Голова Верховної Ради України В . ЛИТВИН;pdf

РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
____________________________________________________________________________________________
ВЛИЯНИЕ ГРАДИЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ НА УГЛОВЫЕ
ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕРХНЕГО ЛУЧА ПО ДАННЫМ
ИОНОЗОНДА-РАДИОПЕЛЕНГАТОРА
В.Г. Вертоградов1, Г.Г. Вертоградов2, В.П. Урядов3, М.С. Скляревский2, С.В. Кубатко1
1
ОАО «Конструкторское бюро по радиоконтролю систем управления, навигации и связи»,
344010, Россия, г. Ростов-на-Дону, пр. Соколова, 96,
E-mail: [email protected], [email protected]
2
Южный федеральный университет,
344090, Россия, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5,
E-mail: [email protected], [email protected]
3
Научно-исследовательский радиофизический институт,
603950, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Б. Печерская, 25/12а,
E-mail: [email protected]
Дано краткое описание аппаратной реализации многоканального ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора,
способного наряду с традиционными параметрами измерять угловые частотные характеристики на трассах
наклонного зондирования ионосферы. Приведены результаты измерений и анализа влияния перемещающихся
ионосферных возмущений на двухмерные угловые-частотные характеристики на трассах Кипр–Ростов
в январе-феврале 2013 г.
THE INFLUENCE OF THE ELECTRON DENSITY GRADIENT ON ANGLE
FREQUENCY CHARACTERISTICS OF UPPER RAY PROPAGATION
ACCORDING TO IONOSONDE-DIRECTION FINDER DATA
V.G. Vertogradov1, G.G. Vertogradov2, V.P. Uryadov3, M.S. Sklyarevsky2, C.V. Kubatko1
The mathematical justification, algorithm of work and hardware realization of multichannel LFM ionosondedirection finder are stated. LFM ionosonde/direction finder method is capable together with traditional parameters to
measure angular-frequency characteristics on ionosphere oblique sounding paths. The results of measurement and
analysis of influence of traveling ionospheric disturbances on two-dimensional angular-frequency characteristics on
the Cyprus-Rostov-on-Don path in January-February, 2013 are given.
Введение
Традиционно результатом наклонного ЛЧМ-зондирования (НЗ) ионосферы являются дистанционно-частотные (ДЧХ) и амплитудно-частотные (АЧХ) характеристики ионосферного канала на контролируемой радиотрассе [1, 2]. Однако, как показано в работах [3, 4] диагностические
возможности комплекса НЗ могут быть существенно расширены при использовании на приемной
стороне многоканальных ЛЧМ-приемников. В этом случае при НЗ дополнительно могут измеряться двухмерные угловые-частотные характеристики (УЧХ) (зависимости азимута α(f) и угла
места ∆(f) прихода отдельных лучей и мод распространения от частоты). УЧХ наиболее чувствительны к локальным неоднородным структурам ионосферной плазмы и несут дополнительную
информацию, анализ которой позволяет сделать достоверные выводы о развитии пространственно-временных структур в ионосферной плазме различных масштабов. В связи с этим нами разработаны математические основы, алгоритмы и макет многоканального ЛЧМ ионозондапеленгатора на основе аппаратной части цифрового многоканального программно-аппаратного
комплекса пеленгования. В настоящей работе макет использован для исследования влияния на
двухмерные угловые характеристики перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ).
Аппаратная реализация ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора
Математическое обоснование работы ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора дано в [3, 4]. Здесь
мы кратко изложим описание аппаратной реализации многоканального ЛЧМ ионозондарадиопеленгатора. Основными компонентами макета многоканального ЛЧМ ионозондарадиопеленгатора, предназначенного для измерения УЧХ, являются:
116
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
____________________________________________________________________________________________
− антенная решетка, состоящая из 16 ненаправленных активных антенных элементов, расположенных на поверхности земли, размещенные на площадке 100×100 м;
− 16-ти канальное когерентное широкополосное радиоприемное устройство (РПУ) с полосой по промежуточной частоте (ПЧ) до 1 МГц и ПЧ – 70 МГц (3ЧР6);
− 16-ти канальный модуль цифровой обработки сигналов (ЦОС) с первичной частотой
оцифровки 16 МГц (3ЧР3);
− синтезатор и разветвитель тактовой частоты с возможностью внешнего запуска преобразования (3ЧР4), обеспечивающий когерентность 16-канального АЦП;
− приемник GPS для временной синхронизации комплекса и запуска ЦОС измерительного
комплекса по секундной метке;
− многопроцессорный промышленный компьютер.
Основу аппаратной части разработанного макета ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора составляют модуль ЦОС 3ЧР3, для которых разработан программируемый ЛЧМ-фильтр, позволяющий
непрерывно перестраивать цифровой узкополосный фильтр 10 кГц вторичного канала в полосе
приема РПУ 1 МГц. Как следствие, на выходе каждого из 16 вторичных каналов получаются квадратурные компоненты разностного сигнала. Выходной вторичный цифровой поток квадратурных компонент дискретизирован с частотой fd=20 кГц. При переходе частоты зондирующего
ЛЧМ-сигнала через границу текущей полосы настройки 16-канального РПУ, он программно
перестраивается на новую полосу шириной 1 МГц, процесс получения квадратурных компонент разностного сигнала и квадратурной дискретизации продолжается непрерывно. Модуль ЦОС
3ЧР3 обеспечивает первичную оцифровку сигнала ПЧ с частотой 16 МГц, предварительную цифровую обработку цифрового сигнала, состоящую в фильтрации цифровых сигналов во всех каналах приема, понижения частоты дискретизации до 20 кГц, перестройку узкополосных цифровых
фильтров с полосой 10 кГц с заданной скоростью (до 1000 кГц/с). Сигнал секундной метки GPS
подается на вход синтезатора 3ЧР4. Для обеспечения жесткой временной привязки ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора к сигналам наклонного ЛЧМ зондирования для модуля 3ЧР4 разработан
цифровой внутренний таймер, синхронизирующийся по секундной метке GPS. Сигнал с выходов
ПЧ каждого канала РПУ подается на соответствующие входы многоканального модуля ЦОС.
Управление РПУ, ЦОС, а также цифровая обработка сигнала с целью извлечения информационных параметров осуществляется с помощью многопроцессорной ЭВМ. Оценка двухмерных угловых координат прихода каждого обнаруженного луча выполняется по их комплексным пространственным амплитудно-фазовым распределениям на основе численного синтеза диаграммы
направленности антенной решетки [3].
Как следствие, в процессе зондирования с помощью многоканального ЛЧМ ионозондарадиопеленгатора определяются следующие информационные характеристики: вычисляются
ДЧХ, АЧХ, двухмерные УЧХ, количество мод и лучей распространения, наименьшая (ННЧ) и
максимальная наблюдаемые (МНЧ) частоты каждой моды распространения, интервалы многолучевости, на контролируемых частотах полоса когерентности, вероятность ошибки и надежность
связи. Особенностью многоканального ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора является также то, что
при условии измерения угловых частотных характеристик автоматически достигается очистка результатов зондирования от шумов естественного происхождения и станционных помех, характерных для одноканальных ЛЧМ ионозондов.
Результаты измерений и обсуждения
Разработанный способ приема и обработки ЛЧМ-сигналов НЗ ионосферы с помощью многоканального ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора использован для исследований влияния градиентов электронной концентрации, обусловленных движением перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ), на УЧХ на трассе Кипр-Ростов-на-Дону в январе-марте 2013 г. (азимут трассы
α=203.2°, протяженность S=1498.3км). ЛЧМ-передатчик, размещенный на Кипре, работал круглосуточно в режиме: начальная частота излучения – 8 МГц, конечная частота – 32 МГц, период излучения – 5 мин, скорость перестройки частоты 100 кГц/с.
Рисунок 1 иллюстрирует динамику изменения ключевых характеристик ионосферного канала (ДЧХ, АЧХ и УЧХ) различных мод распространения при переходе от невозмущенных к возмущенным ПИВ условиям и обратно 22 января 2013 г.
117
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
____________________________________________________________________________________________
Показана типичная картина поведения ДЧХ, АЧХ и УЧХ для условий невозмущенной ионосферы. На следах верхних лучей обеих магнитоионных компонент как ДЧХ, так и зависимостей
угла места ∆(f) от частоты наблюдаются z-образования [5], которые появляются в окрестности
ННЧ и перемещаются со временем в область меньших задержек и углов места. Как показано в работе [5] эти особенности обусловлены движением ПИВ. Установлено, когда на ДЧХ z-образования
не видны или только слегка заметны, они могут хорошо идентифицироваться по УЧХ, например,
рис. 1, a, d. При небольших отклонениях ДЧХ от невозмущенных случаев, девиации угла места ∆
могут достигать 5°. Типичные девиации азимута α прихода волны под влияние ПИВ составляют
1–3°. Особенно большие отклонения дают ПИВ, на частотах близких к МНЧ. Девиации угла места
для лучей верхних скачковых мод и достигают 10°, при этом девиации по азимуту составляют 6–
8° (рис. 1, с).
a)
b)
c)
d)
Рис. 1. Трасса Кипр–Ростов-на-Дону, 22.01.2013 г.: a – 07:15 UT, b – 07:45 UT, с – 08:30 UT, d – 09:00 UT;
A) – ДЧХ, B) – АЧХ, C) – угол места, D) – азимут; 1 – нижний луч, 2о и 2x – верхние лучи (моды Педерсена)
для ″o″ и ″x″ магнитоионных компонент, соответственно.
Как показывает моделирование, на следы нижних лучей определяющее влияние оказывают
ПИВ с большими углами наклона волнового вектора к плоскости горизонта, порождающие при
большом отношении длины волны к амплитуде клювообразные образования вблизи МНЧ (рис. 1,
a, d). В то же время на углы места верхних лучей наибольшее влияние оказывают ПИВ с малыми
углами наклона волнового вектора к плоскости горизонта. Подобные ПИВ могут приводить к значительному расширению УЧХ (рис. 1, c). При большой протяженности таких образований, ввиду
большой длины пути распространения волны, отклонения по азимуту достигают при этом весьма
существенных значений – до 8°.
Представляет интерес сравнить характеристики нижнего и верхнего лучей, поскольку известно, что верхний луч весьма чувствителен к вариациям пространственно-временной структуры
ионосферной плазмы. Как видно из рисунков B, на частотах вдали от МНЧ равной ∼19.6 МГц, амплитуда верхнего луча примерно на 30–40 дБ меньше амплитуды нижнего луча. Вертикальные
углы прихода верхнего луча вдали от МНЧ превышают примерно на 10–20° углы прихода нижнего луча (см. рис. С), что соответствует общепринятым представлениям о механизмах их распространения [6]. Обращает на себя внимание тот факт, что в сеансe зондирования рис. 1, a азимут
угла прихода верхнего луча меньше азимута угла прихода нижнего луча, т. е. для данной схемы
118
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
____________________________________________________________________________________________
эксперимента азимут верхнего луча смещен к востоку относительно азимута нижнего луча, совпадающего с азимутом на передающий пункт (Кипр). Этот эффект, видимо, связан с влиянием регулярного горизонтального градиента электронной плотности в окрестности максимума F-слоя (где
распространяется верхний луч), когда в дополуденные часы имеет место суточный рост электронной концентрации в восточном направлении. Интересно отметить, что в следующем сеансе (рис. 1, b)
с появлением ПИВ в виде z-образных треков на верхнем луче, заметно искажаются УЧХ. При этом
азимут прихода верхнего луча становится больше азимута нижнего луча, т. е. верхний луч смещается в западном направлении. Это может указывать на движение ПИВ из западного в восточный
сектор (относительно линии трассы), когда за счет модуляции ПИВ регулярного градиента ионизации может измениться направление локального градиента в области прохождения ПИВ на трассе зондирования. В следующем сеансе (см. рис. 1, c), когда ПИВ сместился на высокие частоты и
наблюдался в окрестности МНЧ, отличие азимутов прихода верхнего и нижнего лучей достигает
∼6–8°, причем, по-прежнему, азимут угла прихода верхнего луча смещен к западу. В сеансе зондирования рис. 1, d после прохождения ПИВ, угловые частотные характеристики принимают вид,
наблюдавшийся до начала прохождения возмущения на трассе зондирования (см. рис. 1, a), когда
азимут прихода верхнего луча отклоняется к востоку относительно азимута прихода нижнего луча.
Полученные результаты указывают на высокую чувствительность верхнего луча к вариациям электронной концентрации, что может быть использовано для оценки локальных горизонтальных градиентов ионизации в окрестности максимума F-слоя по данным измерений ДЧХ, УЧХ и
АЧХ с помощью ЛЧМ ионозонда-радиопеленгатора.
Заключение
В докладе впервые в широком диапазоне частот декаметрового диапазона на среднеширотной трассе представлены экспериментальные непрерывные по частоте двухмерные угловыечастотные характеристики.
Выполнен анализ особенностей двухмерных угловых-частотных характеристик на трассе
наклонного зондирования Кипр–Ростов. Показано, что под влиянием ПИВ типичные вариации
угла места составляют 5°, азимута прихода волны - 1–3°. Максимальные изменения угла места
верхних лучей в условиях прохождения ПИВ на трассе зондирования достигали 10°, в то же время
отклонения азимута прихода лучей Педерсена, вызванные модуляцией ПИВ градиента регулярной
ионизации в области ионосферного распространения радиоволны достигают 6–8°.
ЛЧМ ионозонд-радиопеленгатор может быть перспективным инструментом для оценки локальных горизонтальных градиентов ионизации на основе измерений угловых характеристик моды Педерсена (верхнего луча), чувствительной к различного рода возмущениям.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 12-02-00177-а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fenwick R.B. //Oblique Chirpsounders: HF Communications Test Set. Technical Note 2. “Barry
Research Corp.”,USA, Febr., 1973.
2. Иванов В.А., Куркин В.И. и др. ЛЧМ-ионозонд и его применение в ионосферных исследованиях // Изв. Вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 11. С. 919–952.
3. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П. и др. Исследование угловых-частотных характеристик КВ-волн
при наклонном ЛЧМ-зондировании ионосферы //Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. Т. 12, № 5. С. 25–32.
4. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П. и др. Ионозонд-радиопеленгатор с линейной частотной
модуляцией сигнала – новый инструмент для исследований ионосферы и распространения радиоволн // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2013. Т. 56, № 5. С. 287–306.
5. Вертоградов Г.Г., Денисенко П.Ф. и др. Мониторинг среднемасштабных перемещающихся
ионосферных возмущений по результатам наклонного ЛЧМ-зондирования ионосферы // Электромагнитные волны и электронные системы. 2008. Т. 13, № 5. С. 35–44.
6. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 502 с.
119