Фазовый способ измерения интегральной электронной концентрации в ионосфере

 

Изобретение относится к способам измерений в радиолокации и может быть использовано для исключения ионосферных ошибок в РЛС. Техническим результатом является повышение точности измерений без использования дополнительной информации об истинной дальности до цели. Производят одновременно измерения разности фазовых задержек сигналов на двух парах частот, имеющих одинаковый разнос. По разности полученных разностей фазовых задержек определяют интегральную электронную концентрацию в ионосфере. 3 ил.

Изобретение относится к способам измерения в радиолокации и может быть применено для исключения ионосферных ошибок в РЛС, а также для исследования ионосферы.

Условия распространения волн в реальной среде, в частности в ионосфере, существенно меняются как в пространстве, так и во времени, так как ионосфера неоднородна в пространстве и меняется во времени в связи с различной активностью излучения Солнца, влияния метеоров, космического излучения и других причин.

Одним из основных параметров электромагнитной среды, например ионосферы, является интегральная электронная концентрация N. Знание интегральной электронной концентрации вдоль траектории радиолокационного луча до цели позволит исключить ионосферные ошибки по дальности ΔR и углу места Θ. Действительно, они в первом приближении определяются как

Известны различные способы исследования ионосферы как связанные с прямыми измерениями ее параметров, так и основанные на излучении эффектов, вызванных ионосферой при распространении радиоволн, например: высотное зондирование, измерение с помощью геофизических ракет, измерение методом дисперсионного интерферометра, фазовый способ измерения. Однако эти способы использовать затруднительно из-за недостаточной оперативности (время измерения соизмеримо с временными уходами параметров ионосферы) и невозможности непрерывно производить измерение при сопровождении цели.

Целью изобретения является осуществление возможности измерять интегральную электронную концентрацию среды (ионосферы) вдоль траектории луча до произвольного объекта в процессе сопровождения его без требования знания истинной дальности.

На фиг.1 изображен спектр излучаемых сигналов; на фиг.2 изображена блок-схема устройства, осуществляющая предлагаемый способ; на фиг.3 изображена графическая зависимость интегральной концентрации от разности разностей фаз.

Способ измерения интегральной электронной концентрации в ионосфере заключается в следующем.

Сначала излучают две когерентных группы широкополосных сигналов с центральными частотами f₀₁ и f₀₂, разнесенными по частоте на F, определяемую чувствительностью измерения в определенном диапазоне волн. Каждая группа сигналов имеет ширину спектра не менее Δf или обладает двумя ярко выраженными составляющими: f ₁₁ и f₁₂ для одной группы и соответственно f₂₁ и f₂₂ - для второй. При этом разнос спектральных составлявших в обеих группах одинаков, т.е.

f₂₂-f₂₁ =f₁₂-f₁₁=Δf

Спектр такого сигнала приведен на фиг.1. Здесь F - частотный разнос двух групп сигналов, а Δf - разнос между спектральными составляющими в каждой из групп, между которыми производится измерение разности фаз. Сигналы, отраженные от цели и прошедшие дисперсионную среду (ионосферу) вдоль одной и той же траектории, получают различные фазовые задержки.

Полный сдвиг фазы сигнала в частотой f_iк , прошедшего через среду расстояние P в момент времени t, равен

где i; к=1;2; n(r,f_iк) - показатель преломления среды;

f_Diк - допплеровский сдвиг на частоте f_iк;

ϕ_отр,iк - изменение фазы при отражении на частоте f_iк;

ϕ_oiк - начальная фаза излучения на частоте f_iк;

С - скорость света.

При условии, что f_iк ²>f_пл ², где f_пл ² - плазменная частота, выражение (1) запишется как:

Обе группы сигналов, отраженных от цели, принимают и оптимально фильтруют.

Измеряют разность фаз сигналов Δϕ₁ между спектральными составляющими f₁₂ и f₁₁ в первой группе сигналов в момент t_изм. Эта разность фазовых задержек сигналов определяется как

где Δf=f₁₂-f₁₁

Член ϕ₀₁₂-ϕ₀₁₁ может быть учтен при измерении или, в частности, может быть равен нулю (ϕ₀₁₁-ϕ₀₁₂=0)ϕ_oтp12-ϕ_отр11, определяемый разностью фаз отражений, равен нулю, т.к. ϕ_отр12=ϕ_отр11=π. Член, определяемый разность допплеровских эффектов, мал, так как

Таким образом, в измеряемое значение Δϕ₁ входят аддитивно текущая фаза 2πΔft_изм, фазовый набег, обусловленный дальностью и член обусловленных средой.

Отсюда, в частности, следует, что без знания истинной дальности R нельзя определить интегральную электронную концентрацию.

Итак,

Измеряют разность фаз сигналов Δϕ₂ между спектральными составляющими f₂₂ и f₂₁ во второй группе сигналов. Причем измерение происходит в тот же момент времени t_изм., что и в первой группе. Эта разность фазовых задержек сигналов равна

И, наконец, определяют разность разностей фаз

Если F<f_iк, то

Таким образом, как видно из выражений (5) и (5а), величина Δψ зависит только от интегральной электронной концентрации и может служить для ее определения.

Система измерения интегральной электронной концентрации в ионосфере, осуществляющая описанный способ, представлена на фиг.2. Передатчики 1 и 2 излучают две группы сигналов, спектр которых имеет вид (см. фиг.1). Разнос между группами сигналов равен F=8 мГц, разнос между спектральными составлявшими равен Δf= 100 кГц, несущая сигнала равна f₀ =15·10⁷ Гц. Сигналы, отраженные от цели и получившие различные фазовые задержки для каждой частоты, принимаются приемниками 10 и 11 и поступают на фильтры 3, 4, 5 и 6, оптимальные сигналам с частотами f₁₁ , f₁₂, f₂₁ и f ₂₂. Сигналы с фильтров 3 и 4 поступают на первый фазометр 7, где измеряется разность фаз Δϕ₁, а сигналы с фильтров 5 и 6 на второй фазометр 8, где измеряется разность фаз Δϕ₂. Измерение обеих разностей фаз производится одновременно в момент времени t_изм , соответствующий по дистанции временному положению принятого сигнала. Сигналы с первого и второго фазометров 7 и 8 поступают на вычитающее устройство 9, где образуется величина Δψ_Δ=Δϕ_2-Δϕ₁, пропорциональная только интегральной электронной концентрации.

Формула изобретения

Способ измерения интегральной электронной концентрации в ионосфере вдоль траектории луча до произвольной цели, основанный на измерении различных фазовых задержек сигналов на нескольких частотах, отличающийся тем, что, с целью осуществления высокоточного измерения интегральной электронной концентрации вдоль траектории луча без использования дополнительной информации об истинной дальности до цели, производят одновременно измерения разности фазовых задержек сигналов на двух парах частот, имеющих одинаковый разнос, и по разности полученных разностей фазовых задержек определяют интегральную электронную концентрацию.

РИСУНКИ