Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов радиозондирования для исследования неоднородной структуры ионосферы 17
1.1. Введение 17
1.2. Поляризационные характеристики распространения радиоволн в ионосфере .. 19
1.3. Методы исследования структуры ионосферы 24
1.4. Интерференционные методы радиозондирования ионосферы 35
Выводы к главе 1 44
Глава 2. Спектрально-поляризационный метод исследования распространения радиоволн 46
2.1. Введение 46
2.2. Моделирование распространения радиоволн для условий проведения экспериментальных измерении ...46
2.3. Оценка точности классического спектрально-поляризационного метода 51
2.4. Исследование параметров поляризации падающей радиоволны 57
2.5. Расчет углов прихода радиолуча с учётом конечных размеров антенной системы (модифицированный спектрально-поляризационный метод) 60
2.6. Оценка точности модифицированного спектрально-поляризационного метода 66
Выводы к главе 2 70
Глава 3. Доплеровский фазоугломерный комплекс «Спектр» с поляризационной антенной системой 72
3.1. Введение 72
3.2. Модернизация аппаратной части исследовательского комплекса 79
3.2.1. Разработка и создание поляризационной антенной системы 79
3.2.2. Модернизация системы управления радиоприёмными устройствами 81
3.2.3. Модернизация системы калибровки 87
3.2.4. Модернизация цифрового приёмника 95
3.2.5. Плата контроля 100
3.3. Модернизация программой части исследовательского комплекса. Внешнее
управление. Телеметрия 102
Выводы к главе 3 106
Глава 4. Результаты экспериментальных измерений полученные на различных радиотрассах, в том числе и поляризационные характеристики 108
4.1.Введение 108
4.2. Описание проведенного цикла экспериментальных исследований 109
4.3. Результаты угловых измерений 113
4.4. Анализ поляризационных данных полученных в результате эксперимента...115
4.5. Результаты спектрального анализа угломерных и поляризационных рядов данных 118
Выводы к главе 4 121
Заключение 122
Список литературы 126
- Поляризационные характеристики распространения радиоволн в ионосфере
- Моделирование распространения радиоволн для условий проведения экспериментальных измерении
- Модернизация системы управления радиоприёмными устройствами
- Результаты спектрального анализа угломерных и поляризационных рядов данных
Введение к работе
Исследованию ионосферы, части средней и верхней атмосферы Земли, уделялось с момента её открытия довольно много внимания, однако с развитием новых средств связи, например, спутниковой, интерес к ионосфере начал уменьшаться. В настоящее время вследствие необходимости обеспечения высокого качества связи, актуальность исследования процессов, протекающих в ионосфере как в среде распространения радиоволн, возрастает. Современная исследовательская и связная техника позволяют изучать ионосферу на качественно новом уровне. Объектами исследования при этом выступают не только ионосфера как среда распространения радиоволн, но и собственные процессы, происходящие внутри ионосферной плазмы. Вследствие своего расположения и внутренней структуры ионосфера очень чувствительна к магнитным и электрическим полям, воздействию корпускулярных потоков, например, солнечных, то есть обладает хорошими диагностическими возможностями для наблюдения и мониторинга не только внешних космических воздействий, но и внутренних, имеющих земную природу (включая антропогенное воздействие).
Ионосфера вносит различные искажения в передаваемый радиосигнал. Наиболее эффективно это воздействие проявляется для волн коротковолнового (KB) диапазона (3-30 МГц). В зависимости от параметров ионосферы коротковолновые радиоволны могут быть переданы на дальние, а иногда и сверхдальние расстояния, включая кругосветное распространение. Но основным недостатком ионосферной связи является многолучевость сигнала, приводящая к замираниям или к полному разрушению канала связи. То есть радиолуч, излученный передатчиком, после прохождения слоистой пространственно неоднородной ионосферы будет создавать на приёмной антенне сложную интерференционную картину, динамически меняющуюся во времени. Несмотря на эти недостатки, коротковолновая связь не теряет свою важность и в настоящее время, являясь порой единственным
4 широкодоступным каналом дальней радиосвязи. Кроме того, она до сих пор является запасным каналом связи для различных служб. Эффективность современных цифровых систем связи напрямую зависит от качества канала радиосвязи, которое, в свою, очередь неразрывно связанно с состоянием ионосферы.
Основными методами получения информации об ионосфере являются радиофизические методы наблюдения. Использование классических средств диагностики - импульсных вертикальных ионозондов, не всегда возможно, так как необходимо располагать ионозонд непосредственно под точкой наблюдения, что может быть невозможно по различным причинам. Использование комплексов наклонного зондирования решает эту проблему. Ставшие классическими системы пространственно разнесенного приёма позволяют исследовать характеристики коротковолнового радиосигнала, но при этом характерные размеры антенного поля таких радиосистем составляют до нескольких километров. Одним из способов избавиться^ от громоздкой антенной системы является использование метода частотно-пространственно разнесённого приёма (ЧПРП). Это позволяет уменьшить количество радиоприёмных каналов до трёх-четырёх, уменьшить габариты приёмной антенной системы до размеров, сравнимых с длиной принимаемой радиоволны, равной единицам десятков метров. При использовании этого метода разделение различных мод радиосигнала происходит в частотной области на основе спектральных параметров. Основным недостатком, метода является необходимость длительных измерений для достижения высокого спектрального разрешения, что не всегда возможно из-за постоянного изменения состояния ионосферной плазмы, которое обусловлено различными факторами. Выбор времени наблюдения определяется средним временем стационарности принимаемого радиосигнала, максимальное значение которого для средних широт изменяется от 20 до 300 секунд, то есть наихудшее спектральное разрешение составляет порядка 0,05 Гц. Такое разрешение не всегда удовлетворяет требованиям разделения мод сигнала,
5 так как в случае спокойной ионосферы разница между ними может быть менее 0,01 Гц. Это приводит к ухудшению точности спектрального разрешения и определения углов прихода радиолуча. Но основной вклад в точностные параметры вносят поляризационные затухания, которые обуславливают интерференцию нескольких мод сигнала, не разделимых в спектральной области.
Одним из методов разделения мод является спектрально-поляризационный метод. Использование спектрально-поляризационного метода позволяет разделять составляющие сигнала неразличимые по доплеровскому сдвигу частоты. Но при этом к недостаткам этого метода можно отнести существенные ограничения на приёмную аппаратуру, например, необходимость использовать антенны, размеры которых существенно меньше длины волны, что ведет к повышению требований к чувствительности приёмников. Изложенное выше свидетельствует о насущной проблеме модернизации спектрально-поляризационного метода в плане расширения возможностей его применения в системах с реальными электрическими антеннами и приёмными устройствами.
Цели и основные задачи диссертационной работы. Цель данной диссертационной работы заключается в развитии спектрально-поляризационного метода путем повышения точности определения углов прихода радиоволн при наклонном зондировании ионосферы для задач изучения радиосвязи и дистанционного мониторинга динамических процессов в ионосфере.
В соответствии с поставленной целью в настоящей работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Развитие спектрально-поляризационного метода исследования радиоволн на основе методики учета изменения фазы радиоволны вдоль полотна антенны, характерные размеры которой сопоставимы с длиной волны. Оценка точности определения углов прихода радиоволны, сравнение
полученных результатов с результатами моделирования с использованием модели IRI-90 для проверки адекватности проведенных расчетов.
Разработка аппаратных и программных средств, реализующих приём и последующую обработку декаметрового радиосигнала спектрально-поляризационным методом. Разработка поляризационной антенной системы для доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр» с характерными размерами, сопоставимыми с длиной принимаемой радиоволны (то есть конечными размерами).
Экспериментальные исследования вариаций углов прихода радиоволны (азимутального угла и угла места) и эллипса поляризации принимаемого радиосигнала от различных вещательных коротковолновых передатчиков.
Объект исследования. Спектрально-поляризационный метод исследования динамических процессов в ионосфере.
Предмет исследования. Методика определения углов прихода радиоволны на основе спектрально-поляризационного метода и практическая реализация в виде экспериментальных исследований.
Методы исследования. Сформулированные в диссертации научные положения и выводы базируются на методах теории поля для приближения геометрической оптики, методах математического моделирования, методах математической статистики, т.е. методах с хорошо изученными границами применимости. Эксперимент был произведен с применением метода наклонного зондирования ионосферы с использованием доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр». При обработке экспериментальных данных использовались спектральные, поляризационные и статистические методы обработки данных.
Достоверность результатов и выводов диссертационной работы определяется использованием адекватного математического аппарата при расчетах, повторяемостью результатов, сопоставлением модельных
7 реализаций с экспериментальными измерениями, а таюке проверкой на соответствие выводам других авторов.
Научная новизна результатов диссертационной работы определяется тем, что в ней впервые:
1). разработана методика спектрально-поляризационных измерений
радиосигнала, решающая обратную задачу по определению направления
прихода радиолуча и восстановлению эллипса поляризации, на основе
учета изменения фазы радиоволны вдоль элемента антенн. Метод
применён для реальной четырёхканальной приёмной антенной системы с
конечной длиной элементов;
2). разработан и реализован автоматический комплекс непрерывного
наклонного мониторинга ионосферы с системой оперативной калибровки
принимаемого сигнала и поляризационной антенной системой с
характерными размерами, сравнимыми с длиной принимаемой
радиоволны;
3). создана методика анализа пространственно-временных вариаций
ионосферных возмущений на основе поляризационных параметров
радиосигнала. Исследованы вариации параметров эллипса поляризации
сигналов вещательных радиостанций спектрально-поляризационным
методом, в результате которых обнаружены вариации обратного
коэффициента эллиптичности с периодами 10—100 мин.
Научная и практическая значимость. Проведенная работа расширяет возможности как исследования ионосферы, так и исследования распространения радиоволн на радиотрассах коротковолнового диапазона. Разработаны математические модели определения оптимальной конфигурации антенной системы, вычисления суммарной ошибки измерения углов прихода радиоволны. Создана методика, позволяющая осуществлять непрерывную калибровку сигнала.
Предложенный в работе метод позволяет получать на компактной антенной системе, размеры которой сравнимы с длиной принимаемой радиоволны, направление прихода радиолуча, поляризационные характеристики принимаемого радиосигнала. На основе этих параметров возможно разделить магнитоионные компоненты принимаемого радиосигнала в спектральной области. Кроме того, при использовании спектрально-поляризационного метода автоматически появляется возможность совместного исследования вариаций амплитуды и доплеровского сдвига частоты принимаемого радиосигнала.
Экспериментально подтверждена возможность использования поляризационной антенной системы с характерными размерами антенных элементов, сравнимых с длиной волны (без использования при расчете приближения точечной антенны) в угломерных измерениях ионосферного сигнала с высокой точностью.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Модифицированный спектрально-поляризационный метод и разработанная на его основе методика определения углов прихода радиоволны различной поляризации, применённая к коротковолновому диапазону, для случая антенной системы, сравнимой с длиной волны. Оценка точностных характеристик углов прихода радиоволны в предложенной методике.
Автоматический угломерный комплекс (аппаратная и программная части) с возможностью измерения поляризационных характеристик радиосигнала. Поляризационная антенная система комплекса, размеры которых сравнимы с длиной принимаемой радиоволны. Алгоритмы удаленного управления и контроля созданного автоматического комплекса.
Закономерности, полученные в результате спектрально поляризационных измерений, в числе которых углы прихода радиолуча, с учетом поляризационного разделения, вариации обратного коэффициента эллиптичности и направления большой полуоси эллипса поляризации.
Личный вклад. Учитывая, что экспериментальные исследования со значительным объемом получаемых данных невозможно провести единолично, роль диссертанта в них заключалась в следующем:
модификации совместно с В. В. Бочкаревым спектрально-поляризационного метода, в котором осуществлён переход от идеализированной точечной антенной системы к системе с конечной длиной радиоприёмной антенны, что позволяет корректировать получаемые угломерные данные;
проведении расчета и проектировании поляризационной антенной системы комплекса, разработке блок-схемы алгоритма автоматического управления и независимого контроля угломерным комплексом;
реализации на их основе: программного обеспечения, электрических принципиальных схем устройств удалённого управления и независимого контроля;
разработке блок-схемы и схемы электрической принципиальной, программного кода для модуля цифрового приёма;
активном участии в проведении нескольких длительных измерительных компаний в период с 2002 по 2008 гг.;
обработке и анализе полученных экспериментальных данных;
)
10 публикации научных результатов и написании отчетов.
По этой же причине публикации диссертанта имеют соавторство, однако результаты по указанным направлениям принадлежат лично автору диссертации.
Апробация результатов и публикации. Основные результаты работы были опубликованы в Российских реферируемых научных журналах и представлялись на конференциях: XXI Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2005), XXII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Ростов-на-Дону, 2008), VII, IX, X Байкальских международных школах по фундаментальной физике (Иркутск, 2004; Иркутск, 2006; Иркутск, 2007) , на III, IV, V международных конференциях «Излучение и рассеяние ЭМВ» (Таганрог, 2003; Таганрог, 2005; Таганрог, 2007), на XI Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2004); YouthPhys'05 School-Workshop Tomsk (Томск, 2005), VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2007) а также докладывались на научных семинарах и ежегодных отчетных конференциях Казанского государственного университета (2002 - 2007).
Всего автором по теме диссертации опубликовано 16 работ, из них одна - в издании, рекомендованном ВАК РФ ("Ученые записки Казанского государственного университета").
Реализация результатов. Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при выполнении грантов РФФИ: № 01-05-65251-а (исполнитель), № 03-07-90288-в (исполнитель), № 05-05-64651-а, № 07-05-90810-моб_ст (исполнитель), а так же госбюджетных тем Казанского государственного университета (КГУ): 1.7.06. «Исследование метеорно-ионосферных процессов и неоднородной структуры атмосферы земли»,
1.6.08ц. «Развитие методов фазовых измерений для задач мониторинга и распространения радиоволн», 1.6.07ц. «Разработка информационных систем получения, обработки и хранения геофизической информации для исследования атмосферы Земли и околоземного пространства».
Результаты исследования используются в качестве лабораторных работ при чтении спецкурса «Радиофизические методы исследования природных сред».
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит 127 страниц основного текста, 36 рисунков, 1 таблицу и 116 источников библиографического списка.
Краткое содержание работы
Во введении дана общая характеристика работы. Раскрыта ее актуальность, сформулированы цель работы и ее основные положения, выносимые на защиту, обоснована научная новизна, научная и практическая значимость выполненных исследований. Приведено краткое содержание работы.
В первой главе представлен краткий обзор известных методов
радиозондирования, также рассматриваются возможности
экспериментальных исследований ионосферы. Анализируются методы исследования ионосферы, даны краткие описания: импульсного метода, метода зондирования сигналами с линейно — частотной модуляцией, методов некогерентного рассеяния, метода измерения интегральной электронной концентрации с использованием данных глобальной навигационной сети GPS. Наибольшее внимание уделяется рассмотрению методов интерференционного радиозондирования, и делается вывод о применимости метода спектрально поляризационного частотно - пространственно
12 разнесенного приема для исследования динамических процессов в ионосферной плазме.
Во второй главе приведены результаты численного эксперимента, моделирующего распространение радиоволн в ионосфере, проведенного с использованием модели ионосферы IRI. Описан спектрально-поляризационный метод в приближении точечной антенны (классический спектрально-поляризационный метод). Описан предложенный в работе модифицированный спектрально-поляризационный метод, учитывающий изменение фазы радиоволны вдоль приёмной антенны, произведена оценка ошибок, возникающих при использовании классического и модифицированного спектрально-поляризационного метода, показаны предельные значения достижимых точностей углов прихода радиоволны.
Приведены результаты численного эксперимента, моделирующего распространение радиоволн в ионосфере для условий распространения и радиотрасс, соответствующих дням и радиотрассам, на которых были запланированы экспериментальные исследования. Данные численного эксперимента были использованы для сравнения с натурным экспериментом.
Представлен модернизированный спектрально-поляризационный метод, учитывающий изменение фазы вдоль антенного элемента. Для этого необходимо отказаться от предположения малости антенны относительно длины падающей волны и учитывать набег фазы волны вдоль самой приёмной антенны. Математически это сводится к скалярному произведению
двух векторов U (набор комплексных амплитуд, измеренных в
эксперименте) и L (псевдообратная матрица, составленная из векторов
элементов антенны). Результатом такого произведения будет векторі? (вектор электрического поля). Такая запись возможна в предположении, что радиоволну можно представить в виде суммы двух волн с противоположными круговыми поляризациями. Вторым предположением является то, что в результате предварительной доплеровской фильтрации в
13 один фильтр попадает не более двух компонент принимаемого радиосигнала, а также, что моды радиосигнала незначительно отличаются по направлению прихода. Второе предположение связано с физической сущностью принимаемого радиосигнала: моды радиосигнала в среднеширотном приближении не могут сильно отличаться по направлению прихода. В результате таких расчетов получена таблица углов прихода радиоволны. В таблице представлены две составляющие с близкими углами прихода, не выделяемых стандартной доплеровской фильтрацией.
Промоделированы среднеквадратичные ошибки определения углов, полученных модифицированным спектрально поляризационным методом. Результатом такого моделирования стали оценки предельно достижимых точностей определения углов. Эти точности оказались в среднем выше на один два градуса, чем при использовании классического спектрально-поляризационного метода.
В третьей главе приведено описание комплекса наклонного пассивного мониторинга Казанского Государственного Университета - доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр». Проанализированы аппаратные характеристики комплекса. На основе рассмотренных возможностей и с учетом современных требований в главе сформулированы задачи обновления и модернизации комплекса. Это - создание новой антенной системы для реализации поляризационного приёма, модернизация системы калибровки, разработка новой цифровой приёмной части, создание системы телеметрии и контроля параметров комплекса, изменение и модернизация алгоритмов автоматической работы комплекса. Детально описываются нововведения произведенные в составе доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр».
Показан расчет поляризационной антенной системы для доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр». Созданная антенная система представляет собой четыре наклонных полувибратора, каждый из которых гальванически не связан с другими полувибраторами и подсоединён к своему
14 приёмному устройству. Верхние концы лучей закреплены на антенной мачте с возможностью изменения высоты подвеса от полутора до восьми метров, а нижние части опираются на прямоугольник со сторонами 11 и 16 метров, направление юг-север соответствует линии, проведенной между центрами коротких сторон прямоугольника. Использование такой антенной системы делает возможным обработку принимаемого сигнала спектрально-поляризационным методом.
Показана разработанная новая система управления радиоприёмными устройствами, для связи с управляющим компьютером была использована шина USB. Новая система управления РПУ позволяет оперативно, при помощи программного обеспечения, изменять настройки приемных устройств.
Рассмотрена новая системы калибровки, которая позволяет оперативно и полно учитывать все фазовые и амплитудные различия для каждого из приёмных трактов четырехканальной приёмной системы.
Представлена новая цифровая система сбора и предварительной обработки сигнала - блок цифрового приёма. Перенос квадратурного детектирования в цифровую область позволяет избавиться от подверженных амплитудным и фазовым нестабильностям, довольно сложных, аналоговых подсистем: формирователя квадратур, смесителя и блока аналоговых фильтров.
В разделе, посвященном программному обеспечению комплекса, показана модернизация^ алгоритмов управления комплексом и создание системы телеметрии, комплекса. В ходе проведения длительных циклов измерений на загородном полигоне возникла необходимость увеличить функциональные возможности программного обеспечения доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр». Работа основной измерительной программы была разделена на три отдельные задачи: измерительную, визуализационную и обработки данных. Такое деление позволило оптимизировать работу программы. Из-за невозможности постоянного
15 присутствия оператора на полигоне возникла необходимость управления и контроля параметров комплекса дистанционно. Для этого в состав комплекса был включен GSM/GPRS модем, задачей которого является обеспечение беспроводного доступа в сеть Интернет, посылка телеметрической и приём управляющей информации. Вследствие удалённости места расположения комплекса «Спектр» на радиофизическом полигоне ЮГУ, показана необходимость независимого контроля параметров комплекса. Эта задача решена при помощи системы использующей независимый канал связи.
Модернизация программной части комплекса позволила увеличить срок автономной работы комплекса (до нескольких недель без непосредственного присутствия оператора) за счет: введения отправки телеметрической и приёма управляющей информации, разделения задач измерения, визуализации, обработки данных, а также за счет независимого контроля параметров с собственным каналом связи.
В четвертой главе приведены характерные особенности использованной в работе антенной системы, условий проведения эксперимента, а также результаты экспериментальных исследований.
Приведены: описание проведенного во время измерительной кампании 2005-2006 годов эксперимента, характеристики используемых радиотрасс, структура и характер первичных данных, получаемых при помощи доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр», процедура обработки данных. Приведены примеры получаемых многомодовых сигналов.
Приведены результаты измерений мгновенной нормали к волновому фронту падающей радиоволны (значения азимутального угла и угла места). В качестве примера используются данные, полученные на радиотрассе Архангельск - Казань на частоте 6160 кГц для 12 ноября 2005 г.. Среднее значение азимутального угла составило -25,5, а для угла места 34,3, что согласуется с модельными расчетами. Среднеквадратичное отклонение полученных данных составило -4 для азимута и -2 для угла места.
Произведен анализ поляризационной картины и вариаций параметров принимаемого радиосигнала. В результате спектральной обработки временного ряда изменения обратного коэффициента эллиптичности были обнаружены колебания с периодами 10 - 100 мин.
При анализе рядов данных изменений направления большой полуоси эллипса поляризации было выявлено, что амплитуды спектральных составляющих практически не изменяются с увеличением периода колебания. В случае с коэффициентом эллиптичности энергия долгопериодных колебаний больше, как минимум, на один порядок.
Подобные колебания легко обнаруживаются и при спектральном анализе рядов данных угла места.
В заключении перечислены основные выводы, полученные в диссертационной работе.
Поляризационные характеристики распространения радиоволн в ионосфере
Первые предположения о наличии электрически проводящего слоя в верхней атмосфере были высказаны Стюартом в 1878 году во время наблюдения за периодическими изменениями магнитного поля Земли и поддержаны Шустером 1889 г. После удачных опытов Маркони по дальнему распространению радиоволн Кеннели и Хэвисайдом были высказаны подобные предположения в 1902 г. Прямые эксперименты, проведенные Эпплтоном, Брейтом и Тьюва [1], доказали существование на высотах порядка 100 км слоя Кеннели-Хэвисайда (так называли ионосферу в то время). А дальнейшие эксперименты позволили открыть её сложную слоистую внутреннюю структуру. В ходе последующих экспериментальных и теоретических исследований было показано, что ионосфера зависит от различных факторов, как-то: солнечная активность, различные геомагнитные явления, антропогенное воздействие [2, 3]. Состоящая из электрически активных частиц ионосфера под действием внешних факторов постоянно изменяется со временем и может быть представлена как случайно-неоднородная среда. Распространяющиеся в такой слоистой среде радиоволны испытывают случайные искажения всех своих параметров: амплитуды, фазы, частоты. На основе данных о таких искажениях радиосигнала можно исследовать саму среду распространения.
Радиосигналы являются единственным средством постоянной диагностики ионосферы из-за того, что исследование среды прямыми методами затруднено из-за её большой удаленности. Экспериментальное и теоретическое изучение связи между параметрами радиоволны и текущим состоянием ионосферы является актуальной задачей и по сегодняшний день.
Даже при переходе на более высокие частоты для радиосвязи, например со спутником, ионосфера вносит свои поправки в задержки сигнала [4].
По современным представлениям ионосфера представляет собой плазменную оболочку Земли на высотах от 50 км до приблизительно 1000 км. Она состоит из смеси газа нейтральных атомов и квазинейтральной плазмы, содержащей достаточное количество ионизированных частиц, способных влиять на прохождение радиоволны внутри её. Ионосфера структурируется на несколько областей D, Е и F. Внутри ионосферных областей существуют слои электронов D, Еь Е2, Es, Fb F2.
Состояние ионосферы зависит от множества факторов: природных явлений, активности Солнца, времени года и т.д. Вполне естественно, что ионосфера никогда не находится в уравновешенном, стационарном состоянии, а непрерывно переживает возмущения, вызванные факторами различной природы [5, 6]. Факторами, обуславливающими образование ионосферы, появление ионизированных частиц, являются ультрафиолетовое излучение солнца, рентгеновское излучение, космические лучи, попадающие из магнитосферы высокоэнергичные частицы, в некоторой степени метеоры.
В связи с этим существует большое количество методов дистанционного зондирования. Импульсное вертикальное зондирование позволяет наблюдать вертикальную структуру ионосферы наиболее просто и наглядно, но только над точкой наблюдения. Метод радиопросвечивания ионосферы не позволяет получить вертикальную структуру ионосферы, но при этом существенным достоинством является возможность изучения крупномасштабных изменений полной электронной концентрации. Метод некогерентного рассеяния позволяет получить получать большой набор характеристик ионосферной плазмы, но при этом необходимы колоссальные мощности передатчика и размеры антенной системы, что можно отнести к существенным недостаткам. Метод наклонного импульсного зондирования при помощи линейно-частотно модулированного сигнала легко позволяет решить такую прикладную задачу как определение максимально применимой частоты, однако вследствие того, что зондирование ведется в импульсном режиме, волновые процессы с характерными временами меньше периода повторения сигналов зондирования не различимы. При зондировании непрерывным сигналом возможно использовать спектрально -аналитический метод. Данный метод позволяет реализовать разделение интерферирующих мод радиосигнала в частотно-временной области, но при этом подвержен воздействию поляризационных замираний. Спектрально-поляризационный метод позволяет разрешить проблемы спектрально-аналитического метода и в дополнение получать поляризационные характеристики падающей радиоволны. Распространение радиоволн в земной ионосфере можно описать при помощи магнитоионной теории распространения радиоволн [3, 7, 8, 9]. Запишем плотность переменного тока, возникающего в плазме, считая, что все ионы одинаковые (однозарядные с массой ) где Ne концентрация электронов, е — заряд электрона, a Vt и Ve скорости перемещения ионов и электронов соответственно. Воспользовавшись приближением о том, что ионосферная плазма в целом неподвижна в ней отсутствует тепловое движение, а электрическое поле обусловлено только самой волной, введем обозначения [10, 11]:
Моделирование распространения радиоволн для условий проведения экспериментальных измерении
Как известно, GPS техника обеспечивает измерение групповых и фазовых задержек сигналов L1 = 1575 МГц и L2 = 1228 МГц с 30-секундным интервалом одновременно для всех спутников, находящихся в зоне радиовидимости над отдельной станцией. Одновременно 6-8 и более спутников могут наблюдаться в секторах с различными азимутами [26]. Как групповые, так и фазовые задержки являются относительными, так как содержат неизвестные аппаратурные задержки или неизвестную начальную фазу. Для получения абсолютной величины задержек и восстановления суточной вариации ПЭС над станцией можно воспользоваться методикой, предложенной в работе [27]. В соответствии с ней инструментальная задержка и абсолютное значение ПЭС рассчитываются с использованием измерения всех пролетов спутников над станцией на 24-часовом интервале. В расчетах ионосфера аппроксимируется в виде тонкого слоя, расположенного на фиксированной высоте (h = 400 км). Для пересчета наклонного (вдоль луча) ПЭС в вертикальный используется геометрический фактор. В результате применения этой процедуры получается как суточная вариация ПЭС над станцией наблюдения, так и возможность анализа вариации абсолютной величины ПЭС вдоль траектории пролета для всех 24 спутников системы GPS.
Используя данные карты ТЕС, большое количество исследователей ищет следы всевозможных явлений в ионосфере, которые отражаются на ПЭС, как то, перемещающиеся ионосферные неоднородности, предвестники землетрясений и пр. [28, 29].
Однако измерение полного электронного содержания не позволяет получить полную картину о происходящих процессах в ионосфере вследствие особенностей метода, указанного выше, так как ионосфера представлена в виде тонкого слоя в районе максимума слоя F2. Данные, полученные при помощи глобальной сети GPS, не позволяют получить данные о вертикальной структуре ионосферы, а также о любых вертикальных перемещениях слоев ионосферы. Остаются скрытыми и мелкомасштабные процессы в нижней ионосфере.
Хотя диагностика ионосферы в 50-х годах уже активно проводилась, наземные KB ионозонды давали информацию только о концентрации электронов ниже главного ионосферного максимума. Изучение других характеристик среды, таких как температура, ионный состав, скорости дрейфа начало проводиться с помощью ракет в конце 50-х — начале 60-х г.г.. В начале 60-х годов было предложено использовать томсоновское рассеяние на свободных электронах для изучения характеристик среды [30]. Предварительные расчеты основывались на гипотезе о том, что электроны в ионосферной плазме свободны. Однако первые эксперименты в Джикамарке (Перу) в конце 1958 года показали, что эта гипотеза не верна. Если размер поля, создаваемого радаром, велик (\1 к-гд»\), то в это поле попадут
электроны, которые будут экранировать заряд. В среде с равномерно распределенными электронами любой рассеянной волне с определённой фазой можно противопоставить волну с противоположной фазой. Поэтому для существования рассеяния необходимы флуктуации плотности, то есть чтобы равные объёмы содержали разное количество электронов, и в таком случае рассеяние на свободных электронах - это рассеяние на флуктуациях электронной концентрации.
В методе некогерентного рассеяния (HP) концентрация электронов обычно измеряется по мощности рассеянного сигнала, остальные параметры по его спектру. Спектр рассеянного сигнал содержит в себе информацию о температуре и векторе скорости движения электронов. Особенностью измерений является вероятностная природа анализируемого сигнала и его чрезвычайная слабость, отношение мощности входного сигнала к мощности шума на входе приёмного устройства некогерентного радара для единичного измерения на практике оказывается много меньше 1. Соотношение сигнал шум может быть улучшено путем накопления повторяющихся измерений, при котором точность измерений возрастает, как корень из их числа.
Вероятностная неопределенность обусловлена высоким уровнем помех и шумов в рабочей полосе частот, накладываемых на исследуемый сигнал. Поскольку критическая частота максимума ионизации редко превышает значения 11-13 МГц, рабочие частоты радаров выбирались в диапазоне 40 МГц и выше. Верхняя частота диапазона работы радара HP ограничивается частотами 1-2 ГГц, поскольку при длине волны менее 2-3 см, сигнал испытывает сильное рассеяние на турбулентностях нейтральной атмосферы. Кроме указанных ограничений на работу радаров HP влияют естественные радиоисточники: Солнце, галактический шум, отдельные звездные радиоисточники. В разных диапазонах длин волн мощность радиошума разная, она максимальна в KB диапазоне и существенно падает на частоте выше 200 МГц. Не только естественные природные факторы определяют характеристики радаров. Важным условием при проектировании радаров является наличие электронных устройств, способных генерировать и передавать мощное электромагнитное поле требуемой частоты, наличие антенн, способных передавать и принимать сигнал, наличие чувствительных приемников. Импульсная мощность HP радара достигает 5-6 МВт. Успех экспериментов по некогерентному рассеянию во многом решает качество и эффективность антенн. В качестве примера антенны радара некогерентного рассеяния можно привести антенную систему, расположенную в Тромсё в Норвегии. Низкочастотная антенна (224 МГц) имеет вид параболического цилиндра 120 40 метров. Высокочастотная антенна (933 МГц) имеет вид полноповоротного параболоида диаметром 32 метра с гелиевым охлаждением входного каскада. В бывшем СССР в 70-х годах был построен единственный специализированный радар HP в Харькове. В настоящее время существует 9 радаров некогерентного рассеяния в Джикамарке (Перу), Аресибо (Пуэрто Рико), радар в Миллстон-Хилле (США), радар в Харькове (Украина). Единственная в России подобная система, базирующаяся на антенном поле радиолокатора «Днепр» УКВ - диапазона [31, 32], находится в Иркутске. К основным недостаткам такого метода можно отнести гигантские размеры антенного поля и огромные мощности передающих систем.
Модернизация системы управления радиоприёмными устройствами
Доплеровский фазоугломерный комплекс «Спектр» был создан для исследования углового распределения радиосигналов в KB -диапазоне, а также статистических закономерностей и физической природы искажений частотного спектра радиосигналов в 80-х годах 20 века [75, 76, 77, 78, 79, 80]. Принципы работы комплекса базируются на интерференционных методах радиозондирования с использованием узкополосных сигналов непрерывно излучающих станций KB — диапазона [43]. В начале раздела описан комплекс до модернизации (для обработки сигнала использовался спектрально-аналитический метод), в конце приведена конфигурация комплекса после модернизации при которой можно использовать спектрально-поляризационный метод обработки радиосигнала. При проведении экспериментов используются сигналы станций точного времени (РВМ, РИД) и радиовещательных станций (Радио России, ВВС, Радио «Свободы» и др.). В течении времени комплекс пережил ряд модернизаций и нововведений, что является закономерным в свете развития техники, а также постановке новых задач исследования. Применение в системе обработки современных технических средств позволило создать надежную измерительную систему для проведения долгосрочных (до нескольких месяцев) непрерывных измерений, что расширило возможности в измерениях долгопериодных волновых процессов, а также позволило проводить мониторинг ионосферы. Применение оригинальных алгоритмов управления и обработки данных позволило проводить долговременные измерения в автоматическом режиме практически без присутствия оператора.
Блок-схема измерительного комплекса до модернизации. Блок-схема измерительного комплекса приведена на рис. 3.1. В состав комплекса входят: антенно-фидерная система, включающая в себя антенны (Ан), антенные усилители (АУ) и фидеры (Ф); четырехканальное радиоприемное устройство (РПУ); система калибровки амплитуд и фаз, включающая в себя электронный коммутатор (ЭК), синтезатор опорного сигнала (AD9850), управляемый аттенюатор (УА); система первого гетеродина, включающая в себя гетеродин (AD9852) и активный разветвитель (АРв); блок смесителей и фильтров (БС и Фт); управляющий контроллер (УК); опорный генератор (41-50); квадратурный генератор (КГ); блоки аналого-цифровой обработки (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Прерывистой линией на рисунке выделены: подсистемы антенная (1), калибровки (2), цифрового приёма (3). В состав калибровочной подсистемы входят коммутатор, управляемый аттенюатор, калибровочный генератор, цифро-аналоговый преобразователь. В подсистему цифрового приёма входят квадратурный генератор, блок смесителей, фильтры, аналого-цифровые преобразователи.
В состав антенно-фидерной системы комплекса входит антенная система из 4-х антенн, которые обеспечивают прием радиосигналов КВ диапазона. Используются антенны с вертикальной поляризацией и круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости типа "вертикальный вибратор". Для определения углов прихода используются измерения с квадратурным разложением сигнала на низкой частоте, позволяющие определять фазовые и амплитудные характеристики при дальнейшей цифровой спектральной обработке. Антенны расположены по кругу диаметром 15,6 м. Используемая конфигурация антенной системы обеспечивает определение разности фаз для сигналов с частотой 1-25 МГц и произвольных углов прихода.
Антенные усилители обеспечивают согласование выходного сопротивления антенн в диапазоне 1-30 МГц с подключенным на выходе стандартным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. Длина кабеля («25 м) в каждом канале подбирается из условия идентичности характеристик фазового пути в каналах с точностью 0,02%. Выходной конец кабеля подключается к антенному коммутатору, обеспечивающему переключение режимов измерение/калибровка.
В качестве приемников в комплексе используются радиоприёмные устройства Р339 "Катран". Для обеспечения фазовой когерентности каналов приема в качестве первого гетеродина используется общий для всех приемников внешний гетеродин. Для обеспечения возможности плавного управления усилением в автоматическом режиме на внешний разъем выведены контакты, дублирующие органы ручного управления. Источником измеряемого сигнала является выход 2 промежуточной частоты РПУ (частота 215 кГц, полоса 300 Гц - 10 кГц). Обработка проводится различными способами в зависимости от методики эксперимента. Применяются либо квадратурные аналоговые детекторы (вариант рассчитан на измерение параметров узкополосных сигналов) или цифровое детектирование и цифровая фильтрация [81, 82, 83, 84], описанные далее.
В системе калибровки приемного тракта используется синтезатор частот AD9850. Опорная частота синтезатора (35 МГц) формируется генератором второго гетеродина радиоприёмного устройства. Опорный сигнал преобразуется к необходимому для тактирования синтезатора уровню при помощи встроенного компаратора микросхемы. Выходной сигнал синтезатора подается на вход измерительного комплекса через управляемый электронный аттенюатор, обеспечивающий возможность ослабления калибровочного сигнала в диапазоне 0 — 70 дБ с шагом 2 дБ. Необходимость использования аттенюатора вызвана широким динамическим диапазоном вариаций мощности сигналов KB — станций в зависимости от сезонного и суточного хода условий распространения. В процессе измерения сигнал калибровочного генератора отстраивается от несущей частоты сигнала на 3 -10 Гц в зависимости от ширины спектра исследуемого сигнала. Наличие источника высокостабильного калибровочного сигнала позволяет контролировать фазовые ошибки измерительных каналов в процессе измерений.
Результаты спектрального анализа угломерных и поляризационных рядов данных
Возможности старой системы управления радиоприёмными устройствами не позволяли в автоматическом режиме изменять частоту на произвольном приёмнике. Система управления была реализована в виде встраиваемой платы в слот ISA персонального компьютера и использовала возможности управления, предоставляемые радиоприёмными устройствами Р339 «Катран», которые в штатном режиме дублируют команды управления на выходном разъёме [90]. То есть соединив несколько радиоприёмных устройств при помощи штатных кабелей, необходимо управлять всего лишь одним из них. Это вызывало определённые трудности при работе комплекса в многоканальном режиме измерения доплеровского сдвига частот, так как в этом случае автоматически управлялось всего лишь одно радиоприёмное устройство, а оставшиеся три управлялись вручную оператором. Поэтому для повышения автономности комплекса было необходимо разработать и изготовить новое устройство управления для радиоприёмных устройств. Для управления частотой радиоприёмного устройства Р339 «Катран» необходимо использовать 26 линий управления, на которых нужно постоянно удерживать двоично-десятичный код необходимой частоты, так как в радиоприёмном устройстве отсутствуют регистры хранения кода частоты. Основными параметрами для нового устройства управления при разработке являлись: возможность управления каждым приёмником независимо, возможность подключения к достаточно современному персональному компьютеру (это требование к производительности компьютера), гибкость системы управления (возможность добавления функций), уменьшение количества управляющих линий. Выбор схемотехнического решения для устройства управления был обусловлен следующими рассуждениями: необходимо было решить, будет ли устройство представлено в виде встраиваемой в персональный компьютер платы или отдельного устройства. Связь с персональным компьютером для встраиваемых в, него плат можно осуществлять только при помощи шины PCI или её расширений, т.к. шина ISA осталась только на промышленных или специализированных компьютерах. Использование шины PCI связано с рядом сложностей при разработке. Поэтому при реализации поставленной задачи было принято решение разрабатывать внешнее по отношению к персональному компьютеру устройство. Так же, учитывая требование уменьшения количества управляющих линий связи и возможность управления каждым приёмником независимо, появилась идея сделать четыре одинаковых устройства управления для каждого приёмника и смонтировать их на разъём управления радиоприёмным устройством «Катран» непосредственно. Для этих целей потребовались четыре одинаковых внешних порта персонального компьютера. Выбор в качестве коммуникационных средств портов параллельной и последовательной передачи данных (портов LPT или СОМ) тоже не спасает положения, так как их количество, как правило, невелико, а пропускная способность ограничена. Кроме того, тенденции развития персональных компьютеров направлены на ограничение их количества, вплоть до полного отказа от использования.
В целях осуществления задач управления и высокоскоростной передачи информации можно использовать универсальную шину последовательной передачи данных USB. К преимуществам шины USB можно отнести высокий трафик (до 480 МБит/сек по спецификации 2.0, хотя в данном приложении нас устраивает и намного меньшая скорость), возможность быстрого подключения к шине новых устройств без необходимости выключения или перезагрузки системы (горячая замена), большое количество одновременно подключенных устройств, возможность питания устройства от шины. В пользу данного решения также говорит и наличие большого количества производителей, предлагающих либо отдельные USB контроллеры, либо микроконтроллеры со встроенными USB блоками (Atmel, FTDI Chip и пр.). В итоге для связи четырёх независимых внешних устройств управления радиоприёмным трактом была выбрана шина USB. Этот выбор решил все поставленные задачи. Для обеспечения гибкости системы управления существуют две возможности использования микроконтроллера или устройства на основе программируемых логических интегральных схемах. Оценив возможности микроконтроллеров, были сделаны следующие выводы: в недорогих, простых микроконтроллерах количество выводов в среднем до 10-15, то есть появляется необходимость использовать дополнительные буферные элементы, в больших микроконтроллерах количество выводов в среднем не превышает 30-35, однако нерационально используются внутренние ресурсы, так как в таких устройствах имеется достаточно большое количество периферии, например, цифро-аналоговые, аналогово-цифровые преобразователи и пр.
Использование программируемых логических интегральных схем позволяет использовать достаточно простые устройства с большим количеством выводов до 60-70.
Структурное решение разработанного устройства выглядит следующим образом: первый блок реализует функцию связи с персональным компьютером, а второй блок реализует управление конечным устройством, а именно, радиоприёмным устройством «Катран». Для решения задачи связи и управления при помощи ПК с использованием шины USB используется микросхема FTDI Chip - FT245BM. Эта микросхема представляет собой законченный аппаратный приемо-передатчик USB шины, поддерживающий спецификацию 2.0, с восьмибитовым параллельным выходом [91]. К преимуществам данной микросхемы можно отнести открытые, свободно распространяемые драйверы под операционные системы Windows, Linux, аппаратурную реализацию протокола USB. Пользователю-разработчику при использовании такой микросхемы нет необходимости изучать протокол связи, данные принимаются и передаются при помощи FIFO интерфейса, который легко встраивается практически в любые микроконтроллерные или ПЛИС системы. Эпюры временных диаграмм приведены на рис. 3.5.
