Способ определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей



Способ определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей
Способ определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей
Способ определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей
Способ определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей

 


Владельцы патента RU 2529355:

федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский радиофизический институт" (RU)

Изобретение относится к радиофизическим методам исследования ионосферы и предназначено для определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей радарным методом с помощью ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора. Технический результат состоит в повышении точности определения пространственного распределения мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации, обеспеченном повышением частоты зондирования до величины, превышающей критическую частоту ионосферного F-слоя, для детектирования сигналов, рассеянных ионосферными неоднородностями с высоким частотно-временным разрешением, и позиционирования места расположения неоднородностей. Для этого способ включает зондирование ионосферы широкополосным ЛЧМ-сигналом, прием излученного ЛЧМ-сигнала синхронно с его передачей, измерение дистанционно-частотных (ДЧХ) и угловых частотных (УЧХ) характеристик всех принятых сигналов (прямых и рассеянных неоднородностями ионосферы), затем на основе ионосферной модели и измеренных ДЧХ и УЧХ проводят расчеты характеристик прямого сигнала, распространяющегося по дуге большого круга между передатчиком и приемником, корректируют ионосферную модель до совпадения измеренных и расчетных характеристик прямого сигнала, после чего для скорректированной ионосферной модели и данных измерений ДЧХ и УЧХ рассеянного сигнала проводят расчеты характеристик рассеянного сигнала до совпадения измеренных и расчетных данных и по ним определяют пространственное распределение ионосферных неоднородностей. 4 ил.

 

Изобретение относится к радиофизическим методам исследования ионосферной плазмы и предназначено для определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей радарным методом с помощью ЛЧМ ионозонда - радиопеленгатора. Исследование ионосферных неоднородностей имеет важное значение как для понимания физических процессов в верхней атмосфере, так и для решения практических задач радиосвязи, радионавигации, радиопеленгации и радиолокации, поскольку неоднородности приводят к замираниям и вариациям углов прихода радиосигнала, что снижает эффективность работы радиоэлектронных систем различного назначения. Для изучения ионосферных неоднородностей и определения их параметров применяются различные экспериментальные методы и техника измерений. Наибольшее развитие получил метод вертикального зондирования ионосферы (Singleton D.G. The morphology of spread F occurrence over half a sunspot cycle. J. Geophys. Res. 1968, v.73, pp.295-308; патент РФ №2403592 на изобретение «Способ определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования»). Кроме этого, для исследования неоднородностей применяются такие методы, как метод мерцаний с использованием радиосигналов спутника (Crane R.K. Ionospheric scintillation. Proc. IEEE. 1977, v.65, p.180), прямые зондовые измерения с борта ракет и спутников (Dyson P.L., McClure J.P., Hanson W.B. In situ measurements of the spectral characteristics of ionospheric irregularities. J. Geophys. Res. 1974, v.79, p.1497; Pfaff R.F., Kelley M.C., Fejer B.G. et al. Electric field and plasma density measurements in the auroral electrojet. J. Geophys. Res. 1984, v.89, pp.236-244; Kelley M.C., Arce T.L., Salowey J. et al. Density depletions at the 10-m scale induced by the Arecibo heater J. Geophys. Res. 1995. v. 100, no. A9, p.17367-17376), трансионосферное зондирование с помощью радиосигналов навигационных спутников ГЛОНАСС (патент РФ №2421753 на изобретение «Способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления»), используются также радары некогерентного и когерентного рассеяния радиоволн (Hagfors Т. The EISCAT facility. High-latitude space plasma physics. New York; London: Plenum Press, 1983, p.1-9; патент РФ №2251713 «Способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы и устройство для его осуществления»; Ruohoniemi J.M., Villain J.P. et al. Coherent HF radar backscatter from small-scale irregularities in the dusk sector of the subauroral ionosphere. J. Geophys. Res. 1988, v.93, pp.12871-12882). Каждый их этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Так измерения с борта ракет и спутников хотя и имеют высокое пространственное разрешение, но носят эпизодический характер. Низкая разрешающая способность станций вертикального зондирования не позволяет осуществлять детальную локализацию рассеивающих неоднородностей. Этим же недостатком отличается и метод мерцаний радиосигналов спутника. Радар некогерентного рассеяния обладает высоким пространственным разрешением, но является весьма дорогостоящим инструментом. Радары когерентного рассеяния, объединенные в сеть радаров SuperDARN (Greenwald R.A., Baker К.В., Dudeney J.R. et al. Darn/Superdarn: A global view of the dynamics of high-latitude convection // Space Sci. Rev. 1995, v.71, p.761), предназначены для исследования только высокоширотных неоднородностей и имеют ограничения на позиционирование ионосферных неоднородностей. Дело в том, что в условиях сильных геомагнитных возмущений авроральная область с неоднородностями смещается в южном направлении (на более низкие широты), и неоднородности оказываются вне зоны видимости радаров по условиям ракурсного рассеяния радиоволн. Кроме того, радары сети SuperDARN работают только на ряде фиксированных частот в ограниченном диапазоне частот 8-20 МГц, что существенно снижает возможности таких радаров для мониторинга ионосферных неоднородностей.

В качестве прототипа взят способ определения высотного распределения величины интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования (патент РФ №2403592 «Способ определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы по данным вертикального зондирования»), заключающийся в том, что обрабатывают данные вертикального зондирования ионосферы и на каждой из частот зондирования определяют действующие высоты отражения, сортируют полученные данные по частоте - каждой из частот зондирования ставятся в соответствие те действующие высоты отражения, от которых отражалась волна, сортируют полученные данные по высоте - каждой из высот отражения ставятся в соответствие все те частоты, на которых происходило отражение от данной высоты, определяют среднее значение критической частоты отражения, соответствующей каждой из высот отражения, сравнивают средние значения частот отражения на соседних высотах отражения поочередно, начиная с первой, при этом, когда разница между двумя средними значениями частот отражения на соседних высотах будет меньше, чем половина шага перестройки, определяют среднее значение критической частоты, определяют действующую высоту отражения, соответствующую среднему значению критической частоты, вычисляют значение среднеквадратического отклонения критической частоты, определяют значение величины интенсивности неоднородностей ионосферы.

Таким образом, весь интервал действующих высот отражения разбивается на ячейки с шагом Δhд=2 км, далее в пределах каждого текущего интервала рассчитывается среднее значение частоты отражения и среднеквадратическое отклонение частоты отражения, и затем определяют величину интенсивности неоднородностей ионосферы как частное от деления удвоенного значения среднеквадратического отклонения частоты отражения на среднее значение частоты отражения.

Существенным недостатком данного способа определения высотного распределения величины интенсивности неоднородностей ионосферы, является низкая высотная разрешающая способность, которая может приводить к искажению измеряемой характеристики. Дело в том, что при наличии протяженного по высоте слоя с неоднородностями радиоволны на пути распространения до точки отражения могут испытывать рассеяние "вперед" на неоднородностях, расположенных ниже высоты отражения и имеет место эффект накопления влияния неоднородностей на регистрируемый сигнал вертикального зондирования. При этом, чем ближе исследуемый интервал действующих высот к высоте максимума ионосферного слоя, тем больше эффект влияния нижележащих неоднородностей на измеряемые характеристики отраженного сигнала. Поэтому, чтобы получить достоверные сведения об интенсивности ионосферных неоднородностей, необходимо определить их пространственную локализацию. Таким образом, предложенный способ оценки интенсивности неоднородностей не будет соответствовать реальному высотному распределению ионосферных неоднородностей.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности определения пространственного распределения мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации.

Решение указанной технической задачи обеспечивается с помощью технического результата, заключающегося в возможности обеспечения повышения частоты зондирования до величины, превышающей критическую частоту ионосферного F-слоя, что позволяет с высоким частотно-временным разрешением детектировать сигналы, рассеянные ионосферными неоднородностями, и уверенно сепарировать их от сигналов зеркального канала. В то время как при вертикальном зондировании на частотах ниже критической частоты ионосферы возникает проблема разделения вклада зеркального сигнала и сигнала, рассеянного "вперед" на эшелонированных по высоте ионосферных неоднородностях.

Для достижения указанного результата в способе определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей электронной концентрации, включающем зондирование ионосферы широкополосным линейно-частотно-модулированным сигналом (ЛЧМ-сигналом) передатчика, прием излученного широкополосного ЛЧМ-сигнала осуществляют приемником синхронно с передачей ЛЧМ-сигнала, далее измеряют дистанционно-частотные (ДЧХ) и угловые частотные (УЧХ) характеристики всех зарегистрированных (принятых) сигналов, затем на основе ионосферной модели и измеренных ДЧХ и УЧХ проводят расчеты характеристик прямого сигнала, распространяющегося по дуге большого круга между передатчиком и приемником, корректируют ионосферную модель до совпадения измеренных и расчетных характеристик, после чего для скорректированной ионосферной модели и данных измерений ДЧХ и УЧХ рассеянного сигнала проводят расчеты характеристик рассеянного сигнала до совпадения измеренных и расчетных данных, и по ним для всего массива измеренных данных по параметрам принятого рассеянного сигнала (частота - задержка - азимут - угол места) определяют пространственное распределение ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеяние: высоту h и географические координаты (широту φ и долготу λ) подионосферной области рассеяния.

В качестве приемника широкополосного ЛЧМ-сигнала используют ЛЧМ ионозонд-радиопеленгатор, работающий в режиме наклонного широкополосного зондирования для измерения ключевых характеристик радиосигналов, рассеянных ионосферными неоднородностями: дистанционно-частотных (ДЧХ), амплитудно-частотных (АЧХ) и угловых частотных (УЧХ) характеристик, моделирования распространения радиоволн и позиционирования неоднородностей на основе согласования измеренных и расчетных характеристик радиосигналов.

В основу способа положен радарный метод с использованием наклонного широкополосного ЛЧМ зондирования с бистатической конфигурацией размещения передатчика и приемника относительно исследуемой области ионосферы. Передатчик и приемник располагаются на расстоянии ~500-2000 км к югу от этой области и на расстоянии ~500-1500 км друг от друга. Такое расположение зондирующих средств обусловлено особенностями рассеяния радиоволн на мелкомасштабных магнитно-ориентированных ионосферных неоднородностях [Яковлев О.И., Якубов В.П., Урядов В.П., Павельев А.Г. Распространение радиоволн. Учебник для вузов. М.: ЛЕНАНД. 2009, 496 с.].

Использование в приемном пункте ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора позволяет разделять по задержкам (наклонной дальности) и углам прихода все моды распространения и проводить измерения дистанционно-частотных (ДЧХ), амплитудно-частотных (АЧХ) и угловых частотных (УЧХ) характеристик как прямых, так и рассеянных сигналов.

Процедура определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеянные сигналы, состоит в следующем:

1. По программе, привязанной к шкале времени ЛЧМ передатчика и параметрам излучаемого ЛЧМ-сигнала (начальной частоте, конечной частоте, скорости перестройки частоты, началу излучения, периоду зондирования,) производят запуск ионосферного зонда-радиопеленгатора.

2. Осуществляют прием сигнала ЛЧМ передатчика и измеряют ДЧХ и УЧХ на трассе зондирования.

3. Для каждого сеанса измерений ДЧХ и УЧХ корректируют модельный профиль электронной концентрации таким образом, чтобы получалось наилучшее согласование расчетной ионограммы прямого сигнала, распространяющегося по дуге большого круга между передатчиком и приемником, с экспериментальными данными (дистанционно-частотной характеристикой (ДЧХ) и зависимостью угла места и азимута приходящего в точку наблюдения сигнала от частоты (УЧХ)) прямого сигнала.

4. Для полученной таким образом адаптированной модели ионосферы выполняют моделирование рассеянных сигналов. Первичными данными для этого являются результаты измерений задержки и углов прихода (азимута и угла места) рассеянных сигналов. При этом из пункта приема с измеренными значениями азимута и угла места рассчитывают лучевые траектории в направлении области с ионосферными неоднородностями, ответственными за рассеяние. Для каждой лучевой траектории, проходящей через область ионосферы с неоднородностями, рассчитывают луч, приходящий в пункт расположения передатчика. Затем определяют суммарную задержку на трассе передатчик - область рассеяния - приемник. Как только эта задержка становится равной экспериментально измеренной, эту область рассеяния считают позиционированной. Такую процедуру выполняют для всего массива измеренных данных по параметрам принятого рассеянного сигнала (частота - задержка - азимут - угол места).

5. Далее, на основе согласования измеренных и расчетных характеристик рассеянных сигналов определяют пространственное месторасположение ионосферных неоднородностей, т.е. находят высоту h и географические координаты (φ, λ) подионосферной области рассеяния.

Заявленный способ может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг.1. Устройство состоит из двух отдельных блоков 1 и 2. Передающее устройство 1 и приемное устройство 2 обведены штрих пунктирными линиями на фиг.1.

В состав передающего устройства 1 входят: антенна GPS 3, подключенная к входу приемника GPS 4, блок временной синхронизации 5, антенна передатчика ЛЧМ сигналов 6, подключенная к выходу передатчика ЛЧМ сигналов 7, ЛЧМ генератор передатчика 8, компьютер 9 для управления работой передающего устройства 1. При этом выход приемника GPS 4 подключен к входу блока временной синхронизации 5, вход передатчика ЛЧМ сигналов 7 подключен к выходу ЛЧМ генератора 8, вход которого соединен с выходом компьютера 9, вход компьютера 9 подключен к выходу блока временной синхронизации 5.

Приемное устройство 2, представляющее собой ЛЧМ ионозонд-радиопеленгатор, включает антенну GPS 10, подключенную к GPS приемнику 11, блок временной синхронизации 12, первый вход которого подключен к выходу GPS приемника 11, TV-элементную антенную решетку 13, разветвитель 14, к входу которого подключен один из элементов антенной решетки 13 (опорная антенна), антенный коммутатор 15, к первому входу которого подключен первый выход разветвителя 14, к другим N-\ входам коммутатора 15 подключены N-1 - элементы антенной решетки 13, ЛЧМ генератор приемника 16, первый вход которого подключен к первому выходу блока временной синхронизации 12, первое радиоприемное устройство (РПУ1) 17, первый вход которого подключен ко второму выходу разветвителя 14, второй вход РПУ1 17 подключен к первому выходу ЛЧМ генератора приемника 16, второе радиоприемное устройство (РПУ2) 18, первый вход которого подключен к выходу антенного коммутатора 15, второй вход РПУ2 18 подключен ко второму выходу ЛЧМ генератора приемника 16, двухканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 19, первый вход которого подключен к выходу РПУ1 17, второй вход АЦП 19 подключен к выходу РПУ2 18, третий вход АЦП 19 подключен ко второму выходу блока временной синхронизации 12, выход двухканального АЦП 19 подключен к входу многопоточного вычислителя 20 (обведен на фиг.1 пунктирной линией). При этом на входе многопоточного вычислителя 20 установлен блок 21, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума, обнаружение лучей, определение их числа n, амплитуды каждого луча αj, задержки каждого луча τj, коэффициента мутности ионосферы β2, измерение двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны. Первый вход блока 21 соединен с выходом двухканального АЦП 19. На выходе многопоточного вычислителя 20 установлен пользовательский интерфейс 22, первый выход которого, совпадающий с первым выходом многопоточного вычислителя 20, подключен ко второму входу ЛЧМ генератора 16, второй выход пользовательского интерфейса 22, совпадающий со вторым выходом многопоточного вычислителя 20, подключен к N+1 входу антенного коммутатора 15, третий выход пользовательского интерфейса 22, совпадающий с третьим выходом многопоточного вычислителя 20, подключен ко второму входу блока временной синхронизации 12, четвертый выход пользовательского интерфейса 22 соединен со вторым входом блока формирования измеренных характеристик прямого и рассеянного сигналов 21, выход которого подключен к входу программного блока 23 моделирования и определения пространственного распределения мелкомасштабных ионосферных неоднородностей, отображения выходной информации.

Работа устройства состоит из следующих основных этапов.

1. По программе, привязанной к шкале времени ЛЧМ передатчика и параметрам излучаемого ЛЧМ-сигнала (начальной частоте, конечной частоте, скорости перестройки частоты, началу излучения, периоду зондирования), с пользовательского интерфейса 22 производят запуск ионосферного зонда-радиопеленгатора, включая запуск блока временной синхронизации 12, а соответственно, подключенного к блоку временной синхронизации 12 АЦП 19, антенного коммутатора 15, ЛЧМ генератора 16 и блока формирования измеренных характеристик прямого и рассеянного сигналов 21.

2. Осуществляют прием сигнала ЛЧМ передатчика с помощью антенной решетки 13 приемника 2. С выхода опорной антенны (одного из элементов антенной решетки 13) через разветвитель 14 сигнал поступает на первый вход РПУ1 17 (опорный канал). К опорной антенне РПУ1 17 подключен постоянно, что обеспечивает получение непрерывной выборки сигнала по опорному каналу. На второй вход РПУ1 17 поступает сигнал с первого выхода ЛЧМ генератора 16. Разностный сигнал, сформированный при перемножении сигнала, поступающего на РПУ1 17 от разветвителя 14, с сигналом, поступающим на РПУ 1 17 от ЛЧМ генератора 16, поступает с выхода 2-ой промежуточной частоты (ПЧ) РПУ1 17 на первый вход АЦП 19.

3. С помощью антенного коммутатора 15 к РПУ2 18 поочередно подключают все антенные элементы, и сигнал ЛЧМ передатчика, принятый антенной решеткой 13, поступает на первый вход РПУ2 18 (предметный канал), на второй вход РПУ2 18 поступает сигнал со второго выхода ЛЧМ генератора 16. Разностный сигнал, сформированный при перемножении сигнала, поступающего на РПУ2 18 от антенной решетки 13, с сигналом ЛЧМ генератора 16, поступает с выхода 2-ой ПЧ РПУ2 18 на второй вход АЦП 19.

4. Когда в результате переключения антенного коммутатора 15 оба радиоприемные устройства РПУ1 17 и РПУ2 18 оказываются подключенными к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 13), по выборке сигнала с опорной антенны определяют комплексный коэффициент разноканальности (разность фаз и отношение амплитуд), описывающий отношение комплексных коэффициентов передачи опорного (образованного разветвителем 14 и РПУ1 17) и предметного каналов (образованного антенным коммутатором 15 и РПУ2 18). В дальнейшем этот коэффициент используют для коррекции комплексных относительных амплитуд сигналов, полученных по выборкам с других антенных элементов. В результате обеспечивается измерение относительных (по отношению к опорной антенне) комплексных амплитуд сигналов со всех антенных элементов, инвариантных относительно комплексных коэффициентов передачи каналов двух РПУ.

5. Затем антенный коммутатор переключает предметный РПУ2 18 на новый антенный элемент и т.д. Коммутация осуществляется до тех пор, пока не закончится прием сигнала от ЛЧМ передатчика. В каждый момент времени двухканальный РПУ, состоящий из РПУ1 17 и РПУ2 18, подключен к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 13) и другому элементу из N-элементной антенной решетки 13. При этом с каждой пары антенных элементов делается выборка сигнала длиной М для оцифровки в АЦП 19 с частотой fd и шагом дискретизации Δ t = 1 f d . Величина M выбирается так, чтобы, обеспечивалось временное разрешение парциальных лучей распространения по групповой задержке. Так, при скорости перестройки частоты 100 кГц/с и полосе анализа ЛЧМ сигнала 20 кГц временная выборка составляет 200 мс. При этом для временного разрешения парциальных лучей по групповой задержке ~50 мкс величина M полагается равной 4096. Средняя частота принимаемого сигнала равна f n l = f min + μ 0 Δ t ( M N l + M 2 n + 1 2 ) , где h=1, 2, …N - номер опрашиваемого антенного элемента, l=1, 2, …, L - номер дискретной частоты, на которой будут оцениваться углы прихода, L = f max f min μ 0 Δ t M N λ - количество дискретных частот, µ0 - скорость перестройки частоты, fmin и fmax - минимальная и максимальная частоты из диапазона зондирования. Углы прихода при этом оцениваются на равномерной частотной сетке, а значения частот определяются соотношением f 1 = f min + μ 0 Δ t M N 2 l + 1 2 . После полного обхода всех N элементов антенной решетки 13 на промежуточной частоте приемников РПУ1 17 и РПУ2 18 при средней дискретной несущей частоте fl для каждой пары каналов АЦП 19 получают когерентные выборки цифрового разностного сигнала для опорного канала {xlm} и предметного канала {xnm}, где n=1, 2…, N, m=1, 2, …, M.

6. Обработку оцифрованного разностного сигнала осуществляют с помощью многопоточного вычислителя 20. Для этого с выхода АЦП 19 оцифрованный разностный сигнал с двух РПУ поступает на вход блока 21, входящего в состав многопоточного вычислительного устройства 20, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом), происходит обнаружение лучей, определение их числа n, комплексных амплитуд αj, задержек τj, коэффициента мутности β2. По каждой паре выборок разностного сигнала для опорного канала {xlk} и предметного канала {xnk} вычисляются спектры сигналов {slk}=FFT(xlm) и {snk}=FFT (xnm), где k=1, …M/2, FFT - оператор дискретного преобразования Фурье, выполняемый на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). По каждой выборке сигнала длиной M с n-го антенного элемента с помощью алгоритма БПФ вычисляется комплексный спектр сигнала и вычисляется спектральная плотность мощности сигнала МТМ-методом. Комплексный спектр сигнала используют для вычисления относительного коэффициента передачи К в полосе РПУ при подключении РПУ1 17 и РПУ2 18 к опорной антенне (одному из элементов антенной решетки 13). Спектральная плотность мощности шума определяется гистограммным способом (Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г. Аппаратно-программный комплекс для определения оптимальных рабочих частот связной радиолинии по данным наклонного зондирования ионосферы. 1. Методы и алгоритмы обработки данных. // Труды XIII международной научно-технической конференции "Радиолокация Навигация Связь". 17-19 апреля 2007. г. Воронеж: САКВОЕЕ, т.2, с.1203-1214). На основе статистического критерия (F-статистики) в МТМ-методе осуществляется выделение дискретных лучей распространения (определение их количества J), задержек лучей τj(f), комплексных амплитуд aj(f), определение мощности рассеянной компоненты и, как следствие, определение коэффициента мутности β2. Здесь же для каждого выделенного j -го луча находится амплитудно-фазовое распределение (АФР) поля по апертуре антенной решетки , где j=1, 2…J - номер луча, n=1, 2, …, N - номер антенного элемента, l=1, 2, …, L - номер дискретной частоты, на которой будут оцениваться углы прихода. АФР каждого луча используется далее для Фурье-синтеза диаграммы направленности и оценки двухмерных угловых координат луча αj - азимута прихода в плоскости Земли и Δj - угла места в вертикальной плоскости.

В этом же блоке осуществляется очистка ионограмм, выделение частотных ветвей и формирование зависимостей a j(f), τj(f), отношение сигнал/шум (с/ш)j(f), β j 2 ( f ) , определение наименьших наблюдаемых частот (ННЧ), максимальных наблюдаемых частот (МНЧ), интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Δτ, среднеквадратичного отклонения отношения (с/ш) σс/ш, вероятности ошибки, надежности связи.

Здесь же осуществляется измерение двухмерных угловых координат каждого j-го луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны антенной решетки и окончательная очистка ионограмм на основе критерия достоверности оценки углов прихода.

Здесь осуществляется формирование дистанционно-частотных, амплитудно-частотных и двухмерных угловых-частотных характеристик, а также МНЧ, ННЧ, уровня спектральной плотности шума, коэффициента мутности, вероятности ошибки, надежности связи.

7. С выхода блока 21 результаты измерений поступают на вход программного блока 23 моделирования характеристик ионосферного распространения радиоволн, где с учетом коррекции ионосферной модели осуществляется моделирование прямых и рассеянных сигналов, и на основе согласования измеренных и расчетных характеристик рассеянных сигналов находится пространственное распределение ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеянные сигналы. При этом результаты работы устройства, реализующего заявленный способ, выводятся на печать в виде таблицы с 3-мерными координатами месторасположения ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеяние: высота h и географические координаты подионосферной области рассеяния (широта φ и долгота λ).

Реализуемость данного способа подтверждена в серии экспериментов, проведенных авторами заявки на трассе наклонного ЛЧМ зондирования Кипр-Ростов-на-Дону.

В качестве передатчика ЛЧМ сигналов использовался широкополосный ЛЧМ передатчик, расположенный на Кипре, который работал в диапазоне частот 8-30 МГц, скорость перестройки частоты составляет 100 кГц/с.

В качестве приемного устройства ЛЧМ сигналов использовался ЛЧМ ионо-зонд-радиопеленгатор, расположенный в окрестности г. Ростов-на-Дону, созданный на основе двух когерентных радиоприемников Р-399А и антенной решетки в виде 16 вертикальных вибраторов высотой 9 м, размещенных на площадке размерами 100×100 м2.

На фиг.2 показан пример работы устройства, реализующего заявляемый способ, на трассе Кипр-Ростов-на-Дону, когда в течение длительного времени с 17:30 UT 04 января 2012 г. до 02:00 UT 05 января 2012 г. регистрировались рассеянные сигналы. На фиг.2 приведены ДЧХ (а), АЧХ (б) и УЧХ (в - угол места Δ (град.), г - азимут α (град.)) всех зарегистрированных сигналов на трассе ЛЧМ зондирования Кипр-Ростов-на-Дону. 01:04 UT, 05.01.2012 г.

Прямой и рассеянные сигналы отмечены на фиг.2 маркерами ПС и РС1-PC3 соответственно. Для проверки заявляемого способа проводился анализ результатов измерений диффузного рассеянного сигнала PC3, который наблюдался на частотах, превышающих максимально наблюдаемую частоту (МНЧ) прямого сигнала, равную 13,5 МГц. Согласно результатам измерений характеристик рассеянного сигнала РСЗ, в среднем, он имел следующие параметры: диапазон задержек ~ 7-11 мс, диапазон частот ~ 14-19 МГц, интервал вертикальных углов прихода ~20-45°, интервал азимутальных углов прихода ~330-50°, амплитуда сигнала PC3 была на 50-60 дБ меньше амплитуды прямого сигнала. Как видно из фиг.2, наряду с сигналом РС1, на ионограммах регистрировались сигналы типа возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ), отмеченные маркерами PC1 и PC2, для которых характерен рост задержки с ростом частоты (Чернов Ю.А. Возвратно-наклонное зондирование ионосферы. М.: Связь. 1971, 204 с.).

Для позиционирования областей, ответственных за появление рассеянных сигналов, было проведено моделирование характеристик прямого и рассеянных сигналов. В расчетах использовалась Международная справочная модель ионосферы IRJ (Bilitza D., International Reference Ionosphere 2000, Radio Sci. 2001, v.36, pp.261-275). На основе сопоставления расчетных и экспериментальных характеристик рассеянных сигналов по результатам измерений задержки (дальности), вертикальных и азимутальных углов прихода рассеянных сигналов РС1-РС3 проведено позиционирование областей с неоднородностями, ответственными за рассеянные сигналы. Результаты нанесены на физическую карту и показаны на фиг.3, где изображено месторасположение областей, ответственных за рассеянные сигналы PC1 -РС3, для сеанса зондирования 01:04 UT, 05.01.2012 г.

На основе результатов измерений и моделирования задержки (дальности), азимутальных и вертикальных углов прихода рассеянного сигнала РСЗ установлено, что этот сигнал обусловлен рассеянием радиоволн от неоднородностей электронной концентрации, расположенных в протяженной области среднеширотной ионосферы в интервале широт ~50-55°N и долгот ~35-48°E на высотах ~250-450 км. Детальные данные по определению пространственного месторасположения ионосферных неоднородностей по результатам работы устройства для анализируемого сеанса измерений характеристик рассеянных сигналов РС3 представлены в таблице 1 на фиг.4, где:

f - частота зондирования в МГц, t - задержка сигнала в мс, азимут - азимутальный угол прихода сигнала, отсчитываемый по часовой стрелке от северного направления для приемного пункта в градусах, угол места - угол прихода сигнала в вертикальной плоскости, отсчитываемый от горизонтали в градусах, h - высота расположения рассеивающих ионосферных неоднородностей в км, φ - широта проекции на поверхность Земли области с ионосферными неоднородностями в градусах, λ - долгота проекции на поверхность Земли области с ионосферными неоднородностями в градусах.

Представленные данные подтверждают реализуемость предложенного способа определения местоположения ионосферных неоднородностей.

Что касается аномальных сигналов РС1 и РС2, то по результатам измерений и моделирования установлено, что механизм распространения сигнала РС1 связан с рассеянием радиоволн от Иранского нагорья, а сигнала РС2 - рассеянием от Среднерусской и Приволжской возвышенностей.

Способ определения пространственного распределения ионосферных неоднородностей, включающий зондирование ионосферы сигналом передатчика, прием зондирующего сигнала с помощью приемника, отличающийся тем, что зондирующий сигнал представляет собой широкополосный линейно-частотно-модулированный сигнал (ЛЧМ-сигнал), прием излученного широкополосного ЛЧМ-сигнала осуществляют синхронно с передачей, измеряют дистанционно-частотные (ДЧХ) и угловые частотные (УЧХ) характеристики всех принятых сигналов, затем на основе ионосферной модели и измеренных ДЧХ и УЧХ проводят расчеты характеристик прямого сигнала, распространяющегося по дуге большого круга между передатчиком и приемником, корректируют ионосферную модель до совпадения измеренных и расчетных характеристик прямого сигнала, после чего для скорректированной ионосферной модели и данных измерений ДЧХ и УЧХ рассеянного сигнала проводят расчеты характеристик рассеянного сигнала до совпадения измеренных и расчетных данных и по ним для всего массива измеренных данных по параметрам принятого рассеянного сигнала (частота - задержка - азимут - угол места) определяют пространственное распределение ионосферных неоднородностей, ответственных за рассеяние: высоту h и географические координаты (широту φ и долготу λ) подионосферной области рассеяния.



 

Похожие патенты:

Изобретение предназначено для систем радиозондирования с ускоренной передачей телеметрической информации с борта аэрологического радиозонда (АРЗ) на наземную радиолокационную станцию (РЛС).

Предлагаемое изобретение может быть использовано для радиозондирования ионосферы, определения интенсивности ионосферных неоднородностей и пеленгации искусственных ионосферных образований.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в метеорологии, навигации, океанографических исследованиях, мореходных испытаниях судов и гидросамолетов для оценки силы волнения морских волн, в автоматизированных системах посадки самолетов-амфибий на водную поверхность в ночное и дневное время.

Устройство определения дальности до ионосферы может быть использовано в загоризонтных радиолокаторах и для исследования состояния воздушного слоя Земли. Достигаемый технический результат - увеличение точности определения дальности без уменьшения достоверности обнаружения.

Изобретение относится к области радиолокационной метеорологии и может быть использовано на практике для раннего обнаружения таких атмосферных циклонических вихрей, как торнадо и смерчи некогерентным радаром.

Использование: изобретение относится к методам определения параметров волнения водной поверхности и может быть использовано в метеорологии и океанологии для мониторинга состояния приповерхностного слоя Мирового океана.

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано в автоматизированных системах определения опасных для авиации явлений погоды, а также в других областях человеческой деятельности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве переносного дистанционного измерителя толщины слоя нефти на поверхности воды. .

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аэрологических радиозондах (АРЗ) систем радиозондирования атмосферы для измерения дальности до радиозонда импульсным методом, пеленгации по угловым координатам и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте, также может быть использовано для построения высокостабильных и экономичных сверхрегенеративных приемо-передающих устройств систем радиолокации и связи.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения прозрачности атмосферы. Сущность: осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности. Принимают эхо-сигналы. Обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара. Накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени в зависимости от общей протяженности исследуемого участка. При этом световые импульсы отклоняют не менее чем в двух точках трассы зондирования в обратном направлении. Для определения прозрачности атмосферы измеряют эхо-сигналы импульсов в одной и той же точке трассы зондирования до и после отклонения. Определяют коэффициент ослабления атмосферы по принятым и накопленным эхо-сигналам. Технический результат: повышение точности определения коэффициента ослабления атмосферы. 1 ил.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно предназначено для определения скорости ветра над морской поверхностью. Технический результат - обеспечение возможности учитывать вклад поверхностного течения в уровень отраженных водной поверхностью радиосигналов, что повышает точность определения скорости ветра. Сущность: установленным на космическом аппарате радиоальтиметром облучают водную поверхность, регистрируют отражённый назад сигнал, по фронту радиоимпульса определяют значимую высоту поверхностных волн, по времени прохождения сигнала до поверхности и обратно определяют крупномасштабный рельеф поверхности, по нему рассчитывают поле поверхностного течения, и определяют скорость ветра по величине отраженного назад сигнала с учётом значимой высоты волн и влияния поля течения на величину отражённого назад сигнала.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно предназначено для определения уровня морской поверхности вдоль трассы космического аппарата. Технический результат - повышение точности определения уровня морской поверхности за счет увеличения числа определяемых параметров, характеризующих состояние водной поверхности. Сущность: на расположенном на космическом аппарате радиолокаторе формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности, облучают морскую поверхность в надир и регистрируют отраженный радиоимпульс. По наклону переднего фронта отраженного радиоимпульса определяют значимую высоту волн и расчетным путем определяют расстояние от источника облучения до уровня невозмущенной морской поверхности. Дополнительно морскую поверхность зондируют при ненулевых углах падения, регистрируют отраженный сигнал и определяют скорость приводного ветра. С помощью волновой модели определяют длину и фазовую скорость доминантных волн. Определяют асимметрию и эксцесс распределения возвышений морской поверхности. С учетом значимой высоты волн, асимметрии и эксцесса корректируют полученное значение расстояния от источника облучения до уровня невозмущенной морской поверхности. 1 ил.

Изобретение относится к области георадиолокационных исследований и может быть использовано для прогнозирования гидрологической обстановки на затороопасных участках реки. Сущность: строят модель исследуемого разреза на основе электрофизических данных. На выбранных затороопасных участках реки в летний период проводят георадарное исследование геометрии дна и распределения мощности донных отложений. В предпаводковый период георадарными исследованиями определяют мощность снежного покрова бассейна реки, а также строение и толщину ледяного покрова реки. Путем совмещения полученных георадарных данных прогнозируют гидрологическую обстановку на затороопасных участках реки. Технический результат: прогнозирование гидрологической обстановки на затороопасных участках реки.

Изобретение предназначено для измерения толщины льда и основано на принципе радиолокации с периодической дискретной частотной модуляцией зондирующих радиоволн. Достигаемый технический результат - уменьшение погрешности измерения толщины льда и увеличение достоверности определения свойств среды подо льдом при одновременном уменьшении времени определения толщины льда и увеличении допустимой скорости перемещения по льду. Сущность изобретения заключается в измерении времени распространения электромагнитных волн (ЭВ) до поверхности и в слое льда и сравнении амплитуд и фаз слагаемых спектра сигнала разностной частоты, соответствующих верхней и нижней поверхностям с учетом толщины слоя льда и затухания ЭВ. Различие в коэффициентах затухания ЭВ в слоях льда на разных водоемах учитывают предварительной калибровкой устройства, которую выполняют при неподвижном начальном положении носителя устройства и наличии воды подо льдом, путем подбора частотно-зависимой функции преобразования сигнала разностной частоты (СРЧ) в устройстве, до выравнивания амплитуд пиков спектра СРЧ, соответствующих отражению ЭВ от верхней и нижней поверхностей льда, при этом число дискретных отсчетов частоты и СРЧ дискретно уменьшают пропорционально измеренной толщине льда при сохранении неизменным диапазона частотной модуляции. Устройство, реализующее способ, выполнено на основе радиодальномера. Особенностями устройства является регулируемая частотно-зависимая функция преобразования СРЧ и наличие устройства получения эталонного сигнала. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, электросвязи, радиолокации и может быть использовано в системах диагностики плазменных явлений в ионосфере Земли. Достигаемый технический результат - получение ионограммы за интервал времени значительно меньше 1 секунды. Указанный результат достигается за счет того, что в способе получения ионограммы на каждом такте зондирования радиоимпульс излучают в виде пакета дискретно-частотного сигнала (ДЧС), представляющего собой последовательность N следующих непрерывно один за другим импульсов разной частоты и одинаковой длительности из заданной сетки фиксированных частот зондирования, далее принимают и измеряют параметры отраженного радиосигнала в течение времени распространения от излучателя к приемнику одновременно и независимо на каждой из N частот пакета ДЧС, затем производят перестройку частот ДЧС на новый пакет частот ДЧС из сетки фиксированных частот зондирования, и производят излучение и прием отраженного сигнала на новом пакете ДЧС, далее последовательно осуществляют переборку частот сетки фиксированных частот зондирования новыми пакетами ДЧС на каждом такте зондирования до полной переборки всех частот в сетке частот зондирования за интервал времени ΔTДЧС=ΔT/N, где ΔT - стандартное время получения ионограммы. 4 ил.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для определения прозрачности атмосферы. Сущность: осуществляют посылку в неоднородную атмосферу световых импульсов малой длительности. Принимают эхо-сигналы. Обеспечивают коррекцию эхо-сигналов на геометрический фактор лидара. Накапливают скорректированные сигналы в течение заданного промежутка времени. При этом световые импульсы посылают не менее чем из двух точек пространства по трассам зондирования, пересекающим заданный участок атмосферы. Посланные импульсы отклоняют в заданных точках трасс зондирования в обратном направлении. Измеряют эхо-сигналы импульсов до и после отклонения в одних и тех же точках трасс зондирования, включая точки пересечения трасс зондирования с заданным участком атмосферы. Определяют характеристики неоднородной атмосферы по принятым, скорректированным и накопленным эхо-сигналам до и после отклонения световых импульсов. Технический результат: повышение точности определения коэффициента ослабления атмосферы. 1 ил.

Изобретение относится к области радиофизики и может быть использовано для контроля за солнечной, геомагнитной и сейсмической активностью, за предвестниками землетрясения, извержения вулканов, цунами, процессами грозовой активности, динамикой мощных штормовых циклонов, а также для обнаружения ядерных и иных крупных взрывов и пожаров, больших аварийных выбросов на атомных электростанциях, запусков космических аппаратов и ракет, излучений мощных радиопередающих комплексов радиолокационного и связного назначения, средств специального воздействия на ионосферу с целью управления ее параметрами. Технический результат состоит в повышении чувствительности обнаружения и точности определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения решеткой приемных станций спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS путем восстановления пространственного распределения полного электронного содержания ионосферы по данным радиопросвечивания атмосферы сигналами ГЛОНАСС/GPS. Для этого способ реализуется спутниковыми радионавигационными системами ГЛОНАСС/GPS и протяженной решеткой двухчастотных приемников, обеспечивающих прием и обработку сигналов. 3 ил.

Изобретение относится к геофизике и может использоваться в системе мониторинга окружающей среды, сейсмического и инфразвукового мониторинга, МЧС России, контроля околоземного космического пространства для диагностики положения эпицентральной зоны потенциальных источников протяженных перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ). Достигаемый технический результат - повышение точности и надежности определения скорости распространения ПИВ и положения эпицентральной зоны источника ПИВ. Способ определения положения эпицентральной зоны источника и скорости распространения ПИВ заключается в том, что: принимают сетью рассредоточенных по поверхности Земли навигационных приемников, синхронизированных по времени, электромагнитные сигналы от группировки космических аппаратов (КА); передают принятые данные в центр обработки с ПЭВМ оператора на базе процессора с устройством отображения информации, где: рассчитывают время прохождения электромагнитных сигналов от каждого КА к каждому навигационному приемнику; рассчитывают характеристики псевдопозиционирования навигационных приемников; рассчитывают ошибки и изменения ошибок позиционирования навигационных приемников; определяют время прохождения фронта ПИВ, при этом: время получения сигнала о прохождении фронта ПИВ устанавливают отдельно для каждого навигационного приемника и определяют его по времени появления в течение нескольких секунд сочетания знакопеременных экстремумов ошибок его позиционирования; скорость распространения ПИВ определяют путем осреднения скоростей перемещения ПИВ между парами из трех любых заранее выбранных навигационных приемников, а положение эпицентральной зоны источника ПИВ определяют по зоне пересечения прямых, направление которых определено векторами осредненных скоростей, полученных для каждых трех заранее выбранных навигационных приемников. 7 ил.

Изобретение относится к области радиолокационной метеорологии и может быть использовано для измерения размера градовых частиц в зоне их роста. Сущность: по данным аэрологического зондирования атмосферы строят график изменения температуры и скорости восходящих воздушных потоков по высоте облака. По данному графику определяют значение максимальной скорости восходящих потоков в слое облачной среды, находящемся в зоне отрицательных температур. Затем осуществляют радиолокационное зондирование облака на одной длине волны. По данным радиолокационного зондирования проводят горизонтальные сечения изоконтуров радиолокационной отражаемости облачной среды вблизи уровня максимальной скорости восходящих потоков. Определяют значение максимальной отражаемости облачной среды, с учетом которого вычисляют максимальный размер градовых частиц в зоне их роста. Технический результат: упрощение измерения размера градовых частиц в зоне их роста. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх