Способ измерения критической частоты слоя ионосферной плазмы

 

ОП И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свмд-ву (22) Заявлено 110 6.79 (21) 2779711/18-25 с присоединением заявки Nо (23) Приоритет

Опубликовано 15.10.81, Бюллетень N9 38 (51) v. m .

Н 22/ОО

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (53) УДК 533. 95 (088. 8) Дата опубликования описания 151081 (72) Авторы изобретения

С. A. Намазов и Ю. И. Орлов

Институт радиотехники и электроники AH СССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ СЛОЯ

ИОНОСФЕРНОИ ПЛАЗМЫ

Предлагаемое изобретение относится к области дистанционной диагностики неоднородной ионосферной плазмы и предназначено для измерения критической частоты ионосферного слоя.

Известны способы вертикального, наклонного и вертикально-наклонного зондирования ионосферы, по которым ионосферу зондируют радиосигналами и измеряют высотно-частотную или дистанционно-частотную характеристику Ц .

Известные способы не позволяют надежно определять критическую частоту слоя ионосферной плазмы. 15

Ближайшим техническим решением к предлагаемому является способ измерения критической частоты слоя ионосферной плазмы, включающий зондирование ионосферы радиоимпульсом на 20 изменяющейся несущей частоте Г23.

По этому способу регистрируют время группового запаздывания импульса.

1,р как функцию частоты зондирования

Результаты измерения представляют в виде ионограммы (высотно-частотной характеристики ионосферы), выражаю шеи зависимость деиствующей высоты отражения импульса Хй = $ С1рр от частоты . Далее izo ионограммеZp(f) 30 определяют параметры ионосферных слоев. Одним из основных параметров является критическая частота слоя знание которой необходимо для выбора оптимальной рабочей частоты радиосистем различного назначения (радиосвязь, радиолокация, радионавигация и др.) в диапазоне коротких волн, а также для уточнения прогноза условий радиосвязи. Величину ф„р ионосферного слоя в известном способе определяют по вертикальному участку ионограммы.

Недостатками известного способа определения Еко является относительно невысокая точность измерения, связанная со сложностью четкой регистра1 ции вертикального участка ионограммы на индикаторе. Погрешности регистрации определяются различными аппаратурными особенностями ионозондов (например, зависят от коэффициента усиленйя аппаратуры и яркости пятна на индикаторе), а также в значительной степени определяются опытом исследователя и его субъективным восприятием. Кроме невысокой точности йэмерения иэВестному способу присущи погрешности, которые возникают при интерпретации результатов измерения, 1

82486 так как при расшифровке ионограммы делается ряд упрощающих предположений, как например, экстраполяция " Иоэйоэграммэы при нечеткой видимости ее вертикального участка. Все это затрудняет разработку обоснованных оценок определения параметров ионосферных слоев с помощью ионограмм.

Целью изобретения является повышение точности измерения критической частоты путем исключения ошибок,связанных с аппаратурными особенностями ионозондов и с .субъективным восприятием наблюдателя.

Указанная цель достигается тем, чта регистрируют форму отраженного сигнала и фиксируют частоту зондирующего сигнала, на которой происходит скачкообразное. искажение формы отраженного сигнала. Можн(о определять частоту, на которой происходит резкое в 3-7 раз уменьшение амплитуды отраженного сигнала, либо максимальное

" удлййение отраженного сигнала по сравнению с зондирующим.

Ча фиг. 1 и-ображена форма отраженкого сигнала, когда отношение несущей частоты f<> к критической равно 0,99, на фиг. 2 — форма, соответствующая условию f =. f „P; на. фиг.3 — форма соответствующая условию = = 1,005, на фиг. 4 — форма от о раженного сигнала при - — = 1(001 „

КР на фиг. 5 — изменение амплитуды (А/А((„ ) и длительности (Т) отраженного сигнала н зависимости от отноше ния разности между несущей и крити-ческой частотами к ширине спектра сигнала SR .

Для практической реализации предлагаемого способа измерения может быть использован стандартный ионозонд и не требуется создания специальной аппаратуры.

Искажения формы импульса в ионасферной плазме обусловлено тем, что плазма является средой с частотной дисперсиеи, т.е. относительная диэлектрическая проницаемость плазлы. зависит от частоты:

te, 1-во,в. r, 4 где М вЂ” электронная концентраUHR M

- — рабочая частота, Гц.

Вследствие зависимости P ork различные компоненты спектра сигнала распространяются по-разному и отраЖаются ат ра"..í.ûõ высот, что вызывает искажения. фазового спектра. Вблизи Укр появляются =àêæå искажения амплитудногоэ спектра сигнала, указанные искажения спектра приводят к ис-) кажениям формы отраженного импульса.

Характер искажения формы импульса завиэсиэт от параметров сигнала (ширины его спектра), а также от вы-. сотйого распределения электронной концентрации Ч(Ю . Зависимость

М(Ъ) имеет немонотонный вид, и наибольшие искажения наблюдаются вблизи максимума слоя 5, т.е.. когда йд=

Rgp ге*%„э-.Яеайе (К,э энанение электронной концентрации в максимуме слоя)

Если несущая частота Fp((f, то все спектральные составляющие сигнала отражаются от ионосферы приблизительно одинаково, и сигнал, практически, не претерпевает дисперсионных искажений. На фиг. 1 для иллюстрации. показана форма прямоугольного импульса длительности Т, отраженного от ионосферного слоя полутолщиной „„, в зависимости от отношения Я„ э

Если несущая частота Г приближается к (z,,то появляются сильные искажения фазового спектра и, кроме того, часть спектральных саставляющих,для которых выполняется уславиеСО 8((p проходит через ионасферный слой прак20 тически без отражения (от слоя отражаются только компоненты спектра с

9 <1((р ), В результате из-за такой потери высокочастотных компонентов ( спектра отраженный импульс: при сильно расплывается,претерпевая при этом сложные дисперсионные искажения (см. фиг. 1, 2). И наконец, при некоторой частоте Уо, превосходящей (на величину порядка ширины спектра сигнала аФо, наблюдается резкое, скачкообразное разрушение формы отраженного импульса (см. фиг.3

4), соответственна резко увеличивается длительность и уменьшается ега амплитуда (см. фиг. 5). При дальнейшем увеличении частоты зондирования 10 происходит медленное уменьшение амплитуды.

Для прямоугольного зондирующего импульса длительностью т = 400 мкс

4Q расчетные зависимости амплитуды А и длительности т отраженного импульса or частоты зондирования Q вблизи

R p привед ны на фиг. 5. Амплитуда отраженно."о импульса резко изменяется, уменьшаясь в пять раз, вблизи

%;g при изменении частоты сигнала на величину порядка ширины спектра сигнала а @ . Это уменьшение амплитуды А связано с эффектом разрушения формы импульса вблизи 9<р который качественно описан выше. Длительность . отраженного импульса (фиг. 5) соответственно увеличивается в три раза и достигает наибольшего значения при превышении fop на величину д .

Имлульс длительности f = 400 мкс, для кЬторой проводились расчеты,имеет ширину спектра ьЯ вЂ”вЂ” 1/Т = 2,5 кГц.

Поэтому погрешность измерения д, предлагаемым способам равна 6 р що = Ь = 2,5 кГц. В известном способе, согласно руководству vPCH по интерпретации и обработке ионограмм, погрешность определения Е опо ионограмме оценивается вели чиной порядка 0,1.

МГц = 100 кГц, т.е. в предлагаемом

78248б способе точность измерения Е р в несколько десятков раэ выше, чем в известном способе.

Следует отметить, что предлагаемый способ можно использовать для измерения критической (максимальной плазменной) частоты не только ионосферного слоя, но и любого неоднородного плазменного слоя.

В качестве примера реализации способа можно рассмотреть следующие процедуры. С помощью стандартной ионо!

О сферной станции вертикального зонди рования, на которой обычно получают ионограмму, проводят зондирование ионосферы радиосигналом заданной фор- мы. Плавно изменяя несущую частоту 5 зондирующего сигнала, от 2 ИГц до

15 МГц и фиксируя момент резкого искажения (развала) отраженного от ионосферы импульса с резким уменьшением его амплитуды, по крайней мере 26 в 3-7 раз, и/или увеличением длитель-, ности в три раза, регистрируют несущую частоту, ко" îðàÿ соответствует критической частоте ионосферного . слоя. Погрешность измерения критичес- gg кой частоты приближенно равна полосе спектра сигнала {akqp = A%z) и, практически, не зависят от толщины ионосферного слоя. Для зондирующего импульса длительностью 400 мкс погреш- ность измерения равна В6 р = 2,5 кГц.

Использование изобретения дает возможность более точного измерения критической частоты ионосферного слоя с заранее заданной погрешностью.Данный способ позволяет исключить ошибки, связанные с аппаратурными особен— ностями ионоэондов и с субъективным восприятием наблюдателя. Это повьпаает достоверность результатов измерений, что имеет важное значение для 40 изучения физических явлений в ионосфере и для повышения точности прог нозов условий радиосвязи. Кроме того, преимуществом способа является то, что для его осуществления не требуется разработка специальной аппаратуры, а для измерения критической частоты может быть использована стандартная ионосферная станция.

Формула изобретения

1. Способ измерения критической частоты слоя ионосферной плазмы, включающий зондирование ионосферы радиоимпульсом на изменяющейся несущей частоте, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения,. регистрируют форму отраженного сигнала и фиксируют частоту зондирующего сигнала, на которой происходит скачкообразное искажение формы отраженного сигнала.

2. Cr:.oñoá па.п. 1„о т л и ч а юшийся тем, что фкксируют частоту зондирующего импульса, на которой происходит скачкообразное в 3-7 раз уменьшение амплитУды отраженного сигнала, 3. Способ по и. 1, о т л и ч а юшийся тем, что фиксируют частоту зондирующего сигнала„ на которой отношение длительности отраженного к длительности зондирующего сигнала максимально.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. И., "Сов. радио ", 1972, с. 21-25.

2. Галкин А.И. и др. Ионосферные измерения. М., "Наука", 1961, с.15 (прототип).

782486

02

Я){)ц йксек) " й?А7

Pun.4 мсм) Составитель Н. Обух

Редактор Е. Месропова Техред Ж.Кастелевич Корректор В.Синицкая

Заказ 9178/37 Тираж .910 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент",. r. Ужгород, Ул. ПрЬектная, 4