Введение к работе
Актуальность темы. Отроение атмосферы и происходящие в ней процессы определяются характером солнечно-земных связей, и в этом аспекте экспериментальные исследования структуры и динамики ее заряженной компоненты - ионосферы - имеют важное значение в развитии знаний о Земле.В прикладном плане ионосфера изучается как среда, которая существенным образом определяет работу наземных и космических радиосредств различного назначения, и здесь можно выделить три направления. В современных условиях требования к точности радиолокационных измерений при контроле космического пространства становятся все более жесткими, и приходится учитывать ошибки ионосферного распространения радиоволн. Следовательно, большое значение приобретает внедрение результатов ионосферных исследований в практику работы РЛС. Использование декаметрових радиоволн становится более эффективным, если выбор радиотрасс и параметров используемых средств делается с учетом текущего состояния ионосферы.И, наконец, особый интерес приобретают изучение нейтральной компоненты и ее контроль, которые в свете имеющихся модельных представлений можно проводить при тщательном анализе сигнала кекогерентного рассеяния радиоволн.
Таким образом, эксперза-кнтальные исследования ионосферы во взаимосвязи с изменениями интенсивности солнечного излучения являются в настоящее время актуальной задачей.
Высотное распределение параметров с хорошим разрешением в принципе позволяют получить радиолокаторы некогерентного рассеяния (HP),использующие импульсный характер зондирования Однако ряд противоречий затрудняет попытки осуществить это одновременно в интервале высот 100...1000 км. Причина здесь кроется в структуре используемых зондирующих сигналов,не позволяющих учесть особенности рассеяния на различных ионосферных уровнях. Разрешение этих противоречий и предопределило постановку задачи данной диссертационной работы. Цель диссертационной работы состоит в развитии теории некогерентного рассеяния радиоволн для случая зондирования ионосферы сложными сигналами и разработке методологии анализа рассеянного сигнала при измерениях высотных распределений электронной концентрации, температур электронов и ионов,вертикального дрейфа плазмы одновременно в интервале высот 100-1000 км
- A -
ри импульсном характере зондирования.
Основное содержание диссертационной работы составляют:
разработка принципов кодирования зондирующих сигналов,учитывающих некогерентный характер рассеяния;
разработка принципов построения систем корреляционной обработки рассеянных сигналов;
решение задачи восстановления исходных функций высотного распределения электронной концентрации,температур электронов и ионов и вертикального дрейфа ионосферной плазмы в случаях зондирования импульсами произвольной формы;
систематизиция и анализ результатов измерений электронной концентрации,температур электронов и ионов за цикл солнечной _. активности (1978 - 1991 г).
Полученный массив данных (более 450 суток) по своему объ-му и качественному содержанию макет служить основой для построения модели среднеширотной ионосферы.
Научная новизна работы заключается в том, что:
впервые сформулированы принципы построения составных дискретно-частотных зондирующих сигналов для исследований ионосфера с помощью импульсных радиолокаторов HP, разработаны и проанализированы различные варианты таких сигналов, шявлены и изучены особенности их применения;
разработана дискретная модель сигнала рассеяния, описываемая матрицей элементов со случайными значениями.Модель позволяет анализировать сигнал HP при многоэлементных кодах с фазовой и частотной манипуляцией несущей;
на основе предложенной модели решена прямая задача - расчет АКФ сигнала рассеяния для зондирующих импульсов произвольной формы на выходе радиоприемной системы с конечной полосой пропускания;
решена задача построения кодированных зондирующих сигналов, для которых при произвольном нлсотном распределении рас-сеивателей высотное разрешение измерений ЖФ сигнала HP определяется элементом кода: сигналы описываются матрицей из п х 1 элементов, где каждый столбец - п-элементный код;
исследованы различные виды кодирования зсяадирующего сигнала: фазовая (О, П) и амплитудная (О, 1) манипуляция;
на основе проведенішх теоретических исследований разработаны принципы построения систем обработки сигналов для работы в реальном времени при зондировании сложными сигналами;
При разработке теории метода HP для случая импульсного зондирования были получены следущие новые результаты:
выведены уравнения, позволяющие при произвольном высотном распределении сечения рассеяния <(Ъ) описать преобразование исходной автокорреляционной функции (йКФ) флуктуации электронной плотности в функцию измерений - ЖФ сигнала HP, найдены решения, минимизирущие ошибки обратного преобразования если Сэ№) монотонная функция;
на основе модели измерительных преобразований высотного распределения сечения рассеяния ь функцию высотного распределения мощности сигнала HP решена задача обратного пребра-зования для случаев линейной и экспоненциальной функции <э (Ь.) и произвольной ее фор-е при коротких импульсах;
Таким образом, на новых принципах применительно к средне-широтной ионосфере и используемому диапазону рабочих длин волн (Д^чггм) разработаны методология анализа сигнала рассеяния и математическое обеспечение ионосферных измерений, и на основе полученного экспериментального материала проведен анализ поведения основных параметров ионосферы в течение цикла солнечной активности.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
в результате выполненных измерений сформирован банк ионосферных данных (1978-199ІГ.);
на основе разработанных принципов построения систем обработки сигналов реализованы и внедрены в практику ионосферных измерений специализированный кореллометр и многоканальная ситема обработки и управления СКИФ, позволяющая работать со сложными сигналами;
результаты иссследований и предложения по структуре составных дискретно-частоткых кодированных сигналов и принципов их обработки были использованы при построении многоканальной радиоприемной системы и системы задащих генераторов радиолокатора некогерентного рассеяния Института ионосферы;
в практику измерений и анализа данных внедрены результаты методических разработок- Подробное описание методик измере-
ний, алгоритмического и программного обеспечения вошли в "Руководство по методикам измерений методом HP параметров ионосферы ..." [1983 г.,240 с].
Результаты проведенных ионосферных измерений явились основным вкладом в создание эмпирической модели среднеширотной ионосферы.
Основные положения и результаты, выносимые на завд-ггу.
-
Аналитические методы исследований характерістик сигналов рассеяния и результаты анализа особенностей зондирования ионосферы методом некогерентного рассеяния на различных высотных уровнях.
-
Принципы построения составных зондирукщих сигналов для ииследований структуры и динамики ионосферы.
-
Совокупность результатов исследований по применению сложных зондирующих сигналов, включая вопросы построения кодированных последовательностей и методы анализа сигнала рассеяния для зондирующих импульсов произвольной формы.
-
Принципы построения и алгоритмическое обеспечение программируемых систем обработки и управления при зондировании ионосферы сложными сигналами.
5. Принципы измерений радиальной составлякврй дрейфа ионос
ферной плазмы.
6. Результаты анализа вариаций измеренных шсотных распре
делений электронной концентрации и температур ионов и элект
ронов в цикле солнечной активности.
Достоверность и обоснованность результатов,полученных в диссертации, обепечиваются:
-
Соответствием результатов измерений существукзрм моделям. описыващим высотный и временной ход ионосферных параметров.
-
Соответствием результатов ионосферных измерений методом HP данный вертикального зондирования.
-
Соответствием результатов ионосферных измерений методом HP результатам спутниковых измерений ("Интеркосмос-19").
Данная работа выполнена в соответствии с планом важнейших работ Института ионосферы Академии наук и Министерства образования Украины.
Апробация работы и публикации, основные материалы диссертации докладывались на 14 (Ленинград,1984г.)» 15 (Алма-Ата, 1987г. ) и 16 (Харьков, 19S0r.) Всесоюзных конференциях по распространению радиоволн, на Всесоюзных конференциях и совещаниях " Теория и практика применения метода кекогерект-кого рассеяния"(Харьков, 1983 и 1987 г.), на XI Всесоиенш совещании по проблеме " Неоднородная структура ионосферы" (Ашхабад,1986г.),на Всесоазной научно-технической конферен-ции"Соврехеннш проблемы радиоэлектроники" (Москва,1938г. ),а такае на конференциях отраслевых миккстерств и совещаниях исполнителей комплексных КИР (Москва, Харьков, Иркутск).
Работа радиолокатора HP с использованием сяозкых сигналов И результаты ионосферных измерений демонстрировались участникам 16 Всесоюзной конференции по распространению радиоволн.
По основным результатам исследований опубликовано 39 печатных работ,получено 12 авторских свидетельств на изобретения. Основные подогения диссертации использованы в 18 отчетах по НИР. Результаты ионосферных измерений приведены в альбомах (1978-1991 гг).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения вести глав, заключения, приложений, списка литературы из 183 наименований и содержит 53 рисунка и 5 таблиц. Общий объем работы составляет 316 страниц . Содержание работы
