Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Исследования свойств кратных ионосферных отражений II
1.1. Основные направления исследований II
1.2. Статистические модели отражения второй кратности 18
1.3. Параметр сигнал-шум для кратных ионосферных отражений . 34
1.4. Способ определения параметра сигнал-шум ионосферных отражений второй кратности 37
1.5. Метод определения рассеивающей способности земной поверхности в декаметровом диапазоне
радиоволн 39
ГЛАВА II. Экспериментальная установка для синхронной реіистрации ионосферных сигналов различной кратности 44
2.1. Структурная схема установки 44
2.2. Принцип работы основных блоков 47
2.3. Схема стробирования 51
ГЛАВА III. Вопросы методики экспериментальных исследований 55
3.1. Сравнительный анализ методов определения параметра сигнал-шум 56
3.2. Экспериментальные исследования эффективности когерентных способов измерения параметра сигнал-шум 60
3.3. Требования к установке и оценка погрешностей 63
3.4. Экспериментальная проверка влияния
погрешностей за счет частотной нестабильности и расфазировки на фазовые измерения 74 CLASS ГЛАВА ІV. Основные результаты экспериментальных исследований и их анализ 83 CLASS
4.1. Условия эксперимента 83
4.2. Выбор статистических параметров для анализа свойств распределений огибающей и квадратур отражений второй кратности 90
4.3. Статистический анализ экспериментальных значений параметров распределений огибающей и квадратур отражений второй кратности 94
4.4. Параметр сигнал-шум ионосферных отражений второй кратности . 105
4.5. Оценка рассеивающей способности земной поверхности 113
4.6. Спектрально-корреляционные свойства ионосферных сигналов второй кратности 114
Заключение 122
Литература
- Параметр сигнал-шум для кратных ионосферных отражений
- Принцип работы основных блоков
- Экспериментальные исследования эффективности когерентных способов измерения параметра сигнал-шум
- Выбор статистических параметров для анализа свойств распределений огибающей и квадратур отражений второй кратности
Введение к работе
Поле отраженных от ионосферы радиоволн имеет статистический характер вследствие того, что ионосфера является флуктуирующей средой, подверженной изменениям хаотического и регулярного характера [l-4] . Указанные изменения имеют место в пространстве и во времени. Спектр размеров ионосферных неоднороднос-тей достаточно широк. Все это и приводит к случайной модуляции параметров отраженных от подобной ионосферы радиосигналов. Исследование статистических параметров отраженного сигнала, в конечном итоге, стимулируется требованием совершенствования систем радиосвязи, а также является средством для изучения физических свойств самой турбулентной ионосферы, то есть является экспериментальной основой для решения обратных задач.
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к исследованию и контролю состояния ионосферы методами системного радиозондирования. Наличие данных о состоянии ионосферной плазмы в глобальном масштабе в реальном времени и надежное прогнозирование состояния ионосферы позволило бы существенно поднять эффективность использования ионосферных каналов передачи информации, улучшить работу различных систем радионавигации и радиопеленгации, а также послужило бы основой для дальнейшего развития исследований ионосферы.
Используемые в современном радиозондировании аппаратура и методика позволяют получать ионосферные данные с точностью настолько высокой [5-8] , что пределом ее улучшений становятся флуктуации параметров, тонкая структура самой ионосферной плазмы.
В этих условиях актуальным является развитие новых, более информативных методов изучения вероятностных свойств ионосферных сигналов, анализ возможностей методов и их использование в экспериментальных исследованиях.
Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию вероятностных характеристик сигналов, многократно отраженных от ионосферы при вертикальном зондировании. Исследуются такие характеристики, как распределения поля, огибающей, фазы, спектрально-корреляционные зависимости для кратных отражений и сопоставляются с соответствующими характеристиками синхронно наблюдаемых отражений первой кратности. Особое внимание уделяется изучению важного параметра сигнал-шум, имеющего отношение к структуре сигнала, рассеивающей способности среды, а также к точности получения различных параметров ионосферы. Обсуждаются важные положения некоторых современных моделей структуры сигнала, многократно отраженного от ионосферы. Практическая ценность вышеупомянутых исследований кратных отражений обусловлена, в частности, следующим.
В условиях реальных линий декаметровой радиосвязи обычно используются трассы с многократным отражением сигнала от земли и ионосферы. При разработке систем оптимальной связи целесообразно учитывать, в частности, вероятностные характеристики параметров ионосферного сигнала, а также возможные потери информации в ионосферных каналах связи при многоекачковом распространении радиоволн, в значительной мере определяемые параметром сигнал-шум принимаемого сигнала. При этом необходимо учесть не только влияние "мутной" ионосферы, но и рассеивающее влияние земной поверхности.
При наклонном распространении многокомпонентность, много-модовость сигналов существенно затрудняет экспериментальное ис - 6 следование поведения "единичных" сигналов. В этом смысле задача упрощается в предельном случае многоекачкового распространения -при вертикальном многократном отражении импульсного сигнала. В этом направлении предшествующие экспериментальные исследования, в основном, касались изучения поведения амплитудных характеристик сигнала [9-14] . Однако в последние годы интенсивно развиваются методы, в которых одновременно используются практически все параметры отраженного от ионосферы сигнала (амплитуда, фаза, поляризация, групповая задержка и т.п.). При этом надо полагать, что вертикальное зондирование ионосферы и далее останется важнейшим методом исследования. Поэтому изучение кратных отражений при вертикальном зондировании имеет самостоятельный интерес, поскольку последние применяются, например, для определения коэффициентов отражения и поглощения в ионосфере.
Одновременное исследование и сопоставление свойств отражений различной кратности методами когерентного приема обеспечивают дополнительные возможности по уточнению механизма рассеяния, ибо в распоряжении исследователя находятся флуктуации параметров отражений различной кратности, полученные практически для "замороженной" стохастической среды. Здесь имеется в виду, что время релаксации ионосферы много больше времени группового запаздывания между отражениями различной кратности. Как отмечалось, при вертикальном зондировании значительно проще исследовать свойства единичных одномодовых сигналов, то есть ставить "чистые" опыты и применять некоторые специальные методы исследования, например метод когерентного приема, позволяющий одновременно получать практически все параметры сигналов различной кратности. Таким образом, целью настоящей работы являлось: I. Создание многоканальной, специальной ионосферной ал - 7 паратуры когерентного приема, позволяющей одновременно регистрировать ионосферные сигналы различной кратности, с возможностью получения таких характеристик ионосферного сигнала как квадратурные составляющие, огибающая, фаза, параметр сигнал-шум и ряд других.
2. Развитие экспериментальной методики регистрации кратных отражений когерентным способом. Рассмотрение вопроса влияния стабильностей и погрешностей различного характера на получаемые параметры.
3. Проведение сравнительного анализа эффективности известных методов получения параметра сигнал-шум. Разработка, обоснование и использование методов определения параметра сигнал-шум кратных ионосферных отражений.
4. Развитие метода оценки и учета рассеивающей способности земной поверхности в формировании ионосферных сигналов.
5. Экспериментальное изучение свойств огибающей и квадратурных составляющих сигналов с позиций статистических моделей отражений высших кратностей. Получение экспериментальных распределений плотности вероятности поля и огибающей ионосферных отражений второй кратности, а также определенных моментов этих распределений и сопоставление с теоретически ожидаемыми, согласно статистическим моделям кратных ионосферных отражений.
6. Сопоставление спектрально-корреляционных свойств отражений различной кратности.
7. Уточнение на основе полученных данных эффективного механизма ионосферного рассеяния при нормальном зондировании. Сопоставление зон формирования отражений различной кратности.
Первая глава содержит краткий обзор современного состояния исследований кратных ионосферных отражений [9-14, 16-18] .
Рассматривается возможность применения существующих статистических моделей [16,19] ионосферных однократных сигналов к моделированию кратных отражений. Рассмотрена также статистическая модель сигнала, многократно отраженного от ионосферы [l5j . В связи с этим анализируются вопросы возможности экспериментальной проверки новой модели кратных отражений и ее соответствие реальным условиям. Возможность экспериментальной проверки основана на различии вероятностных законов для однократных и многократных отражений, а следовательно, на различии ряда статистических параметров упомянутых отражений.
На основе статистической модели кратных ионосферных отражений и использованного в работе энергетического подхода разработана теория метода определения параметра сигнал-шум для отражений второй кратности. Показано, что значения параметра сигнал-шум, полученные по предложенной методике, могут существенным образом отличаться от значений, определенных согласно обычно применяемой методике [20] .
Предложен, развит и в дальнейшем использован способ определения рассеивающей способности "шероховатой" земной поверхности.
Во второй главе описана разработанная многоканальная прие-мо-передащая ионосферная установка когерентного приема для изучения свойств кратных ионосферных отражений. Аппаратура позволяет одновременно регистрировать параметры отражений различных кратностей и, кроме того, обеспечивает возможность проведения ряда измерений по проверке методики эксперимента, имеющих самостоятельный интерес.
Новым явилось введение специальных схем стробирования, а также развитой системы коммутации. Возможность одновременной ре - 9 гистрапии таких параметров кратных ионосферных отражений как огибающая, фаза, квадратура являлась основой для проверки предложенных методик определения параметров кратного сигнала, уточнения механизма ионосферного рассеяния.
В третьей главе рассмотрены принципиальные методические вопросы эксперимента и осуществлен анализ основных погрешностей. Выполнен сравнительный анализ способов определения параметра сигнал-шум Л , Сравнивается надежность и эффективность определения J5 различными методами [20,21,22] .
Существенное внимание уделено оценкам погрешностей из-за нестабильности опорных генераторов станции. Получены и экспериментально проверены выражения для погрешностей при определении различных параметров. Анализ полученных данных позволяет утверждать, что использовавшаяся аппаратура удовлетворяет необходимым требованиям.
Четвертая глава содержит фактический экспериментальный материал по исследованию свойств полей кратных отражений и его анализ. При этом использованы развитые в главе I методики.
С использованием моментов распределений огибающих и квадратур поля кратных ионосферных отражений проведена экспериментальная проверка соответствия их свойств, свойствам ожидаемым согласно различным модельным представлениям и новой статистической модели в том числе. При этом проверяются важные положения новой статистической модели двукратно отраженного сигнала. Предварительные результаты дают основание считать, что указанная модель [15] ближе к реальной ионосферной ситуации.
С помощью новой методики осуществлялась оценка параметров, которые характеризуют условия отражения сигналов первой и второй кратности. Получен важный новый результат а том, что даже при вертикальном зондировании зоны, формирующие отражения первой и второй кратности, обладают различными свойствами.
Причинами этого являются наклоны, обусловленные крупномасштабными образованиями в ионосфере [2,3j , вследствие чего области формирования отражений различной кратности обычно пространственно смещены на расстояния превышающие размеры первой зоны Френеля, что подтверждает справедливость предположения новой статистической модели кратных отражений о статистической независимости упомянутых областей.
Проанализированы данные о параметре сигнал-шум для второго отражения, полученные с помощью обычно применяемой стандартной методики [20] и новой, развитой в § 1.4. первой главы. Показано, что необоснованное применение стандартной методики может приводить к систематической погрешности в определении отношения энергий зеркальной и рассеянной компонент в сторону занижения ( до 30$ по наиболее вероятным значениям).
Приводятся данные по измерению рассеивающей способности земной поверхности в условиях крупного города для декаметрового диапазона. Данные получены с помощью методики развитой в диссертации и изложенной в §§ 1.5, 4.5. Показано, что при многоскачко-вом распространении земная поверхность рассеивает существенную часть падающей энергии.
Анализ спектрально-корреляционных свойств отражений различной кратности показал уменьшение радиуса корреляции и накапливание доплеровского смещения частоты сигнала с ростом номера кратности. Установлено, что использование кратных отражений может повысить оперативность получения данных о тонкой структуре ионосферы.
Параметр сигнал-шум для кратных ионосферных отражений
Определение параметров сигнал-шум ионосферного сигнала второй нратности с использованием выражения (1.26) предполагает предварительное получение из эксперимента параметров уЗ/у и Jbi2 . Как указывалось выше Jb« и J31a характеризуют отношение зеркальной и рассеянной энергий ионосферного сигнала, соответственно, на первом и втором скачке (см.фиг.3). В практике ионосферных исследований определение JiH и уЗ/5 возможно только при определенных модельных представлениях о структуре отраженного сигнала.
Для определения flH обычно используется J - модель структуры ионосферного сигнала, соответствующая реальным условиям. В рамках jx - модели для моментов огибающей однократно отраженного сигнала справедливо следующее соотношение [20] : V m -- п[и+л )1оу?/2)+ЯгЦЛШг Еоо где Р, - огибающая сигнала первой кратности, а В = , -І - параметр сигнал-шум. Р Для эксцесса распределения поля сигнала первой кратности [44]
Эти соотношения обычно и являются основными для определения / по экспериментально найденным значениям и Уу . Однако, как показано в 1.2 выражения (1.29) и (1.30) не могут быть использованы для отражений кратности выше первой в связи с тем, что функциональная связь Rn/Rn И у„ с Jbn для П 1 отличается от (1.29) и (1.30), в силу различия распределений - 38 W(Rn) и W(En) для n =1 и п 1.
Рассмотрим конкретную методику определения параметра сигнал-шум для отражения второй кратности, основанную на статистической модели [15] кратных отражений, которая позволяет по экспериментальным данным найти Jin и уЗу . Согласно выражениям (I.I0-I.I2) 1.2 отношения моментов d2 lW ff= НЛ ) /(Лг) С I.3D Известно, что о({-Щ- в (1.29) должно удовлетворять условию 4 4.(1 (1-32) выполнение которого обычно и считается одним из аргументов в пользу справедливости выражения (1.29). Аналогичное условие для (I.3I) имеет вид / «г $р (1-33) Для эксцесса т.к. й =(Ц2- з = f [ &(AJІ 3]( мЛ ) + 3]-3 (І.з4) - -5Ґ/ 0 (1.35) то -j & 3 (1.36)
Как отмечалось, предложенные соотношения являются следствием того, что распределения огибающей и поля второй кратности отличаются от соответствующих распределений отражений первой кратности.
Если найти из выражений (I.3I) и (1.34) значения параметров JoH и J3IQ и воспользоваться (1.25), то можно определить параметр сигнал-шум второго отражения Jin . При этом, экспериментально определенными характеристиками являются AQ_ И %% Таким образом в зависимости от выбранной модели возможно определение Jiz несколькими способами.
Выше изложен способ, основанный на выражениях (1.25), (I.3I) и (1.34), справедливых для новой статистической модели кратных отражений. С другой стороны если автоматически перенести свойства однократных сигналов на многократные (1-ая модель ОВК), то JSQ. определяется G помощью стандартной методики. В этом случае естественно не учитывается отличие распределений поля кратных отражений от однократных. Кроме того, возможно определение J%2 о помощью (1.27) по известным J6i . В этом случае не учитывается различие в условиях отражения для разных скачков.
Предлагаемая методика на основе новой модели, 2-ой модели ОВК, учитывает как изменение законов распределения поля, так и возможное различие условий отражения скачков. Сопоставление результатов измерений параметра Ji? с использованием различных методик (соответствующих различным моделям) позволило, в частности осуществить экспериментальную проверку отдельных положений новой статистической модели.
Метод определения рассеивающей способности земной поверхности в декаметровом диапазоне радиоволн. При проведении различных измерений и расчетов, связанных с многоекачковым распространением зачастую пренебрегавтся рассеивающей способностью земной поверхности. В ряде случаев земная поверхность, формирующая отраженный сигнал, является "шероховатой". В понятие шероховатости, наряду со случайной геометрией рельефа, искусственными сооружениями может входить также статистическая пространственная неоднородность комплексных диэлектрических свойств поверхностного слоя Земли [45] . В ито - 40 ге отражение от земли также сопровождается рассеянием.
Для настоящего рассмотрения удобнее ввести величину по аналогии с параметром сигнал-шум. Обозначив этот параметру63«а , получим: /2 - зеркально отраженная энергия уэ3ем рассеянная энергия
Определенный интерес представляет измерение такого параметра для "шероховатой" земной поверхности в декаметровом диапазоне, поскольку такие данные практически отсутствуют, а методики его определения не разработаны.
Одновременное исследование и сопоставление статистических свойств отраженных ионосферой радиоимпульсов первой и второй кратности при вертикальном зондировании позволяет предложить метод определения статистических характеристик рассеяния радиоволн "шероховатой" земной поверхностью.
Многократно отраженный ионосферой сигнал является случайным процессом, который формируется из первоначально детерминированной, излученной передатчиком падающей волны за счет последовательной случайной модуляции на каждом скачке. Случайная модуляция обусловлена также статистической структурной земной поверхности.
Принцип работы основных блоков
Задающий генератор ЗГ вырабатывает напряжение синусоидальной формы с амплитудой 1-2 В в диапазоне частот 2-15 МГц. Это напряжение поступает на передатчик, управляемый синхронизирующими импульсами. В результате на передающую антенну поступают прямоугольные радиоимпульсы регулируемой длительности в интервале 100 400 мкс. Период следования импульсов 20 мс, что достаточно для приема нескольких кратных отражений за время между посылками. Передатчик имеет импульсную мощность около 12-15 кВт. Излучение происходит с помощью антенны типа "ромб" с диагоналями 50 м и 25 м по горизонтали и вертикали соответственно.
Отраженный от ионосферы сигнал принимается на симметричный диполь с длиной луча 14 м, и по двухпроводному кабелю поступает на вход приемника. В УВЧ ПР. происходит усиление сигналов. Коэффипиент усиления может регулироваться, максимальное его значение 20 дБ. Далее происходит преобразование частоты в СМ.Пр. В качестве гетеродина в схеме преобразования используется генератор по схеме индуктивной трехточки. Со смесителя приемника напряжение подается на усилитель промежуточной частоты УІН Пр. В УПЧ предусмотрена регулировка как коэффициента усиления, так и полосы пропускания. Усилитель имеет 4 каскада усиления с трансформаторами промежуточной частоты. Второй и третий трансформаторы имеют регулировку, которая позволяет изменять полосу пропускания в пределах 7-30 кГц.
Усиленное напряжение промежуточной частоты детектируется и поступает на УНЧ приемника, а также на регистратор. УНЧ необходим для нормальной работы контрольного осциллографа КО. Полоса пропускания УНЧ должна обеспечивать передачу импульса без существенных для данного эксперимента искажений (10-30 кГц). На контрольный осциллограф поступает напряжение низкой частоты с УНЧ и стробирующие импульсы со схемы стробирования. КО позволяет визуально выбрать сигналы нужных кратностей и определить порядок их регистрации.
Метод когерентного приема предусматривает, в частности, сравнение фаз принятого сигнала и излученного. Для этого необходимо иметь канал опорного напряжения. Так как в данной установке сравнение происходит на промежуточной частоте (что более целесообразно по ряду причин [5l] ), то на входе канала опорного напряжения происходит преобразование частоты ЗГ в промежуточную в блоке смесителя СМ.ОП. Опорное напряжение промежуточной частоты формируется из напряжения ЗГ и Г приемника. Далее опорное напряжение поступает в УНЧ канала опорного напряжения. Усиленное до необходимого уровня опорное напряжение поступает в блок когерентных импульсов, где из синусоидального напряжения формируется последовательность импульсов. На Фиг. 6 показана структурная схема блока когерентных импульсов. Блок БФЗ осуществляет сдвиг фазы опорного напряжения на -z , а ОКИ преобразует синусоидальное напряжение в импульсное. Полученные импульсы суммируются в устройстве С и подаются на регистратора В результате возможна регистрация двух квадратурных составляющих. Принцип работы КИ и анализ погрешностей даны в работах [52,53] .
Для одновременной регистрации параметров сигналов различных кратностей существенно изменена функциональная схема регистратора, создана многоканальная система стробирования и специальный синхронизатор. Кроме этого ряд устройств применен для проверки методических аспектов работы установки.
Регистратор, в частности, обеспечивает запись на кинопленке квадратурных составляющих сигналов различной кратности, а также энергетической огибающей и суммарной фазы. Применение записи на кинопленке необходимо для ограничения объема информации, требуемой для обработки. Поскольку одновременно исследуются ряд параметров ионосферного сигнала для нескольких кратностей отра жения, то применение таких носителей информации как перфоленты, магнитные ленты и т.п. затруднительно. Потребовалось бы применение достаточно мощной ЭВМ с большим объемом оперативной памяти и работа ее в реальном масштабе времени совместно с установкой когерентного приема. Кроме того, запись на кинопленку гарантирует использование сеансов без сбоев и сильных помех, существенных при кратных отражениях, что сложно осуществить в автоматическом режиме регистрации. Эти причины, а также необходимость решения ряда методических вопросов обусловили применение на первом этапе, в основном, фоторегистраши для визуализации исследуемых процессов. Тенденция к наглядности представления данных в экспериментальных исследованиях имеет в настоящее время довольно широкое распространение [51,54] , наряду с использованием цифровой техники, а в начальной стадии отработки новой методики просто необходима.
Основным элементом фоторегистратора является двухлучевая ЭЛТ .Фиг.7). На вертикально отклоняющие пластины через парафаз-ный усилитель подается принятый сигнал с УПЧ приемника. На эти же пластины подается напряжение "ступенька" из схемы стробирования. "Ступенька" позволяет разделить по высоте сигналы отражений различной кратности. Двухуровневая ступенька позволяет регистрировать на двухлучевой трубке четыре отражения одновременно. Горизонтальная развертка отсутствует. На управляющие электроды подаются стробирующие импульсы. Изменяя временное положение стробов, можно выбрать нужное отражение, т.к. различной кратности соответствуют различные задержки относительно зондирующего импульса. Попадание сигналов различной кратности в соответствующий канал регистратора обеспечивается схемой стробирования и контролируется по КО. На катоды ЭЛТ подаются когерентные импульсы с блока КИ, позволяющие осуществлять запись квадратур [5l] . Запись производится с помощью фоторегистратора, который протягивает кинопленку, разворачивая процессы на экране ЭЛТ по горизонтали. Управление работой станции и согласование ее узлов осуществляется синхронизатором. На вход синхронизатора поступает напряжение частоты 50 Гц, которое запускает все основные узлы синхронизатора. С этой частотой формируется модулирующий импульс для управления работой передатчика, импульс запирания приемного канала на время зондирующего импульса, а также ряд напряжений для управления работы контрольного осциллографа.
Экспериментальные исследования эффективности когерентных способов измерения параметра сигнал-шум
Статистическая ошибка А(2) , в основном, определяется объемом используемых выборок, а при одинаковом объеме выборок, вообще говоря, различна для каждого из способов, для того, чтобы акцентировать внимание на погрешностях именно за счет функциональных зависимостей (3.1),(3.2),(3.3) рассмотрены пог-решности Cjb , нормированные на Л (Z) . Физически это означает, что выборки для каждого из способов таковы, что погрешности А(2) одинаковы. На Фиг. 10 приведены графики зависимостей 6 =р/Д(2) для J3% , J2 y , Jie . Ниже уз будем называть аналитической (относительной) погрешностью метода.
Анализ поведения л (см. Табл. I и Фиг. 10) показывает, что практически для всех значений J% методы определения по эксцессам , а особенно, по характеристическим функциям 6j (v) имеют меньшие ошибки С а , чем метод по огиба ющей R(i) . Лишь в случае /3-» нормированные ошибки с а имеют одинаковый порядок ел уЗ Однако случай больших значений параметра J5 не является характерным для ионосферы. Обычно наблюдаемые значения /3 , например для слоя Р2 попадают в предельный интервал 0 7 при наиболее вероятных значения 1 + 3 44] .
Рассмотрим теперь область J% 1 . При уменьшении J$ нормированные ошибки для 3 и fi имеют одинаковый порядок a lft и, следовательно, быстро растут. Ошибки же для Jb$ уменьшаются, так как в этом случае 5А J Таким образом, с точки зрения допускаемых аналитических погрешностей метод определения Joe обладает существенным преимуществом по сравнению с методами flu и J3% , особенно в области малых значений Jb . Так в области наиболее вероятных значений параметра J погрешность Со в 10-50 раз превосходит j30
Экспериментальные исследования данной работы выполнены по наблюдениям за отражениями первой и второй кратности от слоя г 2 . Конкретные условия эксперимента и способы получения экспериментальных параметров описаны в 4.1.
Для экспериментального анализа погрешностей 5я были использованы около 200 4-х минутных сеансов наблюдения. Полученные экспериментальные распределения W(J3n) ( п =1,2) приведены на Фиг. 10 (штриховые линии), а также на Фиг. II. Из Фиг. 10 видно, что наиболее вероятные значения для отражений первой J6i , и второй JZQ. кратностей лежат в интервале значений I 3. Для этих значений Ji аналитические погрешности 6 а при когерентных способах, определения J3 оказались на два порядка меньше, чем соответствующие погрешности для Р р , что согласуется с выводом предыдущего параграфа.
По мере увеличения кратности отражения волн от случайного экрана для значений уЗ должны быть справедливы неравенства (1.28): что подтверждается данными фиг. 10, из которой видно существенное смещение распределений W(J$Q) относительно W(Bi) в сторону меньших значений J& , где особенно проявляется повышенная эффективность когерентных способов оценки Jb .
В качестве дополнительного обоснования эффективности когерентных методов был выполнен следующий эксперимент. Из всего массива данных были отобраны случаи, когда условие (1.32) нарушалось и определить параметр JOR не удалось (нулевая эффективность). В то же самое время из этого массива условие (3.4) нарушалось всего лишь в 14% случаев, а эффективность определения Jie оказалась высокой, равной 86%. На Фиг. II приведено экспериментальное распределение W(B&) для отобранного массива. Величина J3$ лежала в интервале 0 4 1,2. При среднем значении J? Q = 0,7 и стандартном отклонении Ь =0,2. Следовательно, в области R $1 определение J3Q по моментам огибающей не удается, в основном, из-за существенной аналитической ошибки метода Су д » что и определяет более высокую эффективность методами» по сравнению с - методом.
В итоге проведенное исследование позволяет утверждать, что когерентные методы определения уд (с точки зрения допус каемых погрешностей) обладают существенным преимуществом практически во всем интервале реально наблюдаемых значений параметра уЗ . Преимущество Jbе вырастает при jfi O (/3 0 » что характерно для условий многоскачкового распространения. Это обстоятельство учитывалось при получении экспериментальных значений Ji в настоящих исследованиях. Для определения Лп (п 1) использовалась новая методика, изложенная в 1.3; 1.4. Требования к установке и оценка погрешностей. В используемой установке был реализован когерентно-импульсный метод зондирования ионосферы. Основным источником аппаратурной погрешности при этом являлась нестабильность частоты задающего (опорного) генератора.
Рассмотрение настоящего параграфа имеет довольно общий характер. Это связано с широким применением когерентных (фазовых, полевых) методов при изучении структуры ионосферы. Существует несколько модификаций этого метода. Используется сравнение фазы отраженного сигнала при приеме на близко расположенные антенны. Применяется сравнение фазы принятого сигнала с фазой опорного напряжения от стабильного источника. Эти методы могут применяться как в режиме непрерывного, так и импульсного излучения.
Выбор статистических параметров для анализа свойств распределений огибающей и квадратур отражений второй кратности
Справедливость полученных оценок влияния нестабильности задающего генератора на определение параметров сигнала проверялась с использованием установки, структурная схема которой приведена на Фиг. 17. Эксперимент заключается в одновременном зондировании ионосферы с использованием двух генераторов. Одного - обычно применяемого в ионосферных исследованиях, имеющего LC контуры. Другого - высокостабильного синтезатора частоты с кварцевым источником. Используемый синтезатор 46-31 обеспечивает стабильность частоты не хуже 10 , что, по крайней мере, на три порядка лучше, чем проверяемый генератор. Основные блоки установки соответствуют приведенным на фиг. 5. Одновременное зондирование обеспечивается наличием двух каналов в передающей и опорной частях установки, на Фиг. 17 отмеченных индексами "I" и "2" в обозначениях блоков. Кроме того на схеме приведены: Ш - контрольные устройства; ІЇЇ - генераторы пилообразного напряжения.
Принцип работы установки заключается в следующем. Передающая часть установки состоит из исследуемого генератора ЗГ I и синтезатора частоты ЗГ 2, которые с помощью триггерного устройства Т попеременно с частотой 25 Гц подключаются к передатчику П. Передатчик представляет собой широкополосный импульсный усилитель мощности 12-15 кВт. Напряжение, управляющее переключением частот, поступает из схемы стробирования, что позволяет синхронно производить переключение каналов в регистрируемом устройстве. Это дает возможность получить одновременную запись отраженных ионосферой сигналов различной кратности от двух задающих генераторов. Причем, в отличие от [59] , автоматически обеспечивается идентичность параметров фазометрических систем, т.к. используется один и тот же приемный тракт.
Начальная установка частоты и контроль ее в процессе измерений производится с помощью контрольных устройств КУ . В качестве контрольных устройств использовались электронные частотомеры ЧЗ-34А, имеющие стабильность такого же порядка как и синтезатор частоты.
Напряжение задающих генераторов частоты j и f ЗГІ и 312 подается также на смесители каналов опорных напряжений СМ 0ПІ и СМ 0П2. Там, смешиваясь с напряжением частоты fp гетеродина приемника Г частоты fi f преобразуются в два нал ряжения промежуточной частоты, которые усиливаются и используются для формирования в генераторах ІЇЇ пилообразных напряжений.
Таким образом на выходе каналов опорного напряжения образуются пилообразные напряжения частот f4 /п -fin и / - fr = = fm . Эти напряжения подаются на регистратор Р.
Принятые от ионосферы отраженные сигналы частот / и fz преобразуются приемником, при условии попадания в полосу пропускания, в частоты f4 - fr и f - fr здесь штрихи в обозначениях j- и j-1 отражают тот факт, что частота отраженного ионосферой сигнала отличается от частоты зондирующего сигнала і и j2 на величину доплеровского смещения. Из напряжений частоты Iі - X и f -fr после их усиления в УГН ПР формируются когерентные импульсы той же частоты.
Пилообразные напряжения подаются на вертикальные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, причем f. поступает на первый луч, a f2n - второй. Подсвечивание пилообразного напряжения когерентными импульсами образует фазовую точку, которая отображает изменение фазы принятого сигнала относительно опорного (Фиг. 18). Изменения фазы регистрируются в виде последовательности "пил", каждая из которых соответствует 2 Я . Регистрация ведется на кинопленку, которая протягивается вдоль экрана трубки с постоянной скоростью. В итоге на пленке полу- чается синхронная запись изменение фазы принятого сигнала с частотой от обычного генератора и fj от синтезатора частоты.
Если в данном эксперименте на выходах опорных каналов включить блоки когерентных импульсов КИ, а принятый приемником сигнал подавать непосредственно на регистратор, то можно получить запись квадратур поля сигнала одновременно для зондирования на частотах f4 ж f2 . Соответствующая часть структурной схемы при таком способе регистрации приведена на фиг. 19.
