Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Синтез оптимального сигнала в задаче диагностики малых искажений при вертикальном зондировании ионосферы .
1.1. Введение 24
1.2. Представление сигнала и схема диагностики параметров радиоканала 26
1.3. Постановка задачи синтеза оптимального сигнала 30
1.4. Метод решения задачи синтеза 32
1.5. Результаты численного синтеза 35
1.6. Численное моделирование прохождения оптимального сигнала через радиоканал и расчет погрешности определения параметров на фоне шума 38
1.7. Заключение 45
Глава 2. Формирование аналоговых сигналов произвольной формы с использованием локальных 5-сплайнов .
2.1. Введение 47
2.2. Проблема аппроксимации
2.3. Погрешности преобразования 50
2.3.1. Принципиальные погрешности 51
2.3.2. Технические погрешности
2.4. Выбор способа аппроксимации 61
2.5. Определение В-сплайнов и их основные свойства 64
2.6. Представление непрерывных функций В-сплайнами 67
2.7. Анализ погрешности аппроксимации в частотной области 70
2.8. Принципы работы формирователя аналоговых сигналов произвольной формы 83
2.9. Выбор параметров формирователя. Частота дискретизации и число уровней квантования 87
2.10. Заключение 91
Глава 3. Аппаратно-программный комплекс вертикального зондирования ионосферы сигналами специальной формы .
3.1. Введение 92
3.2. Состав и режимы работы АПК 93
3.3. Формирователь зондирующих сигналов. Основные характеристики
3.4. Эксперимент по проверке работоспособности комплекса при верти кальном зондировании ионосферы сигналами специальной формы ... 100
3.5. Заключение 109
Заключение 110
Приложение 112
Литература
- Постановка задачи синтеза оптимального сигнала
- Численное моделирование прохождения оптимального сигнала через радиоканал и расчет погрешности определения параметров на фоне шума
- Определение В-сплайнов и их основные свойства
- Эксперимент по проверке работоспособности комплекса при верти кальном зондировании ионосферы сигналами специальной формы
Введение к работе
Актуальность темы, Радиозондирование занимает ведущее положение в системе методов контроля состояния ионосферы, предоставляя наибольший объем информации. Плазма является чувствительным датчиком практически всех атмосферных Процессов, протекающих на пути распространения зондирующего сигнала, а анализ характеристик отраженного сигнала обеспечивает диагностику атмосферных параметров. Вместе с тем, возможности вертикального зондирования (ВЗ) используются далеко не полностью. Основной массив информации, получаемый этим способом, относится к крупномасштабной структуре и динамике ионосферной плазмы. Для того чтобы сделать ионозонд средством диагностики меЛко- и среДнемасштабных неодпородНостей ионосферы необходим углубленный анализ отраженного сигнала [\]. Большой дополнительный объем информации о среде Может быть получен при изучении собственно формы отраженного сигнала И искажений формы, возникающих при распространении зондирующего cut-Нала в ионосферном радиоканале {2-8].
Радиоканал Земті-йоносфера-ЗеМіМ Можно ихарактеризорать передаточной функцией Н(со), представляющей собой отклик ионосферы на монохроматическую Волну. Для оценки Малых искажений узкополосного сигнала в радиоканале модуль //(rd) (АЧХ) и аргумейт р[сд) (»ЬЧХ) ЦередятоФшй функции Канала могут быть разложены вблизи несущей частоты зондирования о) В ряд Тейлора в первом (Линейном) приближений f2j. Такое представление Н{со)позволяет установить связь между комплексными амплитудами излученного qQ{t) и принятого сигнала В виде:
где: // = /i(co0)- амплитуда, у) - <р(а>0)- фаза, г = (р'(&о)- задержка отраженного сигнала, а у = - //'(<у0)///(гу0) - значение наклона АЧХ радиоканала на несущей частоте. Таким образом, малые Искажения формы узкополосного
сигнала связываются с наклоном ЛЧХ канала в полосе частот П зондирующего сигнала. Критерием узкополосности сигнала (или критерием малости искажений) в данном случае выступает соотношение
/П« 1. (2)
Работы но изучению искажений формы сигналов ВЗ проводятся в отделе распространения радиоволн ИСЗФ СО РАН с начала 80-х годов. Первые исследования динамики тонкой структуры ионосферного отклика и вариаций параметров радиоканала [3] показали, что искажения узкополосных сигналов, вызванные наклоном АЧХ, существуют даже на частотах далеких от критической, и могут быть измерены. ПроведеИная в 1995-97 годах серия экспериментов по ВЗ ионосферы, в которых величина}' измерялась на различных частотах непрерывно на интервалах более 5 минут, наряду с традиционными параметрами //, <р иг показала [4,5], что:
і. наклон Р ЧХ является независимой величиной и не повторяет вариаций амплитуды, фазы и групповой задержки во времени;
-
у - самая быстроменяющаяся во времени характеристика (среднее время корреляции составляет 2-5 сек., среднеквадратичное значение 1-4 мкс);
-
основной физической причиной наличия у в ионосферном канале и связанных с ним искажений сигнала ВЗ, вероятнее всего, является мелкомасштабная неоднородная структура отражающего слоя.
Работы [6,7] показали, что измерение у наряду с ju, (р иг открывает дополнительные возможности для решения обратной радиофизической задачи ди-; агностики мелкомасштабной структуры ионосферы. В этих работах в рамках модели фазового экрана была установлена связь флуктуации у со свойствами ионосферных неоднородностей. Было найдено соотношение среднеквадратичного значения наклона АЧХ со статистическими параметрами неоднородной структуры ионосферной плазмы.
Значение регулярных наблюдений наклона АЧХ (наряду с традиционными параметрами амплитудой, фазой и задержкой) в полной мере еще предстоит оценить, но уже сейчас можно сказать, что такие измерения расширяют, с точки зрения решения обратной радиофизической задачи, диагностические возможности метода ВЗ и позволяют [б]:
1. верифицировать модель спектра ионосферных неоднородностей;
-
оценить вертикальной масштаб неоднородностей ионосферной плазмы;
-
оценить интенсивность флуктуации электронной концентрации.
Вместе с тем, измерения характеристики у выявили и недостатки, которые касаются существующей аппаратуры, методик радиозондирования и обработки данных. Зондирование традиционно используемым а практике ВЗ гауссо-образным импульсом не дает, к сожалению, необходимой точности определения параметра у (при реальных значениях соотношения сигнал/шум погрешность измерения может приближаться к характерным значениям самого параметра [8]). Это не позволило, в частности, исследовать суточную зависимость вариаций у на фиксированной частоте и выявить характер изменения у с высотой при зондировании на различных частотах с регулярным шагом.
Определение у на основе исследования тонкой структуры ионосферного отклика требует комплексного подхода к постановке измерен їй. Наряду с совершенствованием методик диагностики параметров, необходимо, во-первых, корректно поставить и решить зади .у о выборе формы зондирующего сигнала, оптимизированного для измерения наклона АЧХ радиоканала на фоне шума, а во-вторых, создать аппаратно-программный комплекс (АПК), способный формировать и излучать такие сигналы, регистрировать и производить первичную обработку отраженного сигнала в цифровой форме.
Целью настоящей работы являлось расширение диагностических возможностей метода ВЗ, путем создания АПК для ВЗ ионосферы сигналами специальной формы, повышающими точность определения величины наклона АЧХ ионо-
сферного канала распространения сигнала. Для этого в работе решались следующие основные задачи:
-
Разработка методики определения параметров сигнала на основе анализа его полной формы и синтез специальных сигналов, оптимизированных для задачи измерения малых искажений сигнала, связанных с наклоном АЧХ канала распространения при ВЗ ионосферы.
-
Создание АПК для ВЗ ионосферы специальными сигналами, включающего в себя формирователь аналоговых радиосигналов произвольной формы. Научная новизна выполненной работы состоит в том, что:
-
Разработана методика обработки сигнала для определении величины малых искажений, связанных с наклоном АЧХ ионосферного канала распространения. Впервые предложен метод синтеза сигналов, оптимизированных для этой задачи. Синтезированы такие сигналы при различных значениях базы сигнала.
-
Предложен новый метод формирования аналоговых сигналов произвольной формы, оіраниченньїх только полосой -гастот, на основе математического аппарата локальных В-сплайнов. Устройство, реализующее этот алгоритм, вюіючено в состав АПК для ВЗ ионосферы сигналами,специальной формы. Практическая ценность работы состоит в созд;,'»ии АПК для ВЗ ионосферы сигналами специальной формы, расширяющего диагностические возможности метода ВЗ, результаты ее могут быть использованы:
t. при создании диагностических средств в ионосферны\дсследованиях;
-
при разработке адаптивных систем радиосвязи;
-
при разработке аппаратуры формирования аналоговых сигшкдв произвольной формы в различных сферах научно-технической деятельности. "..
На защиту выносятся следующие положения:
1. Но»;чій метод и результаты синтеза специальных сигналов, оптимизировав. пых для ;адачн,диагностики наклона АЧХ ионосферного радиоканала при (33, а также методика их обработки.
2. Новый метод формирования аналоговых сигналов на основе пспользоаашм аппарата локальных й-сплайнов. Реализация программно-управляемого формирователя аналоговых радиосигналов произвольной формы в составе АПК ВЗ, позволяющего быстро изменять форму сигнала в зависимости от условии зондирования.
Апробация работы: Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на XVI-ой Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Харьков, 1990); на Региональной научной конференции, посвященной 100-летию изобретения радио (Иркутск:, 1995); на Международной конференции «Информационные технологии и радносетн-96» (Омск, 1996); на XVlIl-ой Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996); на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборосгроения» (Новосибирск, 1996); на XXV-ой Генеральной ассамблее URSI (Лиль, Франция, 1997), на Международная конференция по физике ионосферы и атмосферы Земли (Иркутск. 1998), на семинарах в Омском Техническом Университете, в отделе распространения радиоволн Института солнечно-земной физики СО РАН, в центре атмосферных исследований Массачусетского Университета Ло-увелл (США).
Личное участие. Автор принимал участие в проведении экспериментов по измерению вариаций наклона АЧХ радиоканала и обработке данных, в постановке задачи и разработке метода и алгоритма синтеза сигнала, оптимизированного для измерения величины наклона АЧХ, в разработке аппаратно-программного комплекса для ВЗ ионосферы сигналами специальной формы и в создании формирователя зондирующих сигналов произвольной формы. Автором самостоятельно проведен численный синтез оптимального сигнала, проведено мате-матическое моделирование работы формирователя сигналов, выявлены основные источники погрешностей формирования, сформулированы рекомендации
по использованию формирователя в составе ЛПК, проработан вариант его технической реализации, разработана методика проведения эксперимента по ВЗ ионосферы сигналами специальной формы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, їрех глав основного материала, заключения и приложения с общим объемом в 124 страницы, включая список цитируемой литературы из 73 наименований и 25 рисунков. Содержание работы.
Постановка задачи синтеза оптимального сигнала
Физической причиной наличия у может быть частотная зависимость поглощения радиоволн в ионосфере [15], которая обратно пропорциональна квадрату частоты. Оценки показывают [11], что величина у, возникающей из-за частотной зависимости поглощения, должна составлять в среднем порядка 0,5 мкс, что при полосе сигнала порядка 10 Кгц должно давать ширину петли на фазовой диаграмме порядка 0,5% от длины. Однако экспериментальные данные дают значения иногда в десятки раз больше этой оценки. Все эти рассуждения позволяют предположить, что основной причиной наличия у в ионосферном канале и связанных с ним искажений сигнала ВЗ может служить мелкомасштабная неоднородная структура отражающего слоя, ответственная за флуктуации амплитуды отраженных сигналов и F рассеяние. В таком случае у, являясь производной амплитуды по частоте, несет дополнительную информацию о масштабах рассеивающих неоднородностей, аналогично радиусу частотной корреляции флуктуации амплитуды [16]. Это предположение открывает дополнительные возможности для решения обратной радиофизической задачи диагностики мелкомасштабной структуры ионосферы.
В работах [17-18] на основе модели фазового экрана была установлена связь флуктуации у со свойствами ионосферных неоднородностей. В рамках статистического подхода было найдено соотношение среднеквадратичного значения наклона АЧХ со статистическими параметрами неоднородной структуры ионосферной плазмы. Полученные выражения подтвердили, что у более чем 1. верифицировать исходную модель спектра неоднородностей; 2. оценить вертикальной масштаб неоднородной структуры ионосферной плазмы; 3. оценить интенсивность относительных флуктуации электронной концентрации. Следует отметить также, что энергетика низкочастотных составляющих (0-0.1 Гц) в спектре наклона АЧХ существенно ниже, чем в спектре амплитуды и тем более фазы и вполне сравнима с энергетикой быстрых флуктуации (0.1-0.2 Гц). Это обстоятельство позволяет существенно упростить задачу исключения влияние крупномасштабных волнообразных возмущений на динамику у и выделения вариаций параметра, связанных именно с мелкомасштабными ионосферными неоднородностями [18].
Вместе с тем, измерения характеристики у, проведенные в 95-97 годах, выявили и недостатки, которые касаются существующей аппаратуры, методик радиозондирования и обработки данных. Зондирование традиционно используемым в практике ВЗ гауссообразным импульсом не дает, к сожалению, необходимой точности определения параметра у (при типичных значениях соотношения сигнал/шум погрешность измерения может приближаться к характерным значениям самого параметра [19]). Высокие требования к необходимой величине соотношения сигнал/шум не позволили, в частности, исследовать суточную зависимость вариаций у на фиксированной частоте, выявить характер изменения у с высотой при зондировании на различных частотах с регулярным шагом. Таким образом, реальное расширение диагностических возможностей метода ВЗ, возникающее с привлечением дополнительной ионосферной характеристики (наклона АЧХ), возможно лишь при существенном повышении точности ее определения. В связи с этим, становится актуальной задача поиска сигналов, обеспечивающих наилучшую точность измерения искажений, связанных с наклоном АЧХ канала распространения, разработки методики их обработки и аппаратуры, способной такие сигналы формировать.
Вопросам, связанным с синтезом, формированием и обработкой сигналов специальной формы, оптимизированных для задачи измерения искажений, которые связаны с наклоном АЧХ ионосферного канала распространения, посвящена настоящая работа.
Целью диссертационной работы является: расширение диагностических возможностей метода ВЗ, путем создания АПК для ВЗ ионосферы сигналами специальной формы, повышающими точность определения величины наклона АЧХ ионосферного канала распространения сигнала. При этом в работе решались следующие основные задачи: 1. Разработка методики определения параметров сигнала на основе анализа его полной формы и синтез специальных сигналов, оптимизированных для зада чи измерения малых искажений сигнала, связанных с наклоном АЧХ канала распространения при ВЗ ионосферы. 2. Создание АПК для ВЗ ионосферы специальными сигналами, включающего в себя формирователь аналоговых радиосигналов произвольной формы.
Численное моделирование прохождения оптимального сигнала через радиоканал и расчет погрешности определения параметров на фоне шума
Использование сигналов сложной формы с различной длительностью и полосой частот вызывает необходимость включения в АПК вертикального зондирования, в качестве ключевого элемента, специального формирователя зондирующих сигналов.
Актуальность проблемы формирования сложных сигналов с заданными свойствами в задачах связи, радиолокации, радиофизических исследованиях ионосферы и т.п. известна [22, 38, 39]. При этом все очевиднее становятся преимущества цифрового способа формирования, где сигнал задается в виде последовательности цифровых отсчетов, а затем преобразуется в аналоговую форму. С математической точки зрения эта проблема сводится к задаче аппроксимации функций некоторых классов по значениям их отсчетов на равномерной сетке.
Целью второй главы является: 1. сравнение возможных подходов к решению этой задачи; 2. выявление основных источников погрешности формирования как принципиального, так и технического характера; 3. выбор и обоснование алгоритма и принципов аппаратной реализации формирователя аналоговых зондирующих сигналов произвольной формы. 2.2. Проблема аппроксимации.
В радиотехнике мы часто встречаемся с проблемой адекватного представления некой непрерывной функции времени fit) в виде ее дискретных значений, взятых в п различных моментов времени, и наоборот - с проблемой адекватного восстановления непрерывной функции по ее дискретным отсчетам.
Остановимся на второй из упомянутых задач и сформулируем ее так: допустим, известны значения функции f(k) в ряде точек к - 1,2,...п, принадлежащих интервалу [a,b]. Требуется найти значения f(x) для всех значений х в этом интервале. Так поставленная задача, разумеется, всегда имеет бесконечное количество решений. Однако, если ограничить класс функций fix) (т.е. наложить на нее некоторые дополнительные требования), то эта задача может уже иметь единственное решение или не иметь его вовсе. Например, если известно, что fix) - многочлен степени не выше п, то по п + 1 точкам на отрезке [а, б] можно единственным образом провести график функции, принимающей значения f(k) в соответствующих узлах. Это решение дается интерполяционной формулой Лагранжа [40]: т=± жт , (21) где фіх) - каноническая функция, имеющая в точках к простые нули и не обращающаяся в нуль при других значениях х. Не менее важным является и другой подход, когда аппроксимируемая функция задана на всей вещественной оси. Решение такой задачи существует, и при этом единственное, если функция fix) обладает финитным и интегрируемым в квадрате спектром, т.е.:
Интересно, что решение может быть получено из той же формулы Лагран-жа (2.1), в которой f(x) ограничена по спектру некоторой величиной а [33]. Здесь и далее примем, что дискретные отсчеты f(x) являются равноотстоящими через интервал t = A, tn = пА in = 0, ± 1). В этом случае простейшей канонической функцией с такой последовательностью нулей будет синус,
Полученная формула известна в отечественной литературе как ряд Ко-тельникова, который устанавливает однозначную связь между непрерывной функцией с финитным спектром и ее дискретными отсчетами. Применительно к теории сигналов, величина а будет иметь размерность рад./сек. Если перейти к частотам, измеряемым в герцах, то а = 2 яР, где F - максимальная частота в спектре сигнала и, следовательно, интервал между отсчетами будет равен А = Vj Т? . В таком случае формулу (2.3) можно переписать в виде:
Таким образом, базовая формула Лагранжа задает два, в некотором смысле, противоположных подхода к проблеме аппроксимации. Один из них требует, чтобы функция была ограничена во времени, другой - на интервале частот. Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки, свои источники погрешности. И тот и другой подход являются, разумеется, математической идеализацией и только приближенно могут быть реализованы как устройство. В радиотехнике более распространен подход восстановления сигналов с финитным спектром. Для него хорошо известны основные источники погрешностей, возникающие при аппаратной реализации алгоритма. Проведем обзор для него и покажем, как приведенные оценки погрешностей могут быть распространены на противоположный подход.
В случае использования ряда Котельникова для восстановления информации, точные значения f(t) получаются только после суммирования бесконечно большого числа слагаемых и при точно известных f(kA). Однако, в реальных условиях невозможно передать неограниченное количество отсчетов, и притом абсолютно точно, так что техническая реализация метода сопряжена с неизбежными погрешностями. Погрешности можно условно разбить на две группы
Принципиальные погрешности не могут быть устранены или даже уменьшены, они не зависят от выбранного способа аппроксимации. Определить же величину погрешностей такого рода для каждого требуемого типа сигнала и условий аппроксимации необходимо, с тем, чтобы не предъявлять завышенных требований к точности технического исполнения. Конечное число отсчетов.
Если возможно передать лишь конечное число отсчетов, то это приводит к неоднозначности решения интерполяционной задачи, а следовательно, к необходимости сузить класс функций, в которых эта задача решается, В работе [33] названы два метода введения таких ограничений.
Определение В-сплайнов и их основные свойства
Следует отметить интересную особенность формирователя, построенного на основе локальных 5-сплайнов. Число уровней квантования сигнала на выходе ЦАП в общем случае не совпадает с соответствующим числом для исходного сигнала и зависит от выбранного шага дискретизации. Действительно, если исходная функция fit) ограничена по спектру некоторой частотой F и по модулю некоторым числом М, для ее производной на всем интервале определения справедливо утверждение [33]:
Следовательно, на произвольном интервале At возможное приращение функции A f(t) ограничено величиной
Представление функции fit) в виде дискретных отсчетов с конечным числом уровней квантования всегда позволяет выбрать такой интервал At у-р, чтобы приращение на интервале было заведомо меньше минимального шага квантования Q (іддоіф).
Отсчеты функции при формировании импульсного отклика сплайн-фильтра пересчитываются в соответствии с формулой (2.71) в коэффициенты аппроксимации Нк. В случае, когда на интервале импульсного отклика функция, согласно (2.75), не меняется более чем на единицу младшего разряда, Н , вне зависимости от числа уровней квантования исходной функции, имеют лишь ограниченный набор значений (0; -1; 1; -11; 11).
На рис.2.7 представлены входной сигнал сплайн-фильтра в виде отсчетов исходной функции, когда шаг дискретизации А «; у-р (2.7а)} и сигнал на вы ходе ЦАП (2.76). Сжатие динамического диапазона отсчетов в сплайн-фильтре. а) входной сигнал формирователя в виде дискретных отсчетов в диапазоне n Q; б) выходной сигнал ЦАП с ограниченным набором значений. Таким образом, при достаточно малом шаге дискретизации,-в сплайн-фильтре может быть использован малоразрядный ЦАП. Подобная методика работы на приращениях известна в литературе под названием «дельта-сигма преобразование» и хорошо зарекомендовала себя в высококачественной звуковоспроизводящей технике [43].
Аппаратная реализация формирователя в составе АПК обсуждается в третьей главе настоящей работы.
В настоящей главе представлен новый метод формирования аналоговых зондирующих сигналов произвольной формы, ограниченных только полосой частот, с использованием локальных б-сплайнов второй степени. Автором сформулирована и решена в частотной области задача построения локального 5-сплайна, точного при восстановлении полиномов. Даны оценки погрешностей метода в зависимости от частоты дискретизации, разрядности представления формируемого сигнала и ширины его полосы. На этой основе автором разработано устройство формирования зондирующих сигналов произвольной формы в составе АПК для ВЗ ионосферы специальными сигналами. Следует отметить, что благодаря своей простоте, гибкости в управлении и высокому качеству выходных сигналов, формирователь может найти применение не только в различных областях радиофизических исследований, но и в учебной практике, медицинской технике, радиолокации и т.п. Глава 3. Аппаратно-программный комплекс вертикального зондирования ионосферы специальными сигналами.
Современные средства наземного радиозондирования ионосферы, как например [63,64], представляют собой полностью автоматизированные программно-управляемые цифровые комплексы, способные вести когерентный прием [65,66] и регистрировать большой объем информации о параметрах отраженного сигнала в широком диапазоне частот. Задача изучения тонкой неоднородной структуры ионосферы заставляет расширять набор измеряемых параметров, предъявляет все более высокие требования к точности их диагностики [67]. При этом развитие ионозондов идет как «экстенсивным», когда набор измеряемых параметров расширяется за счет увеличения каналов приема без изменения методик обработки сигнала (измерение углов прихода, поляризации), так и «интенсивным» путем (развитие методик, повышающих точность измерений, позволяющих извлекать из сигнала новую, ранее не известную информацию). Аппаратно-программный комплекс ВЗ, описанный ниже, является цифровым ионозондом когерентного приема и решает задачи высокоточных измерений таких характеристик, как амплитуда, фаза, задержка и наклон АЧХ канала распространения, на основе использования специальных зондирующих сигналов и углубленного анализа формы ионосферного отклика. Целью настоящей главы является: 1. описание АПК для ВЗ ионосферы специальными сигналами. 2. разработка методики калибровки приемо-передающего АПК; 3. постановка эксперимента по зондированию ионосферы сигналами, оптимизированными для измерения величины наклона АЧХ радиоканала; 4. экспериментальная оценка точности регистрации отраженного сигнала по амплитуде, фазе и задержке и величине наклона АЧХ ионосферного канала распространения сигнала.
АПК, структурная схема которого изображена на рис.3.1, был представлен различными своими элементами в серии работ [68-71]. АПК предназначен для исследования ионосферы методом ВЗ и служит для формирования и излучения зондирующих сигналов, когерентного приема и первичной обработки данных, записи их на магнитный носитель.
АПК включает в себя как штатное оборудование ионосферной станции (передатчик, приемник, антенные системы), так и специализированный блок формирования и регистрации сигнала (БФРС), разработанный в ИСЗФ СО РАН. Комплекс управляется программным образом от персональной ЭВМ типа IBM-PC (486 или Pentium), общая синхронизация и работа АПК в режиме когерентного приема обеспечивается единым синхронизирующим генератором.
Эксперимент по проверке работоспособности комплекса при верти кальном зондировании ионосферы сигналами специальной формы
В сравнении с этим, спектр на рис.3.8в носит практически не спадающий, шумовой характер. Линейный масштаб спектров наклона АЧХ на рис.3.86 и 3.8г, делает возможным сравнение уровней шума на неопадающих участках спектра, что позволяет отметить трехкратную разницу в уровнях мощности шумовых составляющих.
Таким образом, результаты эксперимента качественно подтвердили теоретические оценки, сделанные в главе 1. Кривые рис. 1.4 дают верные значения погрешностей всех определяемых параметров. Точность определения может быть еще повышена при использовании специальных сигналов с базой, большей, чем 6. Так, при допустимой длительности сигнала 1 мсек. и полосе 20 кГц, база сигнала имеет значение 20. Согласно зависимости, приведенной на рис. 1.5, точность определения наклона АЧХ на этой базе повышается еще почти в четыре раза. Это означает, что ту же точность, что и в описанном выше эксперименте, можно получить при соотношении мощности шума к мощности сигнала -0.25. Шумы такого уровня (средняя амплитуда шума только в два раза ниже амплитуды сигнала) делают практически невозможной работу стандартного ио-нозонда. И если в такой шумовой обстановке использование специальных сигналов дает возможность надежного определение параметра у , то можно утверждать, что его регистрация осуществима практически во всем возможном при ВЗ диапазоне шумов.
В настоящей главе обсуждаются принципы построения аппаратно-программного комплекса ВЗ ионосферы с использованием специальных сигналов. Приводится структурная схема разработанного автором совместно с коллегами аппаратно-программного комплекса, рассматриваются основные его элементы, система синхронизации и методика калибровки. Подробно описывается узловой элемент АПК - формирователь зондирующих сигналов, позволяющий быстро изменять форму радиосигналов в зависимости от задачи зондирования. Обсуждаются результаты эксперимента по проверке работоспособности АПК с использованием сигналов специальной формы. Даны сравнительные иллюстрации реализаций традиционного и специального сигналов, их огибающих и квадратур. Приведены примеры временных вариаций параметров радиоканала амплитуды, фазы, задержки и наклона АЧХ, определенных при использовании обоих сигналов. Качественно подтверждены данные автором теоретические оценки точности определения параметров. Показано, что с применением специальных сигналов при ВЗ ионосферы погрешность определения величины наклона АЧХ может быть более чем в 10 раз. Достигнутая в реальной помеховой обстановке точность дает возможность регулярных наблюдений временных вариаций у в широком диапазоне частот. Как уже отмечалось во Введении, такие измерения позволяют существенно расширить диагностические возможности метода ВЗ при исследовании мелко - и среднемасштабных ионосферных неод-нородностей.
В результате выполнения настоящей работы получены следующие результаты.
1. Разработана методика обработки сигналов ВЗ для определения величины малых искажений, связанных с наклоном АЧХ ионосферного канала распространения. Предложен метод синтеза сигналов, оптимизированных для этой задачи. Синтезированы такие сигналы при различных значениях базы сигнала. Для этих сигналов рассчитаны зависимости погрешностей измерения параметров на фоне шумов различного уровня.
2. Предложен новый метод формирования аналоговых зондирующих сигналов произвольной формы, ограниченных только полосой частот, на основе математического аппарата локальных 5-сплайнов второй степени. Реализовано устройство формирования зондирующих сигналов произвольной формы в составе аппаратно-программного комплекса ВЗ, позволяющее в реальном масштабе времени изменять форму сигнала в зависимости от условий зондирования.
Создан аппаратно-программный комплекс вертикального зондирования ионосферы сигналами специальной формы. Проведена экспериментальная проверка эффективности использования специальных сигналов. Качественно подтверждены теоретические оценки точности определения величины наклона АЧХ ионосферного радиоканала как параметра среды. Показано, что с применением специальных сигналов при ВЗ ионосферы погрешность определения величины наклона АЧХ может быть снижена более чем в 10 раз.
Таким образом, в результате проведенной работы созданы аппаратные средства, разработана методика, синтезированы сигналы, повышающие точность и расширяющие диагностические возможности метода ВЗ при исследовании мелко - и среднемасштабной неоднородной структуры ионосферной плазмы. Специальные сигналы, повышающие точность измерения наклона АЧХ радиоканала, могут быть полезны также в задаче сверхточного определения задержки, разрешении нескольких, перекрывающихся по времени задержки, ионосферных откликов. Формирователь сигналов, благодаря своей простоте и высоким точностным характеристикам, может найти применение в других направлениях радиофизических исследований ионосферы, в различных областях научно-технической деятельности.
В заключении автор считает своим долгом выразить глубокую признательность своему научному руководителю доктору физико-математических наук Орлову И.И., чьи плодотворные идеи легли в основу настоящей работы. Хочу искренне поблагодарить за постоянное внимание к работе заведующего отделом распространения радиоволн ИСЗФ к.ф.-м.н. Потехина А.П. и заведующего лабораторией к.ф.-м.н. Носова В.Е. Настоящая работа была бы невозможна без разносторонней помощи Ратовского К.Г., Ильина Н.В., Шпынева Б.Г., Зарудне-ва В.Е., Орлова А.И. и многих других сотрудников отдела РРВ ИСЗФ.
