Содержание к диссертации
Введение
Глава I Обзор аппаратуры, сигналов, излучателей ионозондов и георадаров 10
1. Вертикальное зондирование ионосферы 10
1.1 Измерение поглощения радиоволн 13
2. Ионозонды 15
3. Излучатели ионозондов 17
4. Программы расчета антенных характеристик 19
5. Радиозондирование подповерхностной среды. Георадары 20
Глава 2. Радиосигналы ионозондов и измерение поглощения радиоволн 25
1. Методика измерения поглощения при радиоимпульсном зондировании 25
2 Отражения ионосферой укороченных радиоимпульсов зондирования 27
3 Наблюдаемые формы радиосигнала отражения 29
4 Исследование переднего фронта отраженного радиосигнала 31
5. Обоснование параметров внутриимпульсной модуляции сигналов для зондирования ионосферы 34
6. Аппаратура и результаты измерения действующих высот отражения с применением внутриимпульсной частотной модуляции 38
7. Аппаратные средства измерения поглощения радиоволн 45
Глава 3. Излучатели для вертикального зондирования ионосферы и георадаров 50
1. Математические основы программ компьютерного моделирования антенн... 50
1.1 Исходные данные и ограничения при вычислении интегральных уравнений 50
1.2. Решение интегральных уравнений для проволочных антенн 52
1.3. Расчет характеристик антенн 54
1.4. Учет влияния земли при вычислении параметров антенны 56
2. Компьютерное моделирование ромбических антенн ионозонда 57
2.1. Моделирование ромбических антенн ионозонда ИЗМИР АН 57
2.2 Методика расчета геометрических параметров ромбической антенны ионозонда 61
2.3 Моделирование типовой антенны ионозонда АИС 65
3. Компьютерное моделирование дельта антенн 71
3.1 Моделирование дельта антенна ионозонда 71
3.2. Судовая дельта антенна 75
4. Излучения антенн вблизи земли 79
4.1. Дипольные антенны вблизи земли 79
4.2. Ромбические антенны вблизи земли 81
5. Магнитные излучатели ионозондов 88
5.1. Особенности рамочных антенн в режиме излучения 88
5.2. Синтезированная передающая антенна ионозонда 90
6. Антенны георадара 95
6.1. Радиозондирование поземной среды 95
6.2. Сигналы георадара 96
6.3. Дипольные антенны георадара 98
6.4. Ромбическая антенна для георадара 103
Глава 4. Планетарное распределение поглощения радиоволн в ионосфере . 108
1. Планетарное распределение поглощения радиоволн 108
2. Зональные вариации параметров ионосферы ниже главного максимума электронной концентрации 114
2.1. Зональные вариации параметров в области/) 115
2.2. Зональные вариации параметров в области F 117
2.3. Широтно-сезонные особенности зональных эффектов 118
2.4. Широтно-высотные особенности зональных эффектов 118
2.5. Суточный ход зональных эффектов 120
2.6. Связь зональных эффектов с солнечной активностью 122
2.7. Сравнение экспериментальных данных с модельными 124
2.8. Прямые (ракетные) измерения электронной концентрации и поглощения в ионосфере 124
Заключение 127
Литература
- Программы расчета антенных характеристик
- Обоснование параметров внутриимпульсной модуляции сигналов для зондирования ионосферы
- Моделирование ромбических антенн ионозонда ИЗМИР АН
- Зональные вариации параметров ионосферы ниже главного максимума электронной концентрации
Введение к работе
Диссертация посвящена вопросам исследования ионосферы импульсными радиосигналами и подземных радиофизических неоднородностеи на базе созданных при активном участии автора измерительных геофизических комплексов. Объектом исследований выбраны широкополосные излучатели и сигналы, применяемые для вертикального зондирования ионосферы и измерения поглощения радиоволн в ионосфере и широкополосные излучатели георадаров. В диссертации анализируются характеристики антенн ионозон-дов в ближней зоне и вблизи земли. С этих позиций также рассмотрена работа антенн георадара с применением видеоимпульсов для зондирования подповерхностных аномалий проводимости и диэлектрической проницаемости. В диссертации эти темы объединены в связи с тем, что излучатели для ионо-зонда и георадара должны быть: во-первых - широкополосными с коэффициентом перекрытия по частоте не менее 10, а во-вторых - обе системы работают на границе раздела контрастных радиофизических сред. Представлены и проанализированы экспериментальные данные исследования ионосферы, полученные с использованием разработанных автором излучателей и аппаратуры в экспедициях на научно-исследовательских судах.
Актуальность работы
Целью зондирования ионосферы радиоволнами с помощью ионозондов всех типов является оперативное получение параметров состояния ионосферной плазмы. Достоверные, неискаженные радиотехническими средствами, данные о характеристиках ионизированных слоев важны как для исследований состояния самой ионосферы, так и для практики коротковолновой связи. Расширить информативность ионозонда для получения информации о D и Е областях ионосферы позволяют измерения поглощения радиоволн, проводимые на ряде фиксированных частот нижнего участка диапазона зондирования. Зачастую успех таких исследований определяет правильный вы-
4 бор приемных и передающих антенных систем, а также выбор вида зондирующих сигналов. Поэтому создание широкополосного излучателя (0,5-20 МГц) с диаграммой направленности в зенит с наименьшим количеством боковых лепестков и равномерным значением коэффициента усиления по диапазону частот считается одной из самых сложных задач в построении измерительных комплексов радиозондирования ионосферы. Правильный выбор (разработка и изготовление антенн) излучателя важен ещё и потому, что современные излучатели в ионозондах представляют собой сложные и дорогостоящие устройства. Ошибки в выборе излучателя зачастую не поддаются исправлению (из-за ограничений на выбор площади для установки антенн, на наличие ранее установленных мачт и т. п.), они вносят существенные погрешности при анализе полученной в экспериментах геофизической информации из-за трудностей учета диаграмм направленности и сопротивления излучателей в широком диапазоне частот. Снижение мощности передающих устройств ионозондов, диктуемое как техническими, так и экологическими требованиями, выдвигает на первый план актуальность оптимизации параметров антенных систем и использующихся при радиозондировании ионосферы различного вида широкополосных сигналов.
В георадарных излучателях близость земли играет решающую роль в передаче энергии в подповерхностный пространства земли. Антенная система георадара должна иметь широкую полосу частот и в тоже время очень низкую добротность, т. к. время переходного процесса не должно превышать первые несколько наносекунд. Особый случай представляет вариант георадара для дистанционного зондирования подповерхностного пространства земли, когда георадар с антенной размещается непосредственно над поверхностью земли. Вопросы исследования георадарных антенн для дистанционного зондирования подповерхностной среды весьма актуальны, поскольку на настоящий момент для этой цели используются классические радиолокаторы с присущими им ограничениями.
В обоих случаях излучатели для работы ионозонда и георадара должны
5 быть не только широкополосными с большим коэффициентом перекрытия по частоте, но иметь хорошее согласование с передающим устройством.
Измерения поглощения радиоволн методом А1 дополняют информацию о состоянии слоев D и Е ионосферы необходимую для решения ряда задач энергетики и распространения радиоволн и физики ионосферы.
Кроме того, остаются актуальными и вопросы изучения пространственно-временной структуры практически всех слоев ионосферы, включая область D. Поэтому получение экспериментальных данных не только о средних геофизических параметрах ионосферы, но также и об их пространственных неоднородностях и временных вариациях с помощью методов вертикального зондирования и ионосферного поглощения радиоволн важны и в наши дни.
Цель работы
Экспериментальное исследование сигналов излучения с внутриим-пульсной частотной модуляцией низкой частотой и регистрации фазы частоты модуляции, для увеличения точности измерения действующих высот отражения ионосферы в процессе измерения ионосферного поглощения радиоволн.
Проведение компьютерного моделирования находящихся в эксплуатации антенн ионозондов и выработке рекомендаций по повышению эффективности их работы.
Обоснование принципов построения новых излучателей ионозондов.
Разработка и экспериментальная апробация антенны для георадара, работающего с применением видеосигнала. Расчет антенной системы для георадара воздушного базирования.
Подготовка комплекса аппаратуры для экспедиций и получение экспериментальных данных параметров ионосферы в акватории Мирового океана, анализ данных измерений.
6 Научная новизна работы:
-
Впервые использовано зондирующее излучение с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой и измерения ее фаза для процесса измерения ионосферного поглощения радиоволн, что позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя Е (среднестатистическая ошибка 0.3 км).
-
Аналитическими расчетами и путем компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате:
а) выработаны рекомендации для улучшения параметров существую
щих антенн как стационарных, так и экспедиционных ионозондов (диаграм
мы направленности, коэффициента усиления по диапазону и т. д.);
б) создана более эффективная методика расчета ромбических антенн
ионозонда и обоснованы принципы построения новых антенных систем для
измерения поглощения радиоволн;
в) впервые предложена синтезированная активная антенна для ионо
сферного измерительного комплекса.
-
Исследованы и внедрены в эксплуатацию дипольные резистивно-нагруженные антенны георадара. Впервые рассчитана антенная система георадара для воздушного размещения.
-
Получен большой массив экспериментальных данных по измерениям поглощения радиоволн и данных вертикального импульсного радиозондирования на акватории Мирового океана. На основании полученных данных выявлены неоднородности в широтно-долготном распределении величины поглощения.
Научная и практическая значимость работы
Результаты диссертационной работы являются вкладом в дальнейшее развитие радиофизических методов и инструментов исследования среды и дают новые возможности в получении экспериментальных данных.
Результаты проведенных исследований доведены до практического воплощения в виде макетов, работающих систем и устройств.
Разработанные и защищенные патентом РФ георадары используются в геологии, археологии, на стройплощадках, в коммунальном хозяйстве и других областях народного хозяйства, где нужно получить информацию о подземных и подводных объектах.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
-
Экспериментально установлено, что применение зондирующего излучения с внутриимпульсной частотной модуляцией низкой частотой и измерение ее фазы для процесса измерения ионосферного поглощения радиоволн позволило существенно увеличить точность измерения действующих высот отражения от слоя Е (до среднестатистических погрешностей 0.3 км.).
-
Аналитическими расчетами и методом компьютерного моделирования произведены исследования параметров передающих антенн ионозондов. В результате:
а) выработаны рекомендации и методика расчетов для улучшения па
раметров существующих антенн ионозондов и установок измерения погло
щения радиоволн;
б) обоснованы принципы построения новых антенн для ионосферного
измерительного комплекса.
3. Исследованы антенны георадара. Проведена экспериментальная про
верка макетов антенн. Принята в эксплуатацию дипольная антенна с распре
деленной резистивной нагрузкой. Предложена антенная система для георада
ра воздушного базирования.
4.Экспериментально установлено, что существуют зоны неоднородности в широтно-долготном распределении поглощения радиоволн в ионосфере в планетарном масштабе.
Личный вклад автора
Результаты по теме диссертации получены лично автором или при его активном участии.
Автором предложен, исследован и применен на практике метод использования частотно-модулированных сигналов для повышения точности измерения действующих высот ионосферы по фазе частоты модуляции в процессе измерения поглощения радиоволн в ионосфере. Итогом этой работы явилось создание коллективом сотрудников ИЗМИР АН, при ведущем участии автора, аппаратно-измерительного комплекса «Парус» для измерения поглощения радиоволн. Дальнейшая модификация комплекса, позволила создать ионозонд «Парус».
Автором лично создана и экспериментально проверена судовая антенна для ионозондов. Автором проведены исследования передающих антенн ио-нозонда путем компьютерного моделирования, в результате чего внесен ряд предложений по усовершенствованию существующих антенн. Предложена методика расчета ромбических антенн ионозонда, определены пути дальнейшего развития передающих антенн ионозондов.
Автор принимал самое непосредственное участие в подготовке аппаратуры и проведении экспедиций на научно-исследовательских судах НИС "Академик Курчатов" и Академик Королев". Обработка данных измерений, выполненная с участием автора по результатам экспериментов в экспедициях, позволила выявить неоднородное распределение поглощения радиоволн в планетарном масштабе.
Автором лично испытано большое количество макетов передающих и приемных антенн георадаров, рассмотрены вопросы согласования их с приемниками. Внедрена в практику дипольная антенна с распределенной рези-сторной нагрузкой. Автором определены требования и произведены расчеты антенной системы георадара воздушного базирования.
Содержание и результаты исследований, выполненных по теме диссертации, отражены в 16 научных публикациях в отечественной и зарубежной печати; из них 2 патента РФ, в журналах, входящих в список ВАК, опубликовано 4 работы.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы В. А. Гарбацевича докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:
XI Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Казанский Государственный университет, 1975.
6-th International Conference on Ground Penetrating Radars. GPR'96, Sen-dai, Japan, Sept. 30 - Oct. 3, 1996.
International microwave conference MICON-96, Poland, Warsaw, May 27-30,1996.
52 Научной сессии, посвященной. Дню радио, Москва, МГУ, 1997.
- XIV региональной конференции по распространению радиоволн,
Санкт-Петербург, 2008.
Результаты исследований по теме диссертации неоднократно обсуждались на научных семинарах в ИЗМИР АН.
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 135 страницах. Она содержит 55 рисунков, 5 таблиц и библиографию из 87 наименований.
Программы расчета антенных характеристик
Первые опыты по радиозондированию ионосферы относятся к 1925 году, когда впервые были приняты отраженные сигналы от ионосферы. Разобраться в сложной структуре отраженных от ионосферы сигналов удалось только после получения высотно-частотной характеристики ионосферы — ионограммы [1]. В ходе вертикального зондирования радиоволны передатчика, находящегося в месте исследований, излучаются вверх и затем отражаются от ионосферы. Зная скорость их распространения, равную скорости света, и время от момента передачи до момента приема, определяют высоту отражающего слоя. Разрешающая способность по задержке при импульсном зондировании определяется длительностью диагностирующего импульса и составляет, как правило, 2.5 - 5 км. Из зарегистрированной ионограммы получают распределение действующих высот отраженных сигналов по частоте для всех слоев ионосферы, существующих на текущее время в месте зондирования. По максимальному значению частоты приема определяется критическая частота, пропорциональная максимальной электронной концентрации в ионосферной плазме.
Земная ионосфера явилась исторически первым объектом, в применении к которому был изучен ряд вопросов теории распространения электромагнитных волн в неоднородной плазме[2]. Сложное строение среды распространения, а также непрерывное во времени изменение параметров ионосферной плазмы оказывают влияние на распространение радиоволн. Поэтому задачи исследования процессов в ионосфере связаны как с практическими задачами обеспечения устойчивой работы систем радиосвязи, так и с не менее важными научно-исследовательскими задачами мониторинга околоземного пространства. Экспериментальное и теоретическое изучение связи между изменением параметров распространяющихся в ионосфере радиоволн и процессами, происходящими в термосфере Земли, являются актуальными, а внимание к ним не ослабевает и в последние годы. Изменчивость состояния электромагнитного поля радиоволн в точке приёма, вызванная влиянием ионосферы, уже с давних пор привлекала внимание ряда исследователей. Некоторые возможности для более детального исследования одной из причин изменчивости поля отражённой волны дают именно статистические методы анализа единичных сигналов, отражённых от ионосферы [3]. Суть этих исследований заключаются в статистическом методе анализа изменчивости состояния электромагнитного поля единичного радиосигнала, отражённого от ионосферы, и в изучении на этой основе ее тонкой структуры.
Для получения информации о структуре ионосферных слоев и динамике ионосферной плазмы Земли используются и другие варианты радиозондирования: наклонное, возвратно-наклонное, трансионосферное, при этом используются и различные виды сигналов узкополосные, импульсные, широкополосные, сигналы с различными видами модуляции. Различные методы исследования существуют совместно и успешно дополняют друг друга, но по однозначности интерпретаций получаемых физических параметров метод вертикального зондирования ионосферы превосходит другие. Именно вертикальному зондированию ионосферы принадлежат самые длинные временные базы экспериментальных данных полученных в различных пунктах планеты Земля. На рис. 1.1 представлена диаграмма [4], дающая представление о потенциальных возможностях метода вертикального зондирования, позволяющего по данным наблюдений получить информацию о профиле электронной концентрации, истинной высоте отражения, скорости движения ионосферных неоднородностей, о частоте соударений электронов[5]. На базе этих данных расчетным путем можно получить информацию о равновесном электронно - ионном составе, электрических полях, температуре, проводимости, ветрах, гравитационных волнах и другое. Дополнительные независимые измерения только расширяют исследовательские возможности вертикального зондирования. Согласно рекомендациям Международного Научного Радиосоюза (Union Radio-Scientifique Internationale, (URSI), а также консультативной группе по мировой сети ионосферных станций (INAG)- Ionospheric Network Advisory Group), регулярный мониторинг ионосферы с помощыо метода вертикального зондирования осуществляется в режиме 1 сеанс в 15 минут. Этот режим выбран в силу того, что позволяет надежно отождествлять не только суточный ход основных параметров ионосферы, но и регистрировать целый ряд
Многолетняя мировая практика ионосферных исследований показывает, что большая часть проблем, в том числе и перечисленных выше, может быть решена лишь на базе данных группы станций, образующих региональные сети того или иного масштаба минимально необходимая сеть ионосферных станций должна включать широтно-долготные цепочки. Международный научный союз (URSI) координирует обмен экспериментальными данными, разрабатывает и утверждает единый стандарт к интерпретации и формате баз данных, а также публикует данные о ионозондах, методиках проведения измерений, компьютерных программах обработки данных и их архивирования.
Как подчеркнуто в [6], метод вертикального зондирования остается до настоящего времени основным и наиболее распространенным методом экспериментального исследования ионосферы и, хотя в настоящее время зондирование ионосферы проводится со спутников и с ракет, а также с помощью другой сложной аппаратуры, значение наземных наблюдений не только не уменьшается, но становится более важным.
Обоснование параметров внутриимпульсной модуляции сигналов для зондирования ионосферы
Нами [24] предпринята попытка объяснить наблюдаемое искажение формы импульса в рамках лучевого метода. Большие завалы плоской вершины при таком подходе происходят из-за значительного вклада высших членов лучевого разложения, описывающего нестационарное поле. Последнее возможно только в окрестности каустических поверхностей. При этом большое падение амплитуды возможно как из-за эффективного попадания точки приема в область тени, так и резкого изменения поглощения.
Исследование переднего фронта отраженного радиосигнала. В рамках продолжения экспериментов с широкополосным приемным устройством ионозонда SP-3, была выполнена регистрация и статистическая обработка формы и амплитуды переднего фронта импульса, отраженного от ионосферы [26]. Проведение такого эксперимента важно для оценки точности отсчета действующих высот (Ю по переднему фронту импульса (хф). Для достижения поставленной задачи необходимо рассмотреть импульс с максимально прямоугольным фронтом. У существующих ионозондов длительность переднего фронта (тф ) составляет 10 -s- 20 мкс. Согласно работе [8] искажение переднего фронта импульса в ионосфере без учета магнитного поля Земли и поглощения может составлять около 4 микросекунд. Наконец, радиоприемное устройство ионозонда должно иметь соответствующую полосу пропускания по частоте, как мы указывали ранее. Задаваясь погрешностью измерения действующей высоты ДЬ -ЬО,5км, получаем длительность переднего фронта т = = Імксек. Полоса приемника, необходимая для спектра такого фрнта, составит В — х\50кГц. Для экспериментальной проверки этих возможно стей также использовался модернизированный ионозонд типа SP-3 с параметрами (здесь и в экспериментах, описанных ниже): импульсная мощность передатчика Ри = 20 квт, передний фронт импульса передатчика ги = 5 мкс, полоса пропускания приемника (близкая к прямоугольной) 2Afnp =100 кГц. Отраженный сигнал регистрировался на промежуточной частоте приемника фотокамерой с экрана осциллографа типа CI-33. Необходимо отметить, что уровень помех при расширении полосы приемного устройства значительно возрастает, поэтому для создания условий уверенного приема отраженных ионосферой сигналов, передающее устройство ионозонда было настроено на максимально допустимую мощность.
На рис.2.5 приведены формы огибающих радиоимпульсов, отраженных от ионосферы. Принятые отраженные радиоимпульсы от слоя Es подвержены флуктуа-циям фронта и амплитуды с периодом порядка 3- -5 сек.
Как видно из рис. 2.6, точность измерения высоты составляет около 2 км по сравнению с ±5 км для обычных ионозондов. Из недостатков следует отметить увеличение количества помех с увеличением полосы приемника.
Из приведенных данных, которые получены в экспериментах, можно сделать вывод о том, что при значительном уменьшении искажений сигнала с широким спектром в аппаратуре можно получить более детальную структуру неоднородно-стей ионосферы. Для повышения точности отсчета высот можно применять сложные сигналы и корреляционную обработку, или фазовые методы измерении высот [27, 28], однако при этом значительная часть информации может быть потеряна из-за неоднократного преобразования формы излученного и отраженного сигналов [29] и их восстановления. Для исследования тонкой структуры ионосферы более целесообразно использовать короткий импульсный сигнал, широкую полосу приемника и мощный передатчик. 5. Обоснование параметров внутриимпульсной модуляции сигналов для зондирования ионосферы.
Точность измерения действующих высот (h1) с помощью ионозондов, находящихся в настоящее время в эксплуатации в нашей стране, составляет в среднем ±5 км, В то же время, для изучения тонкой структуры ионосферы необходимо иметь более высокую разрешающую способность. Так, например, по оценкам, приведенным в [1], точность измерения потоков La - излучения солнца, одного из основных источников ионизации области составляет ±15%. Вместе с тем, разброс данных измерений этих потоков, полученных при одинаковом уровне солнечной активности, достигает иногда 40%. Следовательно, не исключена возможность вариаций потока La в пределах точности измерений. Поскольку это излучение является главным агентом ионизации в области высот 80-95 км, эти вариации могут вызвать изменение высоты уровня равной электронной концентрации до ±1,5 км [1]. Приведенный пример показывает, что для изучения структуры областей Е и D ионосферы необходимо иметь точность измерения по высоте не хуже ±0,5 км. Трудность реализации установки с такой точностью измерений по высоте заключается в том, что длина радиоволны с=300 м (/— 1 МГц) соизмерима с величиной 0,5 км, а поведение радиочастотного импульса в диспергирующей среде [2] связано с определенным временем установления. Рассмотрим возможные пути повышения точности измерения времени задержки сигнала ионозонда при вертикальном зондировании ионосферы.
В научных публикациях появились работы, где представлены расчеты и результаты экспериментов при зондировании ионосферы сложным сигналом. В работе [30] предложен метод повышения точности измерений ионозонда путем применения линейно-частотно-модулированного импульса и последующего его сжатия. Отраженный радиоимпульс со спектром шириной 100 кГц в приемнике разделяется на короткие отрезки длительностью т„ =100 мкс и суммируется. Полученный в результате короткий импульс и определяет параметры ионосферы. Но при отражении сигнала с шириной спектра 100 кГц от ионосферы различные части такого спектра отражаются на разных высотах, что и вносит большую неопределенность в отсчете времени задержки радиосигнала. При использовании сигналов с различным внутри импульсным кодированием спектр сигнала расширяется за счет коротких кодовых импульсов [27-29]. При длительности кодового импульса 10 мкс требуемая ширина полосы пропускания составит Af = — = Ю0кГц. Ошибка в отсчете будет иметь место как за счет ширины полосы пропускания, так и за счет искажения фронта кодового импульса.
Из преимуществ применения сложных широкополосных сигналов в ионозон-дах необходимо отметить: энергетический выигрыш по сравнению с моноимпульсным методом за счет расширения полосы пропускания приемника, возможность диагностики ионосферной плазмы по искажениям составляющих спектра сигнала.
Недостатками метода являются: сильная зависимость отсчета h от градиентов электронной концентрации, неопределенность относительных вариаций h , сложность реализации метода.
Интересное решение увеличения разрешающей способности кратко описано в работе [30]. В ионозонде использовалась линейная внутриимпульсная частотная модуляция излучаемого сигнала, спектр которого составлял около 30 кГц. Частота отраженного от ионосферы импульса сравнивалась с частотой контрольного генератора, частота которого также изменялась по линейному закону. В качестве контрольного генератора использовался синтезатор частот с дискретным шагом 1 Гц, управление которым велось с помощью ЭВМ. Как отмечается в работе, точность такого метода измерения действующей высоты отражения h составляет ±200м.
К преимуществам метода следует отнести высокую точность измерений по высоте при сравнительно небольшом увеличении спектра сигнала, а к недостаткам: трудность создания высокостабильного контрольного генератора и некоторую зависимость точности отсчета h от градиента электронной концентрации.
Моделирование ромбических антенн ионозонда ИЗМИР АН
Из рисунка можно сделать вывод, что в 90% случаях измерения проводятся с погрешностью ±0,5 км при условии, что на частотный детектор после ограничителя поступает сигнал с хорошим отношением сигнал - шум. В случае снижения сигнала до уровня шумов и когда форма отраженного импульса раздваивается судить о точности метода затруднительно. Наличие помех вызывает дополнительные искажения фазовых меток принятого сигнала, но чаще всего слабые помехи создают ложные метки, которые легко учесть при обработке гистограммы. Во всех случаях применение сложного сигнала зондирования [27] приводит к увеличению точности измерений ионозонда по высоте при условии учета особенности отражений радиоволн от ионосферы.
Таким образом, реализация метода измерения действующих высот отражений от ионосферы с применением внутриимпульсной частотной модуляции позволила впервые измерить h , их значения и вариации с повышенной точностью. Такие измерения позволяют существенно повысить точность решений обратных задач физики ионосферы, изучать тонкую структуру и динамические процессы, спорадические образования и эффекты ионосферных возмущений.
Для проверки возможности метода с внутриимпульсной модуляцией была проведена серия зондирования ионосферы модулированными по амплитуде и по частоте. радиоимпульсами [26]. При проведении эксперимента отраженный импульс регистрировался на промежуточной частоте. При использовании ЧМ в тракт ПЧ включался расстроенный контур, используемый как частотный детектор.
В ходе эксперимента получены данные отражения модулированных сигналов от слоя Е на частоте 2,2 МГц и полосе пропускания приемника 2Afnp=22 кГц при частоте модуляции Fn,,=l 1 кГц. При обработке данных искажений в ЧМ модуляции не наблюдалось. При использовании AM в ряде случаев наблюдались значительные изменения глубины модуляции. Из проведенного эксперимента следуют очевидные выводы, что AM сигнал более подвержен искажениям по сравнению с ЧМ. Излучение AM сигнала требует условия работы передатчика на линейном участке характеристики, что вызывает снижения мощности современных ионозондов, либо применения специальных передатчиков; на все виды модуляция влияет интерференция магнитно-расщепленных компонент сигнала и радиоимпульсы с частотой модуляции выше 20 кГц существенно искажается ионосферой. При измерениях предпочтительно применение частотной модуляции.
На рис.2.11 показана вероятностная точность отсчета п при использовании амплитудной (AM) и частотной (ЧМ) модуляции. Сигнал отражался от области F2 ионосферы, причем основные искажения модуляции вносила интерференция магнитно-расщепленных сигналов.
С увеличением частоты модуляции до 33 кГц искажения увеличиваются более чем в 2 раза. Значительно подвержена искажениям сигналы с AM как за счет биений магнитно-расщепленных компонент, так и за счет принимаемых помех.
При выборе оптимальных параметров внутриимпульсной частотной модуляции максимальная точность регистрации h соизмерима с длиной волны зондирующего колебания, т.е. составляет сотни метров. Именно такой вывод можно сделать и исходя из принципов радиолокации: радиоволна отражается от объектов соизмеримых с длиной волны, а на объектах меньших четверти длины волны происходит рассеяние. 7. Аппаратные средства измерения поглощения радиоволн.
Измерение поглощения радиоволн в ионосфере является одним из наиболее распространенных методов получения информации о состоянии D слоя ионосферной плазмы. Поскольку отсутствует серийная аппаратура для этой цели, в ИЗМИ-РАН при ведущем участии автора создан [34] действующий макет установки "Парус" для измерения поглощения радиоволн в ионосфере методом А1. В установке можно изменять режимы работы и параметры в зависимости от требований эксперимента. Структурная схема системы "Парус" приведена на рис. 2.12.
Приемное устройство выполнено на базе радиоприемника типа Р-399А. Установка рабочей частоты производится цифровым способом по коду и команде синхронизатора, совмещенного с блоком управления. В блоке сопряжения происходит преобразование сигналов частоты первого гетеродина Р-399А (синтезатор частот) в сигналы для} передатчика и необходимое их усиление. В этом же блоке установлены: набор входных аттенюаторов, устройство защиты входа приемника на время работы передатчика и частотный модулятор.
Выходные каскады широкополосного усилителя мощности (ШУМ) выполнен на радиолампах типа ГМИ-26Б. Импульсная модуляция ШУМ выполнена по экранной сетке радиоламп с применением транзисторов типа КТ-828А, а радиочастотный сигнал подается на управляющую сетку. Нагрузкой ШУМ является антенная система с коаксиальным фидером [35]. Блок синхронизатора вырабатывает все необходимые сигналы управления, он имеет опорный генератор и таймер.
Отраженный от ионосферы и принятый Р-399А импульс с выхода второй ПЧ поступает в блок аналоговой регистрации. Здесь происходит разделение на два канала: канал частотного детектора - для измерения действующей высоты отражен 47
ного сигнала и канал амплитудного детектора, стробирования и измерения амплитуд сигнала на пиковых детекторах для четырех частот.
В блок оцифровки поступают двоично-десятичные коды рабочей частоты, текущего времени, положения входного аттенюатора. В блоке производится оцифровка амплитуд первой и второй кратности, уровня шумов, измерение действующих высот отраженных сигналов и вывод информации на цифровое табло. От блока оцифровки коды времени, рабочих частот, амплитуд, действующих высот, аттенюатора в конечном итоге направляются к микроконтроллеру типа "МС2702 Электроника" (КІ-20).
Созданная микропроцессорная система регистрации [34] может быть перестроена с учетом нужд эксперимента программным способом. Аппаратные средства переключения режима работы сведены к минимуму. Созданные две системы "Парус" показали достаточно высокую надежность работы комплекса "Парус" с микропроцессорным регистратором.
Подключение персонального компьютера вместо микроконтроллера позволило легко превратить комплекс «Парус» в полноценный ионозонд. Дальнейшая модернизация заключалась в расширении частотного диапазона передающего устройства до 20 МГц, повлекшая некоторое снижение мощности передатчика до 10 кВт. Создание двухканального квадратурного приемного устройства позволило получать ионограммы с разделенными магниноионнымии компонентами отраженных от ионосферы сигналов. Надежная работа и созданное сотрудниками ИЗМИР АН программное обеспечение по управлению ионзондом и каналами связи, полуавтоматическая обработка ионограмм, а также расчет и прогнозирование радиотрасс создали условия, что ионозонд «Парус» востребован и в наши дни.
Зональные вариации параметров ионосферы ниже главного максимума электронной концентрации
Предполагается, что в реальной активной ячейке будет установлен индивидуальный усилитель мощности, возбуждаемый синтезатором частот с цифровым управлением частоты и фазы.
Несмотря на значительный диапазон изменений комплексного сопротивления рамочной антенны по диапазону частот ионозонда (50-1000 Ом), создание магнитных излучателей для радиозондирования ионосфера представляет одну из самых перспективных разработок на ближайшее время. Появляется возможность построения излучателей с заданными параметрами. Синтезу антенных систем из активных элементов посвящена обширная литература, например [51].
Рекомендации по результатам исследования излучателей ионозондов: При заданной высоте центральной мачты антенной системы ионозонда, перекрытие по всему диапазону частот (1-20 МГц) можно получить, используя три ромбических антенны. При перекрытии диапазона с помощью двух ромбических требуется тщательный расчет параметров РА. При размещении РА разных типоразмеров на одной мачте, плоскости антенных полотен нужно размещать в ортогональных плоскостях. Размещение их в одной плоскости снижает коэффициент усиления антенны за счет наводящихся токов до 3 дБ на отдельных частотах.
Центральная опора - мачта может изготавливаться из металла, а боковые опоры из диэлектрических материалов (или металлические, но разделенные изоляторами).
Стороны РА должны быть строго симметричными относительно вертикали, а высота размещения боковых частей полотна антенны должны иметь одинаковую высоту.
Размещение радиалов (радиально расходящиеся провода от центральной мачты, соединенные кольцевыми проводами) позволяет увеличить коэффициент усиления РА до 2 дБ. ? Для выравнивания волновых сопротивлений полотна ромбических антенн ионозонда рекомендуется использовать систему проводов расположенные в вертикальной плоскости.
При расчетах ромбических антенн по описанной выше методике, рекомендуется учитывать, что направленные свойства проводников с током начинают доминировать при длине проводника больше 0.4 длинны волны.
При расчетах ромбических антенн ионозондов необходимо учитывать, что угол наклона проводника к горизонтальной линии не может превышать 45.
Для повышения эффективности работы ромбических антенн на низкочастотном участке диапазона рекомендуется уменьшать нагрузочное сопротивление до 400 Ом, но при этом необходимо согласовать волновые сопротивления полотна антенны путем введения дополнительных проводников, лежащих в вертикальной плоскости.
. При использовании в качестве излучателей ионозондов дельта антенн, рекомендуется очень точно выполнять расчетные геометрические параметры, поскольку этот тип антенн имеет очень сильно изменяющиеся диаграммы направленности на высокочастотном участке диапазона зондирования и динамично изменяющиеся КСВ даже на коротких участках диапазона частот.
Для проведения зондирования ионосферы на фиксированных частотах ромбические антенны можно использовать в режиме рамочных, что актуально в диапазоне частот 0.5-1.5 МГц, где ромбические антенны малоэффективны.
Создание активной синтезированной антенной системы позволит получить дальнейшее развитие методов радиозондирования.
На основе опыта работы ионозондов, обыкновенных радиолокаторов, опыта построения георадаров и на основе исследований [19] появилась возможность построения эффективного прибора для радиолокации подземной среды [52].
Если пространственный размер радиоимпульсов в обычных радиолокаторах составляет единицы - сотни метров, то максимальная глубина зондирования радаров обусловлена, в основном, затуханием в среде. В этом случае не приходится говорить о временном разрешении объектов, поскольку отраженные от подземных объектов сигналы затухают раньше, чем успеет закончиться зондирующий импульс. Для того, чтобы увеличить разрешение по времени, необходимо уменьшать длительность радиоимпульса. С другой стороны, для того, чтобы увеличить глубину зондирования, необходимо понижать несущую частоту. В пределе необходимо использовать сверхширокополосный импульс тока для возбуждения антенны, имеющий от одного до нескольких колебаний тока (напряжения, напряженности электрического или магнитного поля - в зависимости от того, в какую среду он излучается). Для генерирования зондирующих импульсов в георадарах, использован, так называемый, «метод ударного возбуждения» -разряд высоковольтного конденсатора в антенну.
Возможности радаров по глубине зондирования характеризуются величиной реального потенциала, который численно равен величине максимального затухания зондирующего импульса в среде, при которой прибор способен обнаружить объект. Для известных нам георадаров, как отечественных, так и зарубежных, величина реального потенциала колеблется от 20 до 40 дБ. Это означает, что уже при затухании сигнала более чем в 10 - 100 раз прибор не может обнаружить объект.
При разработке георадаров была поставлена задача, максимально возможно увеличить реальный потенциал прибора. С этой целью в передатчике вместо полупроводниковых ключевых элементов, имеющих малое напряжение коммутации, был использован водородный разрядник высокого давления, который способен коммутировать напряжения в десятки тысяч вольт [52-54]. Характеристики обнаружения, кроме реального потенциала, в значительной мере определяются частотным диапазоном зондирующего сигнала. Для решения многих задач подземной радиолокации, в основном, когда требуются предельные значения глубины или разрешения, приходится подбирать одно из двух - «большая глубина - меньшее разрешение» и наоборот.
Форма сигнала в нагрузке разрядной цепи очень сильно зависит от колебательных свойств нагрузки. Например, при подключении к дипольной антенне, в результате распределенных емкости и индуктивности вдоль полотна диполя, определяющих его резонансные свойства, мы получим несколько периодов затухающего колебания. В большинстве типов известных георадаров используются антенны без дополнительной искусственной диссипации энергии, например, антенны типа «ба 97 бочка», представляющая собой широкополосный диполь, но излучаемый такими антеннами сигнал имеет осциллирующий характер с затуханием. Форма подобного сигнала показана на рис.3.29а. Теоретический расчет и сравнение с экспериментальными результатами, излученного и принятого сигналов георадара было выполнено для подготовки докладов на международных конференциях [3.22-3.24]. Часть материалов соавторов можно найти (http://www.geo-radar.ru/index.php).
