Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и модели, применяемые для исследования неоднородной структуры ионосферы 14
1.1. Методы измерений, применяемые для оценки степени неоднородности плазмы 15
1.1.1. Метод радиомерцаний 17
1.1.2. Регистрация F- рассеяния 19
1.2. Использование данных импульсного зондирования для определения мутности ионосферы 22
1.2.1. Параметры, характеризующие состояние тонкой структуры ионосферной плазмы 24
1.2.2. Статистические методы. Распределение Накагами-Райса 27
1.2.3. Альтернативные распределения
1.3. Необходимость разработки новых методик 33
1.4. Заключение 36
2. Теоретическое обоснование методики исследования мутности ионосферы 38
2.1. Математический аппарат метода при одно лучевом распространении зондирующего сигнала в ионосфере 38
2.1.1. Общая схема представления результатов воздействия неоднородного слоя на отраженную от него радиоволну 39
2.1.2. Случай постоянной фазы зеркально отраженного сигнала 42
2.1.3. Случай линейной зависимости фазы отраженного сигнала от времени 45
2.1.4. Возможность оценки доплеровского сдвига 50
2.1.5. Возможность оценки комплексного коэффициента поляризации отраженной от ионосферы радиоволны 53
2.2. Обобщение методики на случай многолучевых отражений от ионосферы 55
2.2.1. Случай многолучевых отражений с разделением лучей по доплеровским сдвигам частоты 56
2.2.2. Двухлучевый случай. Интерференция о- и х компонент в принимаемом сигнале 58
2.3. Сложности, возникающие при использовании энергетического подхода к трактовке данных зондирования 60
2.4. Заключение 62
3. Аппаратура и методика проведения эксперимента 63
3.1. Описание аппаратурного комплекса KB зондирования ионосферы на основе ионозонда "Парус" 63
3.2. Методика проведения эксперимента 67
3.3. Пакет программ для регистрации и обработки данных измерений 70
3.3.1. Программное обеспечение для измерений 71
3.3.2. Программное обеспечение, подготавливающее данные для расчетов 76
3.3.3. Программное обеспечение для оценки мутности ионосферы 81
3.4. Влияние помех на результаты оценки мутности ионосферы 83
3.5. Математическое моделирование эксперимента 89
3.6. Заключение 92
4. Экспериментальные результаты и их интерпретация 95
4.1. Оценка столкновительного поглощения 96
4.2. Результаты численной проверки однолучевой модели 101
4.3. Определение параметра р2 при отражении сигналов от области F ионосферы 107
4.3.1. Результаты оценок р при однолучевом распространении сигналов 107
4.3.2. Результаты оценок р2 при многолучевом распространении сигналов 110
4.4. Исследование слоя Es 118
4.4.1. Использование предположения о "постоянной" фазе зеркально отраженного от Es - слоя радиосигнала 120
4.4.2. Применение двухлучевого метода МНК при известных доплеровских сдвигах о- и х- компонент в интерференционной сумме 121
4.4.3. Вариационный двухлучевый метод МНК 124
4.5. Выводы 126
Заключение 131
Список использованных источников 1
- Использование данных импульсного зондирования для определения мутности ионосферы
- Общая схема представления результатов воздействия неоднородного слоя на отраженную от него радиоволну
- Программное обеспечение, подготавливающее данные для расчетов
- Применение двухлучевого метода МНК при известных доплеровских сдвигах о- и х- компонент в интерференционной сумме
Использование данных импульсного зондирования для определения мутности ионосферы
Одним из наиболее ярких проявлений наличия неоднородностей в ионосфере является мерцание радиосигналов, приходящих от локализованных в космосе источников, искусственных космических аппаратов и наземных радиостанций. Для экспериментов такими источниками служат бортовые радиопередатчики орбитальных и геостационарных ИСЗ [8,9], а также естественные космические источники [10-12]. Термин "мерцания" используется здесь для обозначения флуктуации амплитуды и фазы, которые испытывают сигналы УКВ - диапазона (частоты от 30 до 300 МГц), проходящие сквозь ионосферу. Явление получило название по аналогии с мерцаниями звезд, вызванными неоднородностями плотности газа в приземной атмосфере. Было установлено, что на частотах, используемых для трансионосферных радиоканалов, поглощение сигнала незначительно. Следовательно, известные флуктуации амплитуды вызваны не поглощением. Изменение структуры сигнала определяется исключительно зависящими от времени искажениями фазы волнового фронта распространяющегося через толщу ионосферы. Амплитудные замирания объясняются интерференцией между различными компонентами волнового фронта в точке приема.
Метод радиомерцаний имеет давнюю историю, и получил большое распространение преимущественно для исследования МЕН в экваториальных и приполярных областях. Такая географическая локализация обусловлена, прежде всего, тем, что ионосферная плазма средних широт характеризуется значительно меньшим уровнем неоднородностей, а, следовательно, и интенсивностью радиомерцаний. К среднеширотной зоне в этом смысле относят интервал геомагнитных широт от 20 до 60 по обе стороны экватора. Специфичность этой области не всегда позволяет объяснить некоторые эффекты. Тогда как низкоширотные и высокоширотные мерцания наиболее часто проявляются в возмущенной ионосфере во время максимума солнечной активности, среднеширотные мерцания наиболее вероятны в спокойной ночной ионосфере при минимальной солнечной активности и строго коррелируют с максимумом F- рассеяния [13].
Большинство существующих методик оценок параметров МЕН основаны на изучении статистических характеристик временных последовательностей амплитуды или фазы прошедших через ионосферу радиосигналов. Временные флуктуации сигнала в точке приема, которые возникают из-за рассеяния радиоволн в ионосфере, могут быть обусловлены как движением неодно-родностей, так и перемещением луча зрения на источник, либо из-за движения самого источника, либо вследствие движения Земли. На основе экспериментальных данных, полученных при использовании метода радиомерцаний, построены многочисленные полуэмпирические модели. Основным параметром, характеризующим замирания, в этих разработках является индекс мерцаний. Как пример такого моделирования можно привести модель ионосферных мерцаний (WBMOD), разработанную в Northwest Research Associates (USA) [14]. Однако, как было отмечено в работе Алимова В. А. и Рахлина А. В. о перспективах моделирования неоднородной структуры ионосферы и прогнозирования ионосферных сигналов [15], существующие разработки имеют ряд недостатков. К ним относятся как недостаточное для построения целостной картины развитие теории распространения радиоволн в случайно - неоднородных средах, так и недостаточность имеющихся экспериментальных данных. Последнее требует как накопления статистики мерцаний во время различных геофизических явлений, так и привлечение данных, полученных другими методами, особенно для областей со слабыми проявлениями радиомерцаний.
Явление F- рассеяния, называемое также диффузными отражениями, множественными отражениями, мультиплетами, рассеянными отражениями, наблюдается по всей сети ионосферных станций планеты, а также при внешнем зондировании. Его интенсивность, частота, причины возникновения существенно зависят от координат зондирующего устройства, гео- и гелиофи-зических условий. Явление, описанное как причина, затрудняющая интерпретацию ионограмм, в настоящее время является мощным инструментом исследования неоднородной структуры ионосферы. Множественность отражений приводит к уширению ветвей высотно-частотной характеристики. Поэтому затрудняется отсчет либо действующих высот, либо критических частот (либо эти эффекты проявляются одновременно). Обычно рассеяние по частоте отождествляют со среднеширотным типом рассеяния, а по высоте - с экваториальным.
Детальное изучение частоты появления F - рассеяния в глобальном масштабе было выполнено на обширном статистическом материале для различных эпох солнечной активности, полученном при реализации Международных геофизических проектов. Результаты исследований и обзоры даются в [16-19]. Для настоящей работы важно же отметить следующий факт. Тогда как между магнитными широтами +20 и -20 F- рассеяние является обычным явлением в магнитоспокойные дни в ночной период, область пространства между 30 и 40 магнитной широты иногда называется нулевой областью, так как F - рассеяние здесь наблюдается редко или не наблюдается совсем при любом уровне магнитной активности. Согласно экспериментам, на широтах более 40 частота появления рассеянных отражений возрастает, достигая максимума на высоких широтах [20].
Общая схема представления результатов воздействия неоднородного слоя на отраженную от него радиоволну
Вследствие того, что формула (2.22) получена на основании общих предположений о структуре исследуемого сигнала, оценку параметра р 2, рассчитанную по ней, можно использовать для проверки применимости в каждом конкретном эксперименте предположения о постоянстве фазы зеркальной составляющей сигнала. Для этого достаточно сравнить результаты, полученные при помощи выражений (2.21) и (2.22).
Состояние ионосферы стационарным можно считать только на относительно малом интервале наблюдения Т, на котором, как правило, не обеспечивается ни статистическая устойчивость результатов, ни малость их доверительных интервалов. Наиболее вероятные условия наблюдения стационарного состояния на протяжении интервала времени, достаточного для регистрации репрезентативной выборки данных, могут реально реализоваться при исследованиях спорадического Es слоя ионосферы в условиях разнесенного во времени приема о- и х- компонент сигнала. Характерным свойством этой области является малая скорость ее вертикального перемещения, что позволяет считать фазу зеркально отраженного сигнала независимой от времени. Необходимым условием для применимости такого подхода является значительное превышение временного интервала выборки величиной доплеровского периода, описывающего перемещение отражающей области.
Необходимость учета нестационарного состояния ионосферы, как состояния, наблюдаемого практически в любое время суток и повсеместно, приводит к дополнению исходной модели предположением о зависимости фазы зеркально-отраженного сигнала от времени. Если исходить из того, что механизмом, вызывающим такую зависимость, может быть только перемещение зондируемого ионосферного слоя (преимущественно вертикальное), закон изменения фазы от времени будет линейным. Поэтому, будем считать, что на интервале выборки Т фазы ср и у/ зависят от времени как (p = p0+Qt 9 у/ = у/0 + Qt, где D - доплеровское смещение частоты зеркальной составляющей сигнала. Дополнительным предположением является независимость величины Q от времени, хотя бы на протяжении измерения. Если Q известно, то, выбирая интервал усреднения Тк = кТ 0 , кратный Т0 =0/2;г,для Ех2 и Еу2 получим: Ex(t) T и Ex(t) т являются суммой двух слагаемых, первое из которых убывает как \ I п (т. к. Т п), а среднеквадратичное отклонение второго, согласно центральной предельной теореме, как 1 / \п . Поэтому при малых п результаты статистически неустойчивы, а при больших п имеют значительную неопределенность.
В силу сказанного, предлагается другой способ оценки / 2. Представим выражение (2.6) в виде Ех (0 = -ах sinQ + а2 cosQ? + ss (t) t (2.24) где a\ = EQ sm p0 a2 = Е0 cos(p0 , Если измерения величины Ex (t) проводятся с шагом по времени Л t, то на интервале наблюдения Г получим дискретный временной ряд, который относительно параметров а\ и aj можно рассматривать как переопределенную систему линейных алгебраических уравнений
Поскольку искомые величины Е0 и фо (2.29) нелинейно зависят от компонент вектора сі , то для оценки их дисперсий необходим следующий подход [52]. Пусть какой-либо параметр JC зависит от d как х = F{a) 5 т. е. имеет место постановка в общем случае нелинейной задачи. Линеаризуем выражение в окрестности МНК - решения, разлагая функцию в ряд Тейлора и сохраняя лишь члены первого порядка малости, при этом предполагается, что функция F(a) слабо меняется в области, ограниченной среднеквадратичным отклонением от ее среднего значения Sx = (SF I Sax)ax= {Sax + (SF I Sa2)ai= 2Sa2 . Представим разложение в виде матричного уравнения
Таким образом, решение переопределенной системы уравнений (2.25) методом наименьших квадратов дает всю необходимую информацию для на 7 7 хождения параметров / , /? , Ls, щ , а, в случае использования для расче тов по описанной схеме последовательностей данных с перпендикулярных линейно поляризованных антенн, фазы щ и комплексного коэффициента по ляризации г (2.4). Действительно, с помощью выражений (2.28) и (2.29) оп ределяется значение Е02, а с помощью (2.30) \ES j 2ах . Оценки средне квадратичных отклонении находятся путем переноса ошибок по формулам (2.31) и (2.32). При оценке o(J3 ) учтем, что в выраже нии (1.1), которое может быть представлено в виде Р = Ео l\Es J, диспер сией знаменателя можно пренебречь, поскольку величина явля ется средним от суммы достаточно большого числа слагаемых. Поэтому для относительного второго момента параметра /? справедливо соотношение
Программное обеспечение, подготавливающее данные для расчетов
Количество лучей и их положение в доплеровском спектре при числе отражений более одного, задаются в ручном режиме на графике функции спектральной плотности мощности. В случае наличия в спектре единственного луча (одного максимума), он автоматически добавляется в поле условий для вычисления. Программа фактически реализует многочастотный алгоритм 2.2. Случай обработки данных при отражении от спорадического слоя Es, характеризующийся интерференцией на приемной антенне о-и х- компонент сигнала, соответствует изложенной в 2.2.2 методике. Для достижения оптимальности решения он осуществляется специальным модулем перебора частот вероятных доплеровских сдвигов.
Как дополнительное программное средство, наряду с вышеописанной программой, применялась утилита, позволяющая оценивать параметр Р на основе алгоритмов, реализующих статистический подход. В качестве эталонов для сравнения результатов с новой методикой были выбраны закон Нака-гами-Райса [2] и альтернативное логнормальное распределение [48]. Одновременный расчет параметров состояния ионосферы по различным методикам позволил оценить степень согласованности оценок параметров для различных условий радиозондирования и установить границы применимости нестатистического подхода.
Важность корректного сравнения возможностей методик, реализующих статистический и разработанный, нестатистический, подходы, делает необходимым исследование их применимости в условиях присутствия помех в измерительном канале. К таким мешающим воздействиям будем относить все сигналы, возникшие в результате протекания в ионосфере процессов, не связанных с рассеянием радиоволн на мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации плазмы. В случае нестатистического подхода, ошибки в решении можно простым образом скорректировать. Для этого дос таточно определить дисперсию а, следовательно, и мощность помех по выборке данных, измеренных без использования передатчика. Т. е. реализуя методику пассивного зондирования. Тогда, вычитая полученную мощность помех из знаменателя формулы (1.1), получаем корректную оценку параметра Р (а, при пересчете, и других параметров), соответствующую условиям измерений в зашумленном радиоканале.
При расчетах параметров отражающего слоя в условиях зашумленного радиоканала, с использованием статистического подхода, учет шумовой составляющей значительно осложняет построение математической модели отражения сигнала. Прежде всего, это объясняется тем, что только в общих чертах возможно сделать предположения о законе распределения помех и о его характеристиках. Поэтому, решение задачи об устойчивости оценки параметров ионосферы при помощи статистических методик, требует, в общем случае, использования математического моделирования влияния аддитивных и мультипликативных помех. При разделении деструктивных воздействий на возникшие в среде распространения радиоволн и возникшие в приемном тракте, необходимо установление требований к стабильности параметров измерительных устройств и к необходимому превышению сигнала над уровнем шума.
Пусть приемное устройство выделяет амплитуду сигнала методом квадратурного приема. Предположим далее, что нестационарность аппаратуры, определяемая изменением коэффициента усиления приемника и изменением излучаемой передатчиком мощности, задается экспоненциальной зависимостью от времени t вида: V ї) где т = 90 мин - характерное время самопрогрева прибора. Влияние помех можно учесть добавлением белого шума к каждой квадратурной компоненте. При моделировании генерировались последовательности отсчетов квадратурных компонент сигнала с заданной величиной соотношения сигнал/шум. Требуемые распределения сигнала получались преобразованием последовательностей случайных равномерно распределенных величин [62]. Далее, к сигналу примешивался гауссов шум - создавалась аддитивная помеха. Мультипликативная помеха вводилась как зависящий от времени коэффициент передачи приемного тракта. По полученным выборкам определялись начальные моменты распределения и, согласно [48], вычислялся пара у метр /3 . Была также выполнена проверка на соответствие исходным, принятым при генерации сигнала, законам распределения по критерию х2, согласно [52], и рассчитан уровень значимости [48].
Для анализа результатов воздействия помех на сигнал были выбраны значения Р 0.25 и 5.0. Такие величины указывают соответственно на преобладание в принятом сигнале рассеянной и зеркально отраженной от ионосферы компонент. Объем сгенерированных выборок составлял 300 и 600 отсчетов, что соответствует продолжительности измерения 5 и 10 мин при радиусе корреляции флуктуации амплитуды 1 с. Проведение расчетов при различных инициализациях генератора случайных чисел показало достаточную повторяемость полученных результатов.
Характерные графики зависимостей коэффициента р2 и уровня значимости от времени, прошедшего после включения аппаратуры, приведены на рис. ЗЛО для распределения Накагами - Раиса и рис. 3.11, для альтернативно-го распределения [48]. Сплошная линия показывает значение /? , пунктирная - уровня значимости. Прямыми линиями на графике представлены установившиеся значения, достигаемые асимптотически. Нарис. 3.12 и рис. 3.13 показаны типичные графики зависимостей коэффициента р2 от относительного уровня аддитивных помех. Здесь распределению Накагами - Раиса соответствует сплошная, а альтернативному распределению - пунктирная линии.
Применение двухлучевого метода МНК при известных доплеровских сдвигах о- и х- компонент в интерференционной сумме
Одновременное рассмотрение результатов применения однолучевой и многолучевой методик к данным, зарегистрированным при экспериментах над регулярным F - слоем ионосферы, позволяет говорить о существенном влиянии рассеивающих процессов на распространение радиоволн в этой области. Сводные графики рассчитанных оценок представлены на рис. 4.9 и рис. 4.10. Получено, что в большинстве случаев, во всем множестве оценок
Здесь по оси абсцисс отложены значения величины /? , на оси ординат у плотности вероятности для величины Р . На гистограмме отображены результаты расчетов по 59 выборкам. Видно, что для представленных данных, наиболее вероятные значения /? находятся в пределах между 0.2 и 0.35. Такой результат позволяет сделать заключение о преобладании механизма многократного рассеяния при распространении радиоволн в F - слое ионосферы, что служит объяснением заметному ослаблению когерентной составляющей радиоволны. По рисунку 4.10 можно оценить значения самой величины бес-столкновительного ослабления. Наиболее вероятные значения Ls заключены между 5 и 7 дБ.
Как упоминалось в 2.2.2, случай обработки данных, полученных при импульсном зондировании спорадического слоя Es, связан с усложнением математической модели, описывающей принимаемый на антенне сигнал. Возникающие трудности связаны, прежде всего, с интерференцией обыкновенной и необыкновенной компонент собственных волн. Разделение компонент программно-аппаратными методами оказалось невозможным из-за пространственной близости точек отражения о- и х- компонент принимаемого
Гистограмма оценок параметра /3 , полученных при отражении от F - слоя ионосферы сигнала. Это свойство является характерной особенностью слоя Es. С другой стороны, построение математической модели может быть упрощено, если принять во внимание близость нулю доплеровского смещения отраженного радиосигнала. Модель также можно ориентировать на применение только в наиболее часто регистрируемом случае однолучевого зеркального отражения. Введенные упрощения дают возможность разработать три методики определения мутности Es - слоя ионосферы. Их сравнение позволило выбрать метод расчетов, оптимально использующий экспериментальные данные. Далее приводится краткое описание предложенных методик и их характеристики, необходимые для сравнительного анализа.
Метод является наиболее простым математически. Единственное ограничение для него заключается в выборе интервала в последовательности экспериментальных данных, в пределах которого можно считать, что фаза зеркально отраженного сигнала есть величина постоянная ( 2.1.2). Известным является факт регистрации при отражении радиоволн от спорадического слоя Es доплеровских сдвигов, преимущественно близких к нулевой частоте. Поэтому можно предположить, что количество отсчетов данных, входящих в выбранный для оценок интервал (например, равный 1/6 периода доплеровского сдвига), позволит произвести устойчивую оценку определяемых параметров. Тогда схематически, для каждого выбранного в исходной последовательности данных интервала, методику можно представить как последовательность следующих действий:
Формально, для применения описанной методики не нужно задавать частоты доплеровских сдвигов о -их- компонент сигнала, нет нужды также определять количество зеркальных отражений от ионосферы. Для реализации метода необходимо соблюдать лишь условие малости частоты доплеровского сдвига, которое в большинстве случаев выполняется для спорадического слоя Es ионосферы (рис. 4.11). Однако, хотя получаемые оценки параметра /3 достаточно правдоподобны (принадлежат интервалу 1..30 единиц), методику нельзя считать устойчивой к кратковременным вариациям состояния зондируемой области. При анализе результатов наблюдается сильная зависимость параметра /? и относительной погрешности его определения от времени (рис. 4.12). Значительная величина самой погрешности объясняется малым количеством отсчетов, используемым для проведения вычислений. возможным применить доказавшую свою устойчивость многолучевую методику ( 2.2.1). Предположим, во - первых, что известны частоты допле-ровских сдвигов обыкновенной и необыкновенной волн. Во-вторых, за все время проведения эксперимента наблюдается только одно зеркальное отражение для каждой из этих компонент. Тогда появляется возможность непосредственного применения ранее описанной методики в ее двухлучевой модификации, когда обе собственные волны трактуются как независимые лучи. Трудность реализации такого подхода заключается в необходимости корректного определения доплеровских сдвигов для о- и х- компонент по ограниченным выборкам данных.
