Способ возбуждения характеристических электромагнитных волн в ионосфере

 

Комитет Российской Федерации по патентам и товарныы знакам (и) Щ (щ 2002276 С1 т,51) 5 G 61 S 13 60 (21) 5040253/09 . (Щ289492 (46) 30.10.93 5ea Na 39-40 (76 Балинов 8В„. Березин IO.„Ðûæàâ ДЕ

P3) Березин Юрий3асильевич т54) CAQCQS ВОЗВУЖДЕИИЯ ХАРАКТЕРМСТИЧЕСКИХ МЕКФОМЖИИТИЫХ ВОЙН В

ИОЯОФИУЕ фЩ Использование: радиосвязь с помощью декаметровьп радиоволн, возбуждаемых в ионосфере с помощье специальных антенн, в частности при испвяьзовании п яризационных антенн. обеспечивающат изттучение радиоволн с управляемой поляризациоц согласованной с предельной поляризацией характеристических волн в ионосфере. Сущность изобретенйя заключается в том, что ионосферу зондируют радиоимпульсами каждой частоты поочередно двумя линейно поляризованными волнами Е и Е . измеряют и запоминают комплексные тт амплитуды излучаемых вопи, принимают синхронно с излученными отраженные от ионосферы магнитоионные компоненты E (Е ), E (Е ), при и = 1, 2 и лк nx тт при этом измеряют и запоминают их значения, определяют комплексное число Ф и. запоминают

3Щ его, поле волны Е умножают на число W и ретт Ag зуяьтирующее поле Е излучают одновременно с пт полем волны Е, обеслечивая возбуждение в ионосфере только одной магнитоионной компоненты при соответствующем значении и 8 ил.

2002276

Изобретение относится к области радиосвязи с помощью декаметровых радиоволн, возбуждаемых в ионосфере с помощью специальных антенн, в частности, при использовании поляризэционных антенн, обеспечивающих излучение радиоволн с управляемой поляризацией, согласованной с предельной поляризацией характеристических волн в ионосфере.

Известно, что ионосфера Земли представляет собой анизотропную среду, в которой по одному направлению одновременно могут распространяться две независимые волны, называемые характеристическими (нормальные волны, магнитоионные компоненты). Характеристические волны отличаются групповыми и фазовыми скоростями, а также поляризацией, значение которой определяется, в частности, углом между направлениями распространения данной волны и вектором магнитного поля Земли, Вследствие различия фазовых скоростей величина доплеровского смещения частот двух характеристических волн оказывается разной и зто служит причиной возникновения интерференционных замираний суммарного двухлучевого поля, что резко снижает качество передачи информации по ианосфернаму каналу связи.

Две магнитоионные компоненты возникают в ионосфере Земли всегда, если поляризация падающей на ионосферу волны произвольна.

Известны способы возбуждения характеристических волн, в ионосфере заключающиеся в облучении ионосферы импульсным или непрерывным радиосигналом частотой

1 — 30 мГц.

При любом виде падающего на ионосферу радиосигнала (импульсный или непрерывный) в ней возбуждаются две мэгнитоионные компоненты.

Наиболее близким по технической сущности к изобретечию является способ возбуждения характеристических электромагнитных волн в ионосфере, заключающийся в зондировании ионосферы радиоимпульсами длительностью =100 мкс с частотой заполнения 1-20 мГц и частотой повторения =50 Гц.

Этот способ возбуждения характеристических электромагнитных волн в ионосфере заключается в следующем. С помощью передатчика, нагруженного на линейную антенну с, некоторой диаграммой направленности, в сторону ионосферы излучается радиоволна с частотой, лежащей в диапазоне 1-30 мГц. В результате взаимодействия радиоволны с ионосферной плазмой, нахо5

55 дящейся в магнитном поле Земли и поэтому обладающей свойством анизотрапии, в ионосфере возникает две волны, распространяющиеся с разными групповыми и фазовыми скоростями и имеющие разную поляризацию — характеристические волны, Эти волны при существующем способе излучения электромагнитного поля с помощью линейных антенн возникают всегда, и возникновение этих волн связано с физическими свойствами ионосферной плазмы, находящейся в постоянном магнитном поле

Земли.

Описанный способ-прототип возбуждения характеристических волн в ионосфере и метод их наблюдения поясняется фиг, 1, 2, 3.

На фиг. 1 схематически изображена высотно-частотная характеристика ионосферы, показывающая зависимость высоты отражения двух возникающих в ионосфере характеристических волн в функции частоты радиоволны, аблучающей ионосферу.

Высатно-частотная характеристика ионосферы наблюдается с помощью специального устройства, упрощенная блок-схема которого изображена нэ фиг, 2.

Устройство работает следующим образом, Импульсный передатчик (1, 2r> 100 мкс), нагруженный на линейную антенну 4 излучает в сторону ионосферы радиоволну с частотой в диапазоне 1 — 30 мГц. Отраженные ат ионосферы импульсные радиосигналы принимаются радиоприемником 3, частота настройки которого с помощью блока синхронизатора 5 и блока гетеродина 6 плавно изменяется синхронно с настройкой передатчика. С выхода приемника импульснь1е сигналы подаются нэ вертикальные пластины осциллографа 7. На горизонтальные пластины осциллографа подается ждущая развертка и метки излучаемой радиочастаты, Процесс возбуждения характеристических волн в ионосфере и их наблюдения автоматизирован — синхронное изменение частоты излучения и приема отрэ>кенных от ионосферы импульсных сигналов осуществляется автоматически, что позволяет наблюдать динамику возбуждения характеристических волн s ионосфере на разной частоте.

При увеличении частоты зондирующего радиоимпульса увеличивается высота его отражения от ионосферы и как следствие увеличивается время запаздывания радиоимпульса относительно зондирующего. Так как групповая скорость двух возбужденных в ионосфере характеристических волн раз2002276

Fg еЕу (2) Fnz=-е(Чi Но j так как Vy JÅ Но. (3) лична, то различна и высота их отражения, что и регистрируется на экране осциллографа. Возникновение в ионосфере под действием падающей радиоволны двух характеристических волн обусловлено особенностями движения свободных электронов ионосферной плазмы, находящейся во внешнем магнитном поле Земли. Поясним это утверждение.

Пусть электромагнитная волна распространяется в плазме, находящейся в магнитном поле. характеризуемом вектором

Н, причем волновой вектор К радиоволны перпендикулярен к вектору H>.

Пусть электрический вектор Е радиоволны поляризован линейно и составляет угол а с вектором Н, (cM. фиг. 3). Составляющая поля Е ориентирована вдоль магнитного поля Но.

Свободные электроны плазмы колеблются под действием силы е не взаимодействуя с полем Но, так как сила

Лорентца где е — заряд электрона:

V — вектор скорости движения электрона под действием электрической силы F, не возникает, ибо V< I! H> и векторное произведение в формуле (2) равно нулю. Поэтому волна Е распространяется в замагниченной плазме так, как будто-то поля Н, нет. Эту волну называют "обыкновенной".

Составляющая Еу ориентирована перпендикулярно к внешнему магнитному полю Но и вследствие этого свободные электроны плазмы, движущиеся под воздействием электрической силы Еу еЕу, испытывают и воздействие силы Лорентца

Под воздействием силы Р» возникает процессия электронов, приводящая к изменению фазовой скорости волны Еу, Эту волну принято называть "необыкновенной".

Очевидно, что при произвольной ориентации волнового вектора относительно вектора магнитного поля возникновение двух характеристических волн 1. 2 (необыкновенной и обыкновенной) также неизбежно.

Таким образом, физические условия существования ионосферы Земли (геомагнитное поле Но есть всегда) обеспечивают неизбежное возникновение двух характеристических волн при обучении ионосферы электромагнитным полем с произвольной поляризацией.

Существующие способы возбуждения радиоволн в ионосферном канале с помощью линейных излучающих антенн и беэ предварительной поляризационной диагHoстики ионосферы не позволяют осуществить селективное возбуждение характеристических электромагнитных волн в ионосферном канале связи.

Недостатком способа-прототипа являются невозможность селективного возбуждения характеристических волн по выбору, т.е. возбуждение только одной (из двух возможных) магнитоионных KoMlloHBHT, так как отсутствует информация о той поляризации излучений волны, которая необходима для возбуждения в ионосфере только одной характеристической волны; принципиальная невозможность создания однолучевого ионосферного канала связи, так как в соответствии с природными свойствами ионосферы в ней одновременно возбуждаются обе характеристические волны; присутствие в точке приема двух характеристических волн обусловливает возникновение интерференционного фединга, неизбежно снижающего достоверность передачи информации по ионосферному каналу связи.

Целью изобретения является разработка способа возбуждения характеристических волн в ионосфере, обеспечивающего распространение Ilo ионосферному каналу только одной радиоволны и только по одной траектории. что s свою очередь обеспечивает существенное улучшение качества передачи информации по ионосферному каналу связи, поскольку в этом случае будет отсутствовать интерференция поля s точке приема, неизбежно возникающая при наличии двух характеристических волн.

Эта цель достигается тем. что ионосферу зондируют радиоимпульсами каждой частоты поочередно двумя линейно

2002276 поляризованными волнами Е(и Еп и при этом измеряют и запоминают комплексные амплитуды излучаемых волн, затем принимают синхронно с излученными отраженные от ионосферы магнитоионные компоненты Епх(Е ), Епх(Ед) при " - 1, 2 и при этом измеряют и запоминают их значения далее определяют комплексное число

Епх F4)/Е (4) и запоминают его, после чего поле Ед умножают на число М/ny и результирующее поле Е п> = ЧЧ пп Е у излучают одновременно с полем Е, обеспечивая тем самым возбуждение в ионосфере только одной магнитоионной компоненты 1 или 2.

Предложенный способ обеспечивает 20 селективное возбуждение в ионосфере только одной характеристической волны.

Благодаря этому повышается качество передачи информации по ионосферному каналу связи, так как при этом исключается 25 интерференционный фединг в точке приема. возникающий при наличии двух характеристических вопи.

Возбуждение в ионосфере вместо двух только одной характеристической волны 30 приводит к увеличению отиошения сиг. нал/шум.в точке приема и, следовательно, к улучшению помехоустойчивости приема информации, Положительный технический эффект 35 настоящего изобретения заключается в том, что предложенный способ обеспечивает поляризационную диагностику ионосферы и определение той поляризации излучаемой радиоволны, которая необходима для воз- 40 буждения s ионосфере только одной характеристической волны.

Селективное возбуждение одной характеристической волны обеспечивает создание однолучевого ионосферного канала 45 связи.

Сднолучевой канал связи по своей физической сущности исключает возникновеиие интерференционного фединга в точке приема, что обеспечивает существенное по- 50 вышение помехоустойчивости приема информации, передаваемой по каналу связи.

На фиг. 4 изображена высотно-частотная характеристика с одной магнитоионной компонентой; на фиг, 5- графики вероятно- 55 сти ошибки при одно- и двухлучевом приеме; на фиг. 6 — упрощенная блок-схема устройства. реализующего данный способ;, на фиг, 7 — две гистограммы отношения мощностей двух характеристических волн (большей к меньшей), возникающих при облучении ионосферы волной с линейной поляризацией (Qn) и с согласованной эллиптической поляризацией (Сс): согласование с поляризацией одной иэ характеристических волн); на фиг. 8 — график зависимости выигрыша в вероятности ошибки (помехоустойчивости приема) в функции параметра рассеяния /1 при возбуж2 дении в ионо" ôåðå одной из двух

ХараКТЕрИСТИЧЕСКИХ ВОЛН (P пп 2 — ВЕрОятность ошибочного приема нри возбуждении в ионосфере двух характеристических волн; P п,п — вероятность ошибочного приема при селективном возбуждении в ионосфере только одной характеристической волны).

Способ селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере включает в себя две последовательных операции;

l, Поляриэационную диагностику ионосферы.

ll. Селективное возбуждение одной характеристической диагностики ионосферы.

1. Поляризационная диагностика ионосферы состоит из трех носледовательных действий:

3, зондируют {облучают) ионосферу линейно поляризованной волной, излучаемой -антенной (g -диагностика), принимают отраженные от ионосферы две характеристических волны с помощью одной линейной антенны {Х-антенны) и запоминают значения комплексных амплитуд принятых проекций векторов Еп этих полей

Епх(Q ) = К п Е(епх

0 = l, 2

2. После окончания -диагностики излучают с помощью т -антенны (ортогональной к Я-антенне) также линейно поляризованную волну { q -диагностика), принимают отраженные от ионосферы две характеристических волны с помощью той же приемной Х-антенны и запоминают значения комплексных амплитуд проекций векторов Еп этих полей

Е пх (Ь/ ) = ritj ц е пх где Кп(, Кп — комплексные поляризационные коэффициенты передачи ионосферы припадениинанееволнс g-и д-линейной поляризацией; епх -Х-проекция единичного поляризационного эллипса еп в плоскости

2002276

10 волнового фронта, падающей на Х-антенну эллиптически поляризованного поля Еп .

Комплексные числа К и», К пп представляют собой обобщенные поляриза- 5 ционные коэффициенты»- и -трактов излучения. распространения в ионосфере и приема радиоволн и содержат в себе информацию об особенностях прохождения электрических сигналов по» и д-трактам 10 излучения, по X-тракту приема и возбуждения поляризованных характеристических волн при раздельном облучении ионосферы

» - и у -линейно поляризованными волнами. 15

3. По результатам измерений X-проекций поляризованных ионосферой характеристических волн (5). (6) в режимах (- и и-диагностики вычисляют отношение

Кп» E пх(F» ) Е -;

K пР) E пх (E1/ ) EР/ (7) Известное соотношение (7) позволяет сформулировать условие невозбуждения одной из характеристических волн. что эквивалентно возбуждению другои характеристической волны.

1!. Селективное возбуждение только одной характеристической волны в ионосфере осуществляют. облучая е» зллиптически поляризованной волнои. поляризация которой вычислена на основе результатов поляризационнои диагногтики и обеспечивает невозбуждение в ионосфере другой, наперед заданной характеристической волны.

Для создания волны с такой эллиптической поляризацией умножают подводимый к -антенне электрический сигнал на комплексное число

Кп

Vп ) = — К--(6)

45 и излучают с помощью q -антенны поле

Епу =ЧlпиЕт

50 одновременно с излучением»-антенной поля Е, обеспечивая этим излучение в сторону ионосферы волны с такой эллиптической поляризацией, при которой одна из характеристических волн не возбуждается, а возбуждается другая характеристическая волна.

Поясним это утверждение. Действительно. произвольно эллиптически поляризованная волна, имеющая в выбранном, q излучающем базисе обе составляющие

Е», Ед вектора излученного поля Е, возбудит в ионосфере обе характеристические волны Еп, которые будут изображаться двумя эллиптическим поляризованными колебаниями

Еп(Е ;" . Ет ) = (К и» Е» + К "ту Е 7 ) e> (10) В соответствии с формулой (10) для того. чтобы характеристическая волна с номером и не была возбуждена. необходимо. чтобы выполнялось равенство

Еп(Е»: Еу) =0 или (K и» Е» + К п)) Егр ) = О

Формула (11) представляет собой условие невозбуждения одной характеристической волны с номером и. Из этой формулы следует взаимная связь обобщенных поляризационных коэффициентов передачи

K ii» . K м системы — передатчик, ионосфера. приемник. т.е. то соотношение между излучаемыми комплексными полями

Е и Ep). которое нужно выполнить для того. чтобы одна из характеристических волн в ионосфере не возбуждалась

Ец — — п1/

Е» (12) К у

Соотношение (12) определяется по результатам измерении, выполненных при проведении -, -диагностики в соответствии с формулой (7).

Таким образом. описана и определена последовательность действий с электрическими сигналами и полями, обеспечивающая селективное возбуждение в ионосфере только одной характеристической волны.

Данный способ может быть реализован, например, с помощью устройства. изображенного на фиг. 6.

Передатчик 1 излучает импульсный радиосигнал некоторой частоты длительностью -100 мкс сначала с помощью

»-антенны (Е»}, а затем с помощью у-антенны (Ец ). Работающий совместно с передатчиком 1 приемник 2 принимает с помощью синхронизатора 3 и X-антенны импульсы двух возникших при отражении от ионосферы характеристических волн.

Комплексные амплитуды этих волн, возбужденных при»- и у-диагностике

Епх(Е»). Епх(Еп), измеряют и запоминают

2002276 в решающем устройстве 4, где вычисляют комплексное число и запоминают его в блоке весового коэффициента 5.

На этом режим поляризационной диагностики заканчивается и устройство пере- 10 водят в режим селективного возбуждения в ионосфере только одной характеристической волны, Для этого сигнал, подводимый к д-антенне, умножают на весовой коэффициент

Nl пп (здесь и =- 1 или 2 в соответствии с принятым решением о возбуждении той или иной характеристической волны) и поле

E ng = W м Еп излучают одновременно с полем Е, обеспечивая тем самым возбуж20 дение в ионосфере только одной — выбранной — характеристической волны (1 или 2).

Предлагаемый способ селективного возбуждения характеристических волн В ионосфере был проверен экспериментально с помощью специального диагностического комплекса, Структура комплекса соответствует изображенной на фиг. 6, а принцип действия полностью соответствует изложенному способу селективного возбуждения характеристических волн, т.е. включает в себя процедуру поляризационной диагностики и использования ее результатОв для Оптимального селективного 35 возбуждения характеристических волн в ионосфере.

Качество селективного возбуждения оценивалось с помощью отношения средних мощностей Q двух характеристических 40 волн, возникающих при зондировании ионосферы линейной (Qn) или эллиптически поляризованной (Q,) волной, поляризация которой была, согласована с поляризацией одной иэ характеристических волн, 45

Статистические результаты эксперимента представлены на фиг, 7 гистограммами 1 и 2, которые изображают отношения 0> и Q соответственно.

Видно, что селективное возбуждение резко увеличивает отношение Q, что свидетельствует о появлении в отраженном от ионосферы сигнале преимущественно одной характеристической волны. Это — в свою очередь ведет к существенному снижению 55 интерференционных замираний, увеличению отношения сигнал/шум и к улучшению помехоустойчивости приема информации, передаваемой по ионосферному каналу связи.

На фиг, 8 представлены результаты оценки выигрыша Y в вероятности ошибки при приеме дискретной информации, передаваемой с помощью двухлучевого сигнала (Р nm2) по отношению к случаю приема однолучевогосигнала(P „„1), B функции параметра рассеяния принимаемой волны /У .

В соответствии с гистограммой фиг, 7 среднее значение < 0 >= 15, что означает присутствие в отраженном от ионосферы сигнале практически только одной характеристической волны вторая волна при оптимальном селективном возбуждении по описанному способу в ионосфере не возбуждалась.

Для радиоволн, отраженных от ионосферы, типичное значение /Р -10; с учетом этого обстоятельства при использовании на практике способа селективного возбуждения характеристических волн в ионосферном канале связи выигрыш в помехоустойчивости приема в среднем будет составлять величину 20 дБ.

Способ селективного возбуждения характеристических волн может быть использован в государственнои сети ионосферной службы на станциях вертикального зондирования ионосферы, обеспечивающих получение информации о глобальном распределении злектроннои концентрации в ионосфере, необходимой для.составления прогнозов оптимальных рабочих частот ионосферних линии радиосвязи; при создании региональных и глобальных сетей коpoTKo8oflHoBoM ионосферной радиосвязи, обладающих повышенным качеством и скоростью передачи информации: при создании линии коро1коволновои радиосвязи с подвижными объектами. обладающими высокой помехоустойчивостью, скоростью и пропускной способностью, (56) Ратклифф Дж, А. Магнитоионная теория и ее приложение к ионосфере. М.: Изд. иностр. литературы, 1962. с. 88-100.

Арефьева Л. Н., Березин Ю. В., Смирнов

B. И. Эффект Доплера и помехоустойчивость приема многолучевого частично рассеянного сигнала. Радиотехника, 1990, N.

12, с. 7-10.

Виноградова M Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П. Теория волн, — М.: Наука. 1979, с. 121 — 129.

Альперт Я; Л. Распространение радиоволн и ионосфера M,: Изд. АН СССР. 1960, с. 8-12, 360-363.

Долуханов М. П. Распространение радиоволн.М,: Связьиздат, 1952, с. 218-223, Формула изобретения

С00СОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ВОЛН В ИОНОСФЕРЕ, заключающийся в зондировании ионосферы радиоимпульсами различной частоты с последующим приемом отраженных от ионосферы магнитоионных компонент этих импульсов, отличающийся тем, что ионосферу зондируют рвдиоимпульсами каждой частоты поочередно двумя линейно поляризованными волнами Е» и Е, при этом измеряют и запоминают комплексные амплитуды излучаемых волн, затем

2002226 34 принимают синхронно с излученными отраженные от ионосферы магнитоионные компоненты Еех (Е ) . Епх (Е ) при и - 3,2 и при этом юемеряют и запоминают их зна5 чения, опрвдвляют комплексное число

Е(Ц)ГЕЮ вЂ” — 1Еях(Е-,)Л уу и запоминаяв em. после чего поле волны

Е» умножают ие число М4д и реэультирую0 щее поле ЕяееФЧлр Е излучают одновременно с полем волны Eg, обеспечивая тем самым еезауждвние в ионосфере только одной ваажитеионнай компоненты при ц соответствунмцев змачвнии и, 2002276

2002276

Фиг. 7

Составитель В. Балинов

Техред М.Моргентал Корректор C. Юско

Редактор А. Бер

Тираж Подписное

НПО " Поиск" Роспатента

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3172

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул.Гагарина, 101