Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Экспериментальные исследования спорадического слоя 21
Введение 21
1.1. Обзор методов исследования ионосферы 21
Вертикальное зондирование ионосферы 21
ЛЧМ-зондирование 30
Наклонное импульсное зондирование 31
Возвратно-наклонное зондирование 32
Радары некогерентного рассеяния 32
GPS-мониторинг 33
Ракетные методы исследования 34
1.2. Структурные особенности слоя Es 34
1.3. Совершенствование методик обработки данных вертикального зондирования и форм представления результатов 42
НП-карта 43
HTF-карта 45
Выводы к главе 47
Глава 2. Экспериментальная аппаратур а 48
2.1. Модернизация ионосферного измерительного комплекса "циклон 49
2.2. Структурная схема ионозонда 50
2.3. Логическая схема системы управленияв пл сбис 52
2.4. Дополнительная плата 59
Выводы к главе 66
ГЛАВА 3. Оценка точности определения действующей высоты отражения 67
3.1. Оценка точности на тестовых ионограммах 67
3.2. Оценка точности определения действующей высоты отражения на слое es 73
3.2.1. Вариации действующей высоты отражения слоев ионосферы 73
3.2.2. Оценка точности определения действующей высоты отражения при многократных отражениях от слоя Es 77
Выводы к главе 78
Глава 4. Квазипериодические биения ачх слоя es 79
Введение 79
4.1. Данные экспериментов и обработка 79
4.2. Вариации частотных параметров слоя es 80
4.2.1. 3d представление последовательности ачх 85
4.3. Вероятностьпоявления отражений от слоя es 91
4.4. Границы диапазона биений на следах es 93
4.5. Действующая высота отражения 98
4.6. Квазипериодические биения на следах слоя-f 101
4.7. Аппроксимация зависимости расстояния между последовательными минимумами от частоты зондирования ачх слоя es 108
4.8. Возможньш причины отсутствия сведений о данных биениях на следах es ill
4.9. Моделирование высотно-частотных характеристик 112
4.10. Определение параметров профиля электронной
Концентрации ниже максимума е слоя 121
Выводы к главе 125
Заключение 128
Благодарности 130
Литература
- Возвратно-наклонное зондирование
- Логическая схема системы управленияв пл сбис
- Вариации действующей высоты отражения слоев ионосферы
- Квазипериодические биения на следах слоя-f
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящий момент для исследования отражающих свойств и причин происхождения слоя Es применяются различные методы: вертикальное, ЛЧМ-, наклонное и возвратно-наклонное зондирования, некогерентное рассеяние, GPS-мониторинг, ракетные и др. Эти методы являются основными источниками информации о структуре и динамике слоя Es. Детальное знание свойств слоя Es имеет большое практическое значение, т.к. слой Es воздействует на распространение радиоволн вплоть до гигагерцового диапазона. Если в KB диапазоне вариации электронной концентрации Es-слоя приводят к разрыву связи, то в гигагерцовом - к изменению фазы радиосигналов. Поэтому необходимо прогнозировать и учитывать влияние слоя Es на условия распространения радиоволн в заданных интервалах времени при известном техническом оборудовании.
Согласно [1-3] слой Es - это локальное и случайное плазменное образование, появляющееся в интервале высот 90-150 км. Параметры слоя Es трудно прогнозировать в связи со случайностью появления слоя Es и отсутствием длительных наблюдений параметров слоя с помощью ракетной техники, а также с многообразием физических явлений, оказывающих воздействие на образование и существование слоя Es.
Наибольшее количество информации о спорадическом слое Е накоплено с помощью ионозондов, при этом важнейшей задачей исследований является получение профиля электронной концентрации. Известные в настоящее время теоретические и эмпирические модели ионосферы достаточно хорошо описывают спокойную ионосферу, ее зависимость от магнитной возмущенности солнечной активности, а также средние долготные, широтные, суточные и сезонные изменения. Эти модели имеют большую практическую ценность, например, для выбора оптимальных условий радиосвязи, оценки ситуации в приземной плазме, расчета конкретных радиотрасс и т.д. К сожалению, даваемое моделями значение электронной концентрации может отличаться от реальной ионосферной обстановки на десятки (в среднем на 30) процентов.
Существует несколько путей совершенствования моделей, но требование повышения точности сведений об электронной концентрации влечет за собой необходимость учета как можно большего числа факторов, оказывающих влияние. Так, информативность классических ионозондов можно повысить за счет исследования взаимодействия различных магнитоионных компонент [4-7].
Взаимодействие магнитоионных компонент при отражениях от слоев F и Es должно носить различный характер. В связи с тонкостью Es слоев, разность высот отражения между магнитоионными модами (компонентами)
сравнима не только с длительностью импульсов, но и с длинами волн. Такая близость точек отражения позволяет исследовать явление интерференции магнитоионных компонент.
Согласно современным воззрениям, взаимодействие магнитоионных мод может носить не только интерференционный характер, но и возможность перехода одной компоненты в другую. Для исследования таких тонких эффектов необходимо применять как учащенный режим зондирования, так и методики определения высоты отражения с максимально возможной точностью.
Между тем в литературе отсутствует сколько-нибудь систематическое исследование интерференционных биений магнитоионных компонент сигналов, отраженных от слоя Es.
Решению этих вопросов и посвящена настоящая работа.
Целью диссертационной работы является: исследование свойств сигналов, отраженных от слоя Es при вертикальном зондировании ионосферы в учащенном режиме зондирования.
Исходя из указанной цели, поставлены следующие задачи:
Спроектировать, изготовить и протестировать новую систему управления ионозонда «Циклон» на шине PCI с GPS-синхронизацией по времени (необходимой для наклонного зондирования), позволяющую реализовать зондирование в учащенном режиме (1 мин) и применять алгоритм повышения точности определения действующей высоты методом максимального правдоподобия в спектральной области (ММП) [8,9].
Для детального изучения вариаций действующей высоты отражения следов Es оценить точность определения действующей высоты методом ММП на тестовых ионограммах (с искусственными следами) и на полученных при вертикальном зондировании ионограммах, содержащих следы Es с многократными отражениями.
Выполнить исследование параметров слоя Es, характеризующих его структуру и отражающие свойства, методом вертикального зондирования в учащенном режиме.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые на продолжительном интервале времени при вертикальном зондировании (со скоростью регистрации 1 ионограмма в минуту) детально исследованы экспериментальным путем зависимости амплитудно-частотных характеристик слоя Es.
Впервые исследованы квазипериодические биения амплитудно-частотных характеристик слоя Es.
Впервые определены вероятности появления слоев Es в зависимости от структуры отражения.
Впервые установлено, что на частотах выше критической частоты слоя Е на величину гирочастоты электронов (/н) квазипериодические биения следов Es возникают из-за интерференции о- и х-мод.
Впервые показано, что параметры интерференционной картины следов Es могут быть использованы в определении величины фоновой концентрации ниже максимума Е-слоя.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
Разработана новая система управления ионозонда «Циклон» с GPS-синхронизацией по времени (необходимой для наклонного зондирования) на основе современной элементной базе (ПЛ СБИС), подключаемая к шине PCI с возможностью реализации алгоритма повышения определения действующей высоты методом максимального правдоподобия в спектральной области (ММП).
Разработаны новые формы представления долговременных последовательностей учащенно снятых ионограмм, позволяющих не только показывать вариации действующих высот отражения, критических и предельных частот, но и исследовать тонкую структуру отражений слоев ионосферы.
Составлен банк ионограмм с 1 минутной периодичностью регистрации за годовой период измерений.
Предложена методика, использующая тонкую структуру и модельные представления об ионосфере, в определении некоторых ионосферных параметров непосредственно нерегистрируемых на обычных ионозондах.
Реализация результатов работы:
Разработанная система управления ионозондом внедрена в Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН), имеются соответствующие документы о внедрении.
На защиту выносятся:
Частотные и высотные вариации параметров квазипериодических биений амплитудно-частотной характеристик слоя Es.
Вероятностные параметры появления слоев Es в зависимости от его структуры отражения.
Объяснение основной причины появления наблюдаемых квазипериодических биений амплитудно-частотных характеристик слоя Es в диапазоне частот выше критической частоты слоя Е на величину гирочастоты электронов.
Формы представления долговременных последовательностей ионограмм, позволяющие не только показывать вариации действующих высот
отражения, критических и предельных частот, но и исследовать тонкую структуру отражений от слоев ионосферы.
Методика определения критической частоты слоя Е (/ЬЕ) по начальной границе диапазона биений следов Es в случае расположения foE ниже начального частотного порога регистрации ионозонда.
Методика определения электронного содержания (ЕС) ниже максимума слоя Е, используя параметры интерференционной картины следов Es.
Достоверность результатов обусловлена большим объемом проведенных исследований за 2010 г., статистической надежностью измерений, совпадением результатов измерений и обработанных данных с модельными представлениями и с выводами других авторов.
Апробация работы и публикации:
Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на международной конференции IRI/COST Workshop в г. Прага (Чехия, 2007 г.), на Второй Волжской региональной молодежной научной конференции "Радиофизические исследования природных сред и информационные системы" в г. Зелено дольске (2010 г.), на V международной молодежной научной конференции "Тинчуринские чтения" в г. Казани (КГЭУ, 2010 г.), на юбилейной конференции Физического факультета КФУ (2011 г.), на ежегодных итоговых конференциях КФУ (КГУ) 2005-2010.
По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень научных изданий ВАК, рекомендованных для публикации основных результатов диссертации.
Результаты работы реализованы при поддержке грантов: РФФИ 06-05-65150 (2006-2008 г.), ДЗН 09-9 (2009 г), ДЗН 1-27 (2010 г), П11-23 1.23.11(2011 г).
Личный вклад автора:
Автор спроектировал и изготовил схемы, дополнительную плату системы управления ионозонда "Циклон", создал формы представления долговременного потока учащенно снятых ионограмм, осуществлял обработку, анализ, интерпретацию и моделирование результатов измерений параметров слоя Es. Автором сформулированы научные выводы и положения, которые выносятся на защиту.
Возвратно-наклонное зондирование
Показано, что для более детальных изучений структурных особенностей слоя Es необходима регистрация его параметров с повышенной точностью определения действующей высоты в учащенном режиме зондирования через 1 мин. Для этого необходима модернизация предшествующей системы управления ионозонда "Циклон". До модернизации управление периферийными устройствами ионозонда осуществлялось посредством ЭВМ и системы управления, связанных между собой по шине ISA (Industry Standard Architecture). Недостатком данной системы управления является использование морально устаревшей шины ISA. Кроме того, блок управления требует наличия-трех слотов ISA, что в современных компьютерах большая редкость. При этом некоторые платы системы управления были выполнены навесным монтажом. К -тому же, предшествующая система управления не имела общего тактового генератора, что приводило к нежелательному фазовому дрейфу при измерениях. В данной системе отсутствует также привязка к шкале времени, что не позволяет производить наклонное зондирование ионосферы.
Описана новая система управления ионозонда "Циклон" [13] с синхронизацией от GPS-часов (необходимой для реализации наклонного зондирования), позволяющая организовать алгоритм определения действующий высоты с повышенной точностью. Новая- система управления разработана на основе заводского отладочного комплекта, содержащего программируемую логическую интегральную микросхему большой емкости (ПЛ СБИС), позолоченного краевого ламельного разъема PCI (Peripheral Component Interconnect) и 44 свободных контактов (сгруппированные в разъемы, называемые Santa Cruz Connectors) для подключения внешних устройств. Эти контакты использованы для подключения дополнительной платы, спроектированной для стыковки отладочного комплекта с исполнительными устройствами ионозонда и содержащей конверторы уровней, цифровые ключи, микросхемы распределения сетки тактовых частот и прямого цифрового синтеза частот (ПЦСЧ, DDS), а также усилители фильтры.
В феврале 2010 г. новая система управления ионозондом вступила в работу с ежедневной регистрацией ионограмм с 1 мин периодичностью.
В третьей главе диссертации предложена новая форма представления долговременных последовательностей ионограмм, показывающая высотные вариации слоев ионосферы с помощью Н-карты в координатах высота-время-амплитуда. Н-карта формируется последовательным приложением высотных ЗБ-гистограмм (сумма амплитуд монограммы вдоль-оси частот) друг к другу для всех ионограмм целого дня измерений. Такие карты позволяют определить существование кратных отражений, скорости приливов, одновременное существование двух Es-слоев и множество других явлений ионосферы.
Проведение исследования тонкой структуры отражения слоя Es требует изучения высотных вариаций следов с повышенной точностью, но для этого необходимо оценить точность определения действующей высоты по отраженным сигналам, записанным с помощью новой системы управления ионозонда «Циклон». Показаны результаты оценки точности определения действующей высоты по тестовым ионограммам с искусственными следами.
Проверка заключалась в получении тестовых ионограмм с помощью аппаратных средств новой системы управления, при этом в ходе эксперимента создавались два вида тестовых ионограмм. Первая разновидность ионограмм (с горизонтальным искусственным следом) составлялась из радиоимпульсов с различными частотами заполнения, но с одинаковыми временами задержек и длительностями импульсов. Вторая разновидность (с наклонным искусственным следом) отличалась от первой тем, что каждый последующий импульс был сдвинут относительно предыдущего на 0,1 км [13]. Таким образом, общий рост высоты для одной тестовой ионограммы с наклонным следом составил 40 км. Для определения действующей высоты отражения таких ионограмм, применялась методика ММП [8,9], описанная в первой главе. Результаты оценки точности для различных длительностей импульсов и вариантов подключения АЦП приведены в таблицах. Точность для некоторых тестовых сигналов с длительностью импульсов 70 мкс при большом соотношении сигнал/шум равна значению —72 м. Среднее значение точности для всех тестовых ионограмм (при различных отношениях сигнал/шум и с различных длительностях импульсов) составило -0,197 км (при типовой точности ионозонда-2,5 км).
Описаны результаты оценки точности определения действующей высоты отражений от слоя Es при наличии многократных отражений. Чтобы выполнить такую оценку, необходимо выбрать такие ионограммы, на которых зарегистрированы следы Es и 2Es без рассеяния. Первый» этап проверки заключался в определении действующей высоты h Es для следа Es и h 2Es для-следа 2Es методом ММП. На следующем этапе находилась разность между этими действующими высотами Ah=h2Es/2-h Es. В качестве показателя точности был выбран интерквартильный диапазон распределения значений Ah, который составил величину -300 м. Эта точность (для следов Es) получилась ниже аппаратной точности (для тестовых ионограмм), что связано с изменением действующей высоты отражения от слоя Es с ростом частоты зондирования и с влиянием фоновой концентрации Е-области.
В четвертой главе исследуется отражающая способность слоя Es при вертикальном зондировании, при этом часто наблюдаются квазипериодические биения АЧХ слоя Es. Пример одной из таких ионограмм приведен на рис. 1 а. Ниже ионограммы на рис. 1 а приведены АЧХ слоев Е и Es двумя способами представления. Первый традиционный 2Б-график АЧХ слоев Е и Es (рис. 1 в) удобен для исследования АЧХ одного следа. Второй способ — представление АЧХ слоев Е и Es в виде ЗБ-карты (с фиктивной вертикальной координатой), где амплитуды отражений изображены на основе цветовой шкапы (рис. 1 б).
Логическая схема системы управленияв пл сбис
Вариации действующих высот слоя Es (h Es) изучаются на основе данных вертикального зондирования [1,58,59]. Из-за группового запаздывания действующие высоты могут отличаться от истинных, и, тем не менее, этот метод широко используется для исследования суточных и сезонных изменений высот слоя Es. В суточном ходе h Es наблюдается два максимума в утренние (после восхода) и вечерние (перед заходом) часы. Изменения часовых среднемесячных значений в течение суток достигают 20 км. При переходе от лета к зиме максимумы сближаются, образуя в январе-феврале один дневной максимум. Кроме того, имеется тенденция повышения в зимне-весенние месяцы и понижения осенью.
Исследование структуры спорадического слоя- в области Е важно для понимания причин происхождения слоя, физики, протекающих в нем процессов, и для разнообразных радиофизических задач, связанных с распространением радиоволн. Однако особенности этих слоев, такие, как вероятностный характер появления, локальность, полупрозрачность и зависимость параметров Es от характеристик аппаратуры, значительно усложняют процесс получения и обобщения экспериментальных данных. В слое Es протекает множество явлений с различной природой происхождения, влияющих на свойства отражения радиоволн. Особенности отражающих свойств спорадических слоев в области Е различны для разных широт, что является причиной появления большого числа гипотез образования слоев Es. Как правило, эти гипотезы объясняют лишь некоторые из свойств слоев Es и, что наиболее важно, не могут быть проверены экспериментально [1]. Экспериментальные свойства слоя Es определяются всеми методами зондирования.
Попытки создания модели слоя с использованием результатов экспериментальных измерений термосферного ветра описаны в [60,61], однако сложная структура ветра и факторы, ее порождающие, пока недостаточно изучены, и это затрудняет создание теоретической модели слоя Es, позволяющей решать прогностические задачи [3]. Считается, что слой Es образуется из-за множества факторов, неосновной является теория-ветрового сдвига [55,62-68], когда Es формируется в конвергирующем узле ветровой системы. Большая; часть экспериментальных данных сходится-; с выводами; теории ветрового сдвига, например, в: части горизонтальных и вертикальных размеров слоя Es. На полярных широтах для образования Es-слоя необходимо дополнительное воздействие электрического поля, высыпающихся частиц и наличия металлических ионов: Однако полного объяснения всех причин образования Es-не достигнуто;
Для объяснения некоторых особенностей слоя Es при зондировании KB радиоимпульсамитеориягветрового сдвига не достаточна; Яркой особенностью слоя-Es является полупрозрачность (см. рис. 1), изучавшаясямногими авторами.. На основе этих исследований выделено три основных механизма- в результате которых слой Es мог стать полупрозрачным: .
Самым простым объяснением полупрозрачности спорадического Е-слоя является:! облачная модель, котораясвязывает частоту экранирования (/bEs) и критическую частоту (foEs) с плазменными частотами фоновой ионизации и сгущений электронных плотностей, вложенных в нее. Такие облака с высокой электронной концентрацией наблюдались с помощью радара некогерентного рассеяния [11,69]. Сравнение: этих результатов с одновременными: наблюдениями на ионозонде позволило! установить, что= пространственное изменение пиковой плазменной частоты соответствовало диапазону полупрозрачности AJb=foEs-jbEs.
Второй возможный механизм объясняет полупрозрачность отражением или рассеянием на мелкомасштабных неоднородностях, встроенных в слой: В; этой модели частота экранирования определяется максимальной- плазменной частотой, и частичное отражение на более высоких частотах вызвано рассеянием от небольших неоднородностей внутри слоя. Для объяснения широкого диапазона полупрозрачности — это наиболее вероятный механизм (70). Третий возможный механизм, предложенный в работах [17-19/71-73], предполагает, что даже в отсутствие мелко- или крупномасштабных неоднородностей слой Es мог стать полупрозрачным (при наличии крутого градиента электронной концентрации) из-за взаимодействия магнитоионных компонент. Согласно этого механизма, прохождение через слой падающей обыкновенной волны (о-моды) имеет место через промежуточное распространение в виде второй необыкновенной волны с обыкновенной поляризацией (z-моды). В таком случае, диапазон полупрозрачности с шириной порядка половины гирочастоты электронов расположен ниже максимальной, плазменной частоты. В. пользу этой теории говорят измерения коэффициента отражения Es-слоя на высоких широтах [12]. На этих широтах взаимодействие мод будет существенным при близком направлении вертикального волнового вектора к конусу взаимодействия. Регулярная регистрация ионограмм позволяет изучать статистику различных характеристик спорадического Е. Дневные и сезонные вариации появления слоя Es с максимальными значениями JbEs и JiEs наибольшие летом [74,75]. В [76] описывается, 4To ffis возрастает или убывает после соответствующих изменений
Из статистического изучения слоя Es в [75] получено, чтоДЕэ соответствует плазменной частоте с максимальной электронной концентрацией слоя, a JbEs плазменной частоте наименьшего значения электронной концентрации. В [77], исходя из ракетных измерений, описывается, что JbEs в основном меньше максимальной плазменной частоты приблизительно на 10%, a_/tEs гораздо больше. Ряд авторов пытались использовать полупрозрачность для определения коэффициента прохождения. Так, в [78] описан эксперимент, в котором оцениваются, толщины Es-слоя. Этот метод требовал сравнения АЧХ Es- и F следов в диапазоне полупрозрачности слоя Es. Полученные амплитудные реализации были разделены на две главных группы: первая — где диапазон полупрозрачности был большим и амплитуда быстро изменялась с частотой зондирования, а вторая — с маленьким диапазоном полупрозрачности и с довольно медленными изменениями амплитуд отраженного сигнала с ростом частоты зондирования. Авторы полагали, что АЧХ следа Es является пропорциональной коэффициенту отражения, и АЧХ F-следа - пропорциональной квадрату коэффициента прохождения, исходя из того, что коэффициент отражения F-слоя не зависит от частоты зондирования. Сравнение экспериментальных и теоретических вариации коэффициентов отражения и прохождения позволило получить оценки толщины слоя Es со значениями 1—10 км. В работе использовалась система управления с быстрой частотной разверткой совместно с поляризационной антенной, необходимой для- согласованного- приема магнитоионных компонент.
В [71,72] описан численный метод для вычисления коэффициентов отражения и прохождения для тонких Es слоев-с учетом магнитного поля Земли.. Теоретические результаты для ряда форм и толщин слоя Es при различных геофизических условиях позволили определить свойства отражений от Es и F-областей длявертикально падающей волны и представлены следующим образом:
1) для очень, тонких слоев частотный диапазон полупрозрачности, больший чем Ун/2, ожидается в диапазоне частот от (f6Es-f\\l2) до foEs. Это свойство возникает из-за процесса взаимодействия мод.
2) для более толстых слоев (тонкие слои без взаимодействия мод) диапазон полупрозрачности уменьшится к маленькому диапазону частот около fdEs. Зависимость коэффициента отражения от частоты зондирования будет отличаться в случае, когда не учитываются магнитное поле Земли.
3) амплитуда отражений Es-слоя может быть глубоко промодулирована, но сохранится весьма большой, вплоть до /oEs.
4) для тонких взаимодействующих слоев амплитуда отраженного сигнала F-слоя всегда будет иметь начальный максимум в диапазоне полупрозрачности и затем быстро достигнет устойчивого значения, соответствующего коэффициенту прохождения непосредственно после предельной частоты.
Вариации действующей высоты отражения слоев ионосферы
Оценка точности заключалась в определении- действующей высоты отражения методом ММП на тестовых ионограммах с искусственными следами, которые создавались с помощью подачи тестового зондирующего импульса, задержанного относительно модулирующего («излученного»), на вход приемника Р-399. Тестовый импульс может быть задержан относительно модулирующего импульса передатчика в интервале 0-4 мс с шагом 27,7 не (или 4,165 м). Такой шаг по времени (высоте) с запасом превышает точность регистрирующей части комплекса. Тестовый импульс формируется с помощью КМОП-ключа (ADG721 - элемент DD13 на рис.11) на дополнительной плате. Созданный таким образом радиоимпульс подается на вход приемника.
В ходе эксперимента создавались два вида тестовых ионограмм, каждая из них составлялась 400 «излученными» тестовыми импульсами. Первая разновидность ионограмм (с горизонтальным искусственным следом) составлялась из радиоимпульсов с различными частотами заполнения, но с одинаковыми временами задержки и длительностью импульсов. Вторая разновидность (с наклонным искусственным следом) отличалась от первой, тем, что каждый последующий импульс был сдвинут относительно предыдущего на 0,1 км. Таким образом, общий рост высоты для одной тестовой ионограммы с наклонными следом составил 40 км [13].
Ионограммы, регистрируемые в реальных условиях,, имеют различные величины амплитуд отраженных сигналов, поэтому амплитуду тестовых сигналов, поступающих на вход приемника, изменяли с помощью аттенюатора, имеющего положения переключателя ослабления. В эксперименте использовались 4 фиксированных значения ослабления (только одно значение в ходе записи тестовой ионограммы): 20 дБ, 30 дБ, 40 дБ и 50 дБ. Для каждой ионограммы определялась величина отношения сигнал/шум: примерно равняется -10 мВ. Эти импульсы, зарегистрированные на входе АЦП, приведены на рис. 14 в. Высота отражения h (вычисленная по известным временам задержки импульсов), оценки действующих высот отражения методом ММП Иммп и по максимуму амплитуды огибающей радиоимпульса Ьми показаны на рис. 14 6 (для наглядности эти графики смещены друг относительно друга). Разности действующих высот отражения Ah=h-hMMn и Дп=п-Ьми приведены на рис. 14 г.
Для приведенной тестовой ионограммы со значением отношения сигнал/шум 28 дБ, значение точности определения действующих высот методом ММП равно -78 м. Результаты оценки точности для различных длительностей импульсов и вариантов подключения АЦП приведены в таблицах 1-4. Значение точности, определенное на всех тестовых ионограммах с различными отношениями сигнал/шум (приведенными в таблицах 1-4), составило -0,197 км, что примерно в три раза хуже теоретического предела (-70 м) для использованной аппаратуры.[8,9].
Выход второй ПЧ катрана является несимметричным. Использованное нами АЦП имеет возможность работы в режиме дифференциального входа, который предпочтителен для подавления синфазных помех. Поэтому нами доработана схема приемника так, чтобы создать дифференциальных выход. Как видно из табл. 1-4, в большинстве случаев при использовании дифференциального входа АЦП точность определения действующей высоты и величина отношения сигнал/шум выше, чем при использовании несимметричного входа АЦП. Таким образом, в экспериментах по оценке максимально достижимой точности новой системы управления ионозонда на сигналах, отраженных от слоя Es, выбран дифференциальный вход АЦП. отсчеты высоты
Результаты проверки точности для наклонной ионотраммы (дифференциальный вход АЦП, длительность импульса 70 мкс, положение переключателя ослабления 20 дБ): а) тестовая ионограмма; б) оценка действующей высоты отражения; в) последовательность импульсов, зарегистрированных на входе АЦП; г) разность действующих высот отражения (см. текст).
В [99] предложены методика определения высоты отражения с повышенной точностью и способ оценки точности высоты. В его основе лежит проверка кратности высот отражения от слоя Es. Чтобы воспользоваться данной методикой, необходимо выделить монограммы, содержащие следы Es и 2Es без свойств рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. Выделение ручным способом таких ионограмм из общего объема данных требует больших временных затрат, поэтому необходимо использовать новые формы представления долговременных последовательностей ионограмм. Так, для определения времени появления кратных отражений от Es-слоя была составлена Н-карта, отражающая длительные высотные вариации слоев ионосферы. Высотное расположение слоев Es отличается в различных географических регионах. Для выяснения интервала высот наиболее частого появления слоя Es в 1 главе описаны формы представления в виде НП- и HTF-карт [59,81], когда на координатную сетку высота-время наносится либо амплитуда, либо частота отражения. карта строится в два этапа: 1) каждая ионограмма разделяется на 4 фиксированных частотных диапазона протяженностью в 1-2 МГц (например: 1,5-3 МГц, 3-4 МГц, 4-5 МГц и 5-7 МГц); 2) из всех ионограмм целого дня измерений указанные диапазоны с одинаковыми частотами в последовательном порядке прикладываются друг к другу, образуя 4 НП-карты (одна из которых приведена на рис. 3) [59]. Для построения HTF-карт по ионограммам в соответствии с высотным расположением слоя ионосферы рассчитывают величины максимальных плазменных частот (используя только сигналы отражений о-моды). Далее, эти величины максимальных плазменных частот (которым задаются значения цветовой шкалы) наносят на координатную сетку высота-время. Таким образом, формируется карта в координатах высота-время-частота (см. рис. 4) [81].
В программном обеспечении ионозонда "Циклон" [100-103] для исследования, интенсивности слоев ионосферы используют высотные гистограммы (сумма амплитуд отражений вдоль оси частот). На рис. 15 а приведен пример ионограммы и высотной гистограммы двумя способами представления (первая традиционная - рис. 15 б и вторая на основе цветовой шкалы рис. 15 в). На этой ионограмме зарегистрированы отражения от слоя Es и 5 его повторных отражений, соответственно обозначенные на ионограмме. Видно, что чем выше кратность повторного отражения от слоя Es, тем меньше сумма амплитуд отраженных сигналов.
Последовательное объединение таких 3D гистограмм для всех ионограмм целого дня измерений (на основе цветовой шкалы) образует 3D-Kapiy вариаций действующих высот отражений от слоев ионосферы в координатах высота-время-амплитуда (далее для краткости Н-карта). Пример Н-карты для 7 января 2011 г. приведен на рис. 16. Такие карты построены примерно для 100 дней измерений (с минутной периодичностью регистрации ионограмм). Н-карты позволяют изучать как высотные вариации действующей высоты слоев ионосферы, так и множество других явлений, протекающих в ионосфере.
Квазипериодические биения на следах слоя-f
Несмотря на то, что такая ошибка укладывается в точность метода ММП, для. оценки разности высот отражений двух магнитоионных компонент лучше пользоваться частотными расстояниями между последовательными минимумами интерференционной картины. В таком случае нет нужды постулировать нижнюю высоту отражения (обыкновенной компоненты). Разница действующих высот отражения между о- и х-модами, соответствующая максимальному частотному расстоянию между минимумами в 0,3 МГц, вычисленная по формуле (5), равна -0,5 км. За 2010 г. найденные максимальные и минимальные частотные расстояния между минимумами имеют значения в -0,7 МГц и 0,03 МГц, исходя из формулы (5), этим значениям будут эквивалентны разности высот между о- и х-модами в -0,21 км и 5 км, соответственно. Максимальная точность определения разницы между действующими высотами отражения о- и х-мод сравнима с результатами, полученными в [99].
Все приведенные факты: о вариациях действующих высот следов Es, о связи границ биений с гирочастотой электронов и о закономерности частотного расстояния между последовательными минимумами АЧХ Es-слоя еще раз подтверждают верность вывода о причине биений на следах Es из-за интерференции о- и х-мод.
Обнаруженные нами биения о- и х-мод на следах Es наблюдались ранее на следах F-слоя и получили название поляризационный фединг [4-7]. Эти поляризационные биения исследовались на следах слоя F в. ряде экспериментов, которые проводились сектором ионосферы АН Казахской ССР в 1970-1980 гг.
Наблюдения поляризационного фединга на следах слоя F на большом частотном интервале возможны лишь ограниченное время. Поэтому в [4-7] эксперименты- проводились, в основном, в светлое время суток, т.к. ночью, а иногда и днем, при отчетливо развитых слоях F1 и F2 пересечение о- и х-следов происходит более круто, что сужает протяженность диапазона биений этих следов 101 до 0,1-0,2 МГц. Обычно частотная протяженность диапазона биений в зависимости от вида ионограммы варьировалась от 0,3 до 1,5 МГц.
Даже в тех случаях, когда частотная протяженность диапазона биений меньше 1,5 МГц, особенностью биений на F-следах является наличие двух участков с разными свойствами АЧХ симметричных относительно точки нулевых биений/ (/ - частота зондирования, на которой разность действующих высот о-и х-мод стремится к нулю) [5,6]. На первом участке частотное расстояние между минимумами увеличивается, на втором — это расстояние уменьшается. Примеры таких АЧХ с биениями (интерферограмма, в терминологии авторов) слоя F приведены на рис 27. На рис. 27 вертикальными стрелками отмечена точка нулевых биений, до этой точки частотное расстояние между последовательными минимумами увеличивается, а после уменьшается. Такой вид интерферограммы объясняется поведением действующих высот отражения о- и х-мод, т.е. ДО ТОЧКИ нулевых биений на ионограмме х-след F2 располагается выше о-следа F2 и с ростом частоты зондирования эти два следа постепенно приближаются друг к / другу (до точки нулевых биений). После точки нулевых биений о-след располагается выше х-следа, и эти следы расходятся по высоте с увеличением частоты зондирования.
С помощью интерферограмм по формуле (5) авторы определяли разность между действующими высотами отражения о- и х-мод слояР2. Также связывали частотный дрейф точки нулевых биений одновременно и с вариациями критической частоты слоя F2, и с изменениями Ме(п)-профиля слоя F2 (связанного с прохождениями ПИВ), а также с изменениями концентрации Е-слоя.
В [7] проводились эксперименты в режиме работы ионозонда на нескольких фиксированных частотах. Устойчивые временные сдвиги между точками нулевых биений, полученные одновременно с разных высот области ионосферы, наблюдаются при вариациях от десятков килогерц до 1-2 МГц. Максимальный временной сдвиг определялся величиной временного участка, на котором о- и х-компоненты отраженной радиоволны не разделены по Примеры поляризационных интерферограмм, полученных при вертикальном зондировании Р2-области, рассматриваемых в работе [6]. групповой задержке (т.е. перекрываются). К сожалению, применение такого способа определения разности высот сильно ограничено из-за редкости появления подходящих для измерения следов слоя F. В этой работе из проведенных примерно за один год 335 сеансов исследований пригодных к обработке оказалось лишь 25%. Остальные записи были исключены из-за помех, либо ввиду отсутствия отчетливо выраженных "нулевых биений" или из-за хаотического характера фединга.
Полагая, что по изменениям / можно изучить свойства мелкомасштабных ПИВ, в [5,7] исследовали высотные и частотные вариации/ с точностью достижимой с помощью интерферограммы -200-300 м. Суточные изменения частоты J (в частности, предполуденный рост) сильно связаны с суточным ходом ионизации. Значительное уменьшение частоты J в ночное время в большей степени обусловлено резким уменьшением ионизации Е-слоя, ответственной за создание дополнительного группового запаздывания сигналов, отраженных от F-области, а также изменением геометрии Ме(п)-профиля самой области. Это приводит к тому, что точка пересечения следов о- и х-компонент на ионограмме происходит более круто, чем в дневное время, что сужает диапазон частот, на котором могут наблюдаться интерференционные биения [5,7].
Такие биения на следах слоя F2 найдены и на нашем ионозонде «Циклон» с помощью А-карты для следов F2 (рис. 28). Для наглядного представления дрейфа точки нулевых биений на рис. 29 приведен график, полученный с помощью вейвлет-фильтрации А-карты, изображенной на рис. 28. На рис. 28 черными стрелками отмечены/xF2 и/ЬЕ, а белыми на обоих рисунках показаны вариации точки нулевых биений / . Заметно схожее поведение дрейфа точки нулевых биений с изменениями-критической частоты слоя F2, а «раздвоение» _/ на некоторых частотах связано с расщеплением слоя F на слои F1 и F2.
Пример ионограммы с протяженным диапазоном, биений на следе слоя F2 (A/beatF2«l,6 МГц) показан на рис. 30 а и АЧХ следа F2 на рис. 30 б. ЧастотыyminbF2 n/maxbF2 отмечены вертикальными стрелками.
Принимая во внимание то, что дополнительное групповое запаздывание радиоволн в F-области вызывается Е-слоем, во всех перечисленных случаях в [5] рекомендуется учитывать суточные вариации Ые(п)-профиля за период регистрации (период волнообразного возмущения). Наблюдение за наличием и перемещением J может явиться одним из немногих источников информации о величине остаточной ионизации Е-слоя в ночное время.
