использованием электромагнитных волн, так или иначе сталкивается с проблемой потерь этих волн в атмосфере Земли, в волноведущих трактах, антеннах, средах и материалах. Поглощение электромагнитных волн в коротковолновой части миллиметрового (ММ) и длинноволновой части субмиллиметрового (СубММ) диапазонов, объединяемых в последнее время в субтерагерцовый диапазон (СубТГц) частот в последние два десятилетия стало одной из актуальных задач радиофизики. Исследования поглощающих свойств атмосферы необходимы для нужд радиоастрономии, телекоммуникаций, моделирования теплового баланса планеты и других практических приложений. Радиоволновая аппаратура и связанные с ней технологии развиваются по пути постепенного увеличения частот, и продвижение в направлении терагерцового (ТГц) диапазона является одним из ключевых приоритетов развития мировой и российской науки, зафиксированным Распоряжением Правительства РФ от 31 декабря 2020 г. № 3684-р 1. Это направление продиктовано разными факторами, среди которых необходимость развития высокопроизводительных коммуникаций,
радиоастрономии этого диапазона, систем безопасности и прочих приложений. Среди этих
факторов есть и фундаментальные физические задачи: к примеру, потребности микроволновой
спектроскопии, обнаружившей в ТГц и СубТГц диапазонах большое количество спектральных
линий различных молекул. [1] Исследования спектральных характеристик атмосферных газов
лежат в основе различных моделей поглощения, необходимых для расчёта теплового баланса
Земли, а создание и модернизация аппаратуры для этих исследований является актуальным
предметом научно-технических исследований.
В СубТГц диапазоне частот наблюдаются весьма интересные астрофизические явления,
поэтому, в свете развития наземной радиоастрономии этого диапазона, весьма актуальна задача
исследования условий распространения волн в атмосфере в полевых условиях с целью разведки
новых мест для постройки наземных телескопов. Особенно актуальна задача создания и
модернизации аппаратуры для экспедиционных исследований прозрачности атмосферы в
СубТГц диапазоне частот.
В настоящее время радиоизлучение во многом используется для передачи информации на
расстоянии, и направление к увеличению рабочих частот продиктовано потребностями в
увеличении скорости передачи информации, которая, в свою очередь определяется теоремой
Шеннона [2]. Согласно ей, пропускная способность радиоканала ограничивается шириной
См. 3 абзац 9 страницы Программы фундаментальных научных исследований на долгосрочный период
2021-2030гг.
полосы, а следовательно, и несущей частотой, а также шумами в канале передачи данных. Тем
временем потребность в расширении передающих возможностей радиоканалов нарастает.
Передача данных в СубТГц диапазоне является одним из перспективных направлений по
возможному расширению пропускной способности радиоканала. Диссипация волн в атмосфере
относится к шумам радиоканала и снижает его пропускную способность. Совокупность
атмосферных условий, влияющих на пропускную способность радиоканала, земля-космос, а
равно как и на качество астрономических наблюдений, называют астроклиматом. [3, 4] В разных
диапазонах частот атмосфера по-разному влияет на излучение и разные атмосферные факторы
относят к понятию астроклимата. К примеру, астроклимат оптического диапазона в большей
степени определяется турбулентностью атмосферы, влияющей на стабильность изображения, а
также облачностью и фоновой засветкой. В СубТГц диапазоне основным фактором астроклимата
является интегральная прозрачность (или оптическая толщина) атмосферы (τ, Непер), тесно
связанная с интегральным влагосодержанием PWV (Precipitable Water Vapor, мм) и содержанием
кислорода. [5] Измерение параметров астроклимата необходимо, как для предварительной
разведки местности при выборе площадки для наземного радиотелескопа, так и для
сопровождения работы уже построенного радиотелескопа или антенны космической связи.
Используются также и модельные расчёты астроклимата по доступным наземным метеоданным,
но их точность прогнозирования обычно не превышает 65% [6]. В зависимости от задачи,
выбирается подходящая аппаратура и методы для измерения параметров астроклимата. В
настоящее время в СубТГц диапазоне нет промышленных измерителей параметров
астроклимата, поэтому конструирование аппаратуры и разработка методики измерения являются
научно-исследовательскими задачами, отчасти решёнными в настоящей работе на примере
модернизации 2-х канального Микроволнового измерителя атмосферного поглощения (МИАП-
2). Изначально этот прибор проектировался для работы в условиях лаборатории (т.е. комнатных)
и под наблюдением специалиста. Задача адаптации этого прибора к длительной автономной
работе под открытым небом стала мотивацией к модернизации этого прибора.
Исследования прозрачности реальной атмосферы в полевых условиях тесно завязаны на
математические модели атмосферного поглощения, основанные на лабораторных данных и
квантовой механике, например MPM Liebe [7] или Moliere (Microwave Observation and LIne
Estimation and REtrieval) [8]. Для уточнения и пополнения первичных данных о поглощении
излучения в спектральных линиях молекул компонент атмосферы в моделях, необходимо
исследование спектральных свойств прозрачности атмосферы в лабораторных условиях.
Спектрометры для этих целей имеют весьма разнообразный принцип действия и конфигурацию.
Одним из наиболее точных и эффективных инструментов для исследования поглощения в
атмосфере в СубТГц диапазоне является спектрометр на основе резонатора Фабри-Перо.
Конструирование таких инструментов на практике связано с множеством расчётных и
конструкционных задач, некоторые из которых являются предметом исследования в настоящей
работе. В конечном итоге, такие параметры, как стабильность температуры исследуемого газа,

Работа посвящена модернизации аппаратуры и развитию методики исследования
поглощения волн СубТГц диапазона частот в атмосфере Земли в полевых и лабораторных
условиях для практических целей радиоастрономии, телекоммуникации и спектроскопии.
Подводя итоги, перечислим основные научно-технические решения, которые были разработаны
и внедрены в ходе работы. Особый интерес представляют исследования, которые удалось
провести на разработанной аппаратуре.
1. В работе представлены особенности проектирования, модернизации и эксплуатации
радиометрического комплекса МИАП-2 для измерения прозрачности атмосферы в мм
диапазоне. Начальные характеристики этого оборудования позволяли использовать его только в
одноканальном режиме, только в лаборатории под присмотром специалиста, а получаемые
данные были ограничены только оптической толщиной в ясную погоду. В результате
диссертационной работы этот прибор значительно расширил свой функционал: собран и
отлажен 2-мм канал радиометра МИАП-2 (Мус-Хая), организована система удалённого
доступа, а оборудование адаптировано для работы в любых метеоусловиях. Разработанная
метеостанция значительно расширила перечень данных, получаемых радиометрическим
комплексом. В результате проведённой работы получился надёжный экспедиционный прибор,
способный работать автономно длительное время.
2. Разработана методика обработки данных астроклимата, позволяющая снизить ошибку
расчёта оптической толщины, получаемой методом атмосферных разрезов. Критический анализ
результативности методики показывает снижение разброса данных на 5 % в 2мм канале и на
30% в 3мм. Таким образом, новая методика рассчитывает оптическую толщину с меньшей
ошибкой, чем классический метод атмосферных разрезов, особенно в сложных условиях. В
условиях ясного неба обе методики дают схожие результаты. Предложена методика калибровки
широкополосных радиометрических приёмников с использованием экспериментального и
расчётного соотношения интегральной влажности с оптической толщиной. Методика позволяет
оценить эквивалентную частоту широкополосного радиометра по его рутинным наблюдениям
прозрачности атмосферы.
3. С использованием модернизированного радиометрического комплекса и разработанной
методики обработки данных исследован астроклимат более 20 точек на территории Восточного
полушария в ходе 11-ти экспедиций с точки зрения перспектив их использования для
радиоастрономических наблюдений и передачи коммуникационных сигналов дальней
космической связи в этом диапазоне. Выявлены некоторые особенности астроклимата в
различных климатических зонах и ландшафтах. Зачастую локальный климат местности вносит
определяющий вклад в интегральную прозрачность атмосферы. Экспериментально измерена
зависимость интегральной прозрачности атмосферы от высоты места наблюдений.
Сформулированы рекомендации по возможному размещению субТГц радиотелескопов
будущей российской программы развития ММ астрономии и по требованиям к точности
поверхности главного зеркала строящегося радиотелескопа РТ-70 на плато Суффа. В частности,
доказана нецелесообразность доработки 70 метрового телескопа на высоте 2400 м до плановых
рабочих длин волн 0,8 мм, и целесообразность дополнения проекта малым субММ зеркалом Ø
13-20 м размещаемом на Суффе на высоте 3200 м.
4. Модернизирован резонаторный спектрометр миллиметрового и субмиллиметрового
диапазонов. Созданы и внедрены системы термометрии и термостабилизации, автоматизации
измерений и другие сопутствующие аппаратные средства спектрометра. Расчёт параметров
квазиоптического тракта спектрометрического комплекса позволил оценить вклад разных
конструкционных элементов в паразитную интерференцию. В результате исследований
предложен и реализован комплекс мер, снижающих её. Создана программа для расчёта
параметров резонатора Фабри-Перо и квазиоптического тракта запитки. В результате
проведённой модернизации спектрометра удалось достичь порядка 4×10-9 cm-1 в диапазоне 45 –
500 ГГц при контролируемом давлении в диапазоне 10-1000 Торр и температуре в диапазоне –
30 .. +60°С. Это позволило провести прецизионные измерения спектров атмосферных газов в
СубТГц диапазоне в широком диапазоне давления и температуры, а также прецизионные
измерения потерь на отражение при криогенных температурах от поверхности металлов,
используемых в волноведущих структурах. В частности, на резонаторном спектрометре
успешно протестированы материалы космического телескопа мм диапазона Миллиметрон.
В диссертации представлен завершённый этап развития аппаратуры и методов исследования
прозрачности атмосферы в СубТГц диапазоне силами коллективов из ИПФ РАН и НГТУ.
Однако, новые исследовательские задачи продолжают диктовать новые требования к
оборудованию и методикам, подталкивая инженеров и разработчиков к созданию новых
решений, расширяющих и дополняющих возможности разработанной аппаратуры.
Выполненные в диссертации работы стали основой ведущихся в настоящий момент проектов по
дальнейшему развитию аппаратуры и методов для радиометрических измерений прозрачности
атмосферы в полевых и лабораторных условиях. Радиометрический комплекс МИАП-2 в
совокупности с предложенной методикой обработки данных хорошо себя зарекомендовал, что
послужило предпосылкой к созданию нового 4-х канального комплекса, работающего в 4-х окнах
прозрачности от 3мм до 0.8мм.
Развитие резонаторной спектроскопии в ИПФ РАН подразумевает создание нового
спектрометра с целью разделения функционала газовой и криогенной спектроскопии на разные
установки. Новый спектрометр оптимизирован под газовую спектроскопию с учётом
полученного опыта, а исследования при криогенных температурах останутся в старом.
Спектрометр разработан с учётом рекомендаций, представленных в настоящей работе.
Благодарности.

Автор выражает благодарность сотрудникам ИПФ РАН, НГТУ им. Р.Е. Алексеева и САО
РАН за организацию творческого научно-исследовательского процесса и предоставленную
возможность выполнить исследования.
Низкий поклон моему научному руководителю, наставнику и учителю В.Ф. Вдовину, а
также другим старшим коллегам и наставникам, которые так или иначе помогали в работе и
делились опытом: М.Ю. Третьякову, В.В. Паршину, И.И. Зинченко, В.И. Носову, Ю.Ю. Балеге,
Г.Н. Ильину.
Огромная благодарность за всестороннюю помощь коллегам по ИПФ РАН, НГТУ, САО
РАН и других организаций, а именно: И.В. Леснову, А.А. Гунбиной, П.М. Землянухе, Е. Домбеку,
Ю.Г. Белову, Ю.И. Белову, А.С. Раевскому, С.Б. Раевскому, О.С. Большакову, А.С. Марухно,
М.А. Мансфельд, А.В. Вдовину, Е.Б. Абашину, С.Ю. Дрягину, А.И. Елисееву, Д.В. Коротаеву,
В.С. Окуневу, Е.А. Серову, М.А. Кошелеву, Т.А. Одинцовой, А.А. Заргарову, В.Н. Хайкину, П.Л.
Никифорову.
Спасибо за плодотворные беседы по тематике работы А.А. Швецову, Ю.Ю. Куликову,
А.А. Рыскину, Л.В. Лубяко, А.П. Марковой, А.В. Лапинову, И.В. Ракутю, А.Л. Панкратову, И.Т.
Бубукину, М.А. Агафонову, В.В. Кочаровскому, В.К. Дубровичу, А.И. Яворовской, Е.Л.
Певзнеру, И.В. Кузнецову, Ф.Н. Ковалёву, Р.А. Алексееву,.
Список сокращений и условных обозначений

АЦП – Аналогово-цифровой преобразователь
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
ДБШ – диод с барьером Шоттки
ДЗЗ – дистанционное зондирование Земли
ИСЗФ – Институт Солнечно-Земной физики РАН
ИПС – изопропиловый спирт
ЛОВ – лампа обратной волны
ММ волны – коротковолновая часть миллиметрового и начало субмиллиметрового
диапазонов (0,3 – 3 мм).
медь МО – медь, содержащая 99,95% Си и не более 0,05% примесей (ГОСТ 859—41)
МШУ – малошумящий усилитель
ОУ – операционный усилитель
ОСЧ – особо чистая (медь)
ПК – персональный компьютер
ПЧ – промежуточная частота
РСДБ – радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой
СВЧ – сверхвысокочастотное (излучение)
СКО – среднеквадратическое отклонение
ССО – Саянская Солнечная обсерватория
СубТГц волны – субтерагерцовый диапазон волн (0,1-1 ТГц)
ТГц-волны – терагерцовый диапазон волн (0,3- 3 ТГц или 0,1-10 ТГц в широком смысле)
УПЧ – усилитель промежуточной частоты
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь
ШД – шаговый двигатель

PWV – Precipitable water vapor (количество осаждаемой воды)

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?

Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее

Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее

Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее

Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

Хочешь уникальную работу?

Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическо... Читать все

Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическому и гуманитарному направлениях свыше 8 лет на различных площадках.

#Кандидатские #Магистерские

224 Выполненных работы

Здравствуйте) Имею сертификат специалиста (врач-лечебник). На данный момент являюсь ординатором(терапия, кардио), одновременно работаю диагностом. Занимаюсь диссертац... Читать все

#Кандидатские #Магистерские

13 Выполненных работ

Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все

Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.

#Кандидатские #Магистерские

39 Выполненных работ

Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уни... Читать все

Закончила ГУУ с отличием "Бухгалтерский учет, анализ и аудит". Выполнить разные работы: от рефератов до диссертаций. Также пишу доклады, делаю презентации, повышаю уникальности с нуля. Все работы оформляю в соответствии с ГОСТ.

#Кандидатские #Магистерские

0 Выполненных работ

Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все

Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.

#Кандидатские #Магистерские

158 Выполненных работ

Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки ... Читать все

Помогаю студентам с решением задач по ТОЭ и физике на протяжении 9 лет. Пишу диссертацию на соискание степени кандидата технических наук, имею опыт годовой стажировки в одном из крупнейших университетов Германии.

#Кандидатские #Магистерские

9 Выполненных работ

Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все

Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.

#Кандидатские #Магистерские

66 Выполненных работ

Имею 3 высших образования в сфере Экологии и техносферной безопасности (бакалавриат, магистратура, аспирантура), работаю на кафедре экологии одного из опорных ВУЗов РФ... Читать все

Имею 3 высших образования в сфере Экологии и техносферной безопасности (бакалавриат, магистратура, аспирантура), работаю на кафедре экологии одного из опорных ВУЗов РФ. Большой опыт в написании курсовых, дипломов, диссертаций.

#Кандидатские #Магистерские

27 Выполненных работ

Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическо... Читать все

Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическое образование. В данный момент работаю преподавателем.

#Кандидатские #Магистерские

25 Выполненных работ