Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор современных радаров HP и методик их модернизации
1.1. Мировая сеть радаров HP 11
1.2. Отличительные черты современных радаров HP 13
1.3. Методы модернизации действующих радаров HP 16
1.4. Системы регистрации современных радаров HP 21
1.5. Выводы 23
Глава 2. Формулировка задач по модернизации ИРНР и реализация аппаратной части нового УПРК
2.1. Общие характеристики Иркутского радара HP 25
2.1.1. Антенная система ИРНР 25
2.1.2. Задачи модернизации ИРНР 28
2.2. Приемное устройство 30
2.3. Система синхронизации и формирования рабочих частот 31
2.3.1. Формирователь синхросигналов 32
2.3.2. Программируемый блок 38
2.4. Система фазирования 42
2.5. Система регистрации формы излученного импульса 43
2.6. Устройство регистрации сигналов и управления радаром 44
2.7. Распределенная вычислительная система вторичной обработки данных 46
2.8. Выводы 46
Глава 3. Режимы работы, регистрация и обработка данных в новом УПРК
3.1. Требования к регистрирующему комплексу 47
3.2. Выбор способа регистрации сигналов 47
3.3. Получение полной формы принимаемого сигнала 49
3.4. Регистрация сигнала в новом УПРК 54
3.5. Временная развертка тактов излучение-прием 59
3.6. Формат файлов данных 61
3.7. Функционирование комплекса 64
3.8. Режимы работы ИРНР 65
3.8.1. Регулярные ионосферные наблюдения з
3.8.2. Наблюдения космических объектов 66
3.9. Пример запуска УПРК для проведения стандартного эксперимента 70
3.10. Выводы 73
Глава 4. Описание диагностических возможностей ИРНР с использованием нового УПРК
4.1. Обзор возможностей нового УПРК и полученных результатов 74
4.1.1. Формирование диаграммы направленности антенной системы 74
4.1.2. Определение параметров ионосферной плазмы 75
4.1.3. Регистрация аномально мощных сигналов КЭ 78
4.1.4. Фазоразностные характеристики 81
4.1.5. Наблюдение космических объектов 85
4.2. Исследование пространственно - временных характеристик ПИВ 89
4.2.1. Геометрия эксперимента и описание инструментов 91
4.2.2. Выделение возмущений 93
4.2.3. Метод определения характеристик распространения ПИВ 95
4.2.4. Результаты анализа экспериментальных данных 98
4.3. Выводы 102
Заключение 104
Литература
- Методы модернизации действующих радаров HP
- Система синхронизации и формирования рабочих частот
- Регистрация сигнала в новом УПРК
- Регистрация аномально мощных сигналов КЭ
Введение к работе
Актуальность темы
В современных исследованиях верхняя атмосфера рассматривается как часть единой системы Солнце-Земля и играет ключевую роль в процессах взаимодействия ионизованной и нейтральной газовых оболочек Земли. С одной стороны, эти процессы определяются солнечным излучением и плазменными механизмами преобразования энергии и передачи импульса в цепочке солнечный ветер-магнитосфера-ионосфера-термосфера. С другой стороны, энергетика, структура и динамика верхней атмосферы определяются также воздействием планетарных и приливных колебаний, внутренних гравитационных волн и турбулентных процессов, генерируемых в нижележащих слоях нейтральной атмосферы. Изучение процессов в верхней атмосфере, оказывающих существенное влияние на техносферу и биосферу Земли, составляет актуальную проблему солнечно-земной физики. Исследования неоднородной структуры и динамики атмосферы требуют применения современных диагностических средств, самыми информативными из которых являются радары некогерентного рассеяния (РНР).
РНР используются в ионосферных исследованиях в течение уже более четырех десятилетий [1], при этом они до сих пор остаются наиболее совершенными наземными средствами диагностики верхней атмосферы, так как позволяют получать в диапазоне высот 90-1000 км, с высоким дистанционно-временным разрешением (до единиц километров и десятков секунд), пространственно-временные распределения сразу нескольких параметров ионосферной плазмы (электронную концентрацию, температуры электронов и ионов, скорость дрейфа и др.) [2]. Информация, полученная с помощью РНР, послужила основой для разработки и совершенствования глобальных и региональных моделей верхней атмосферы [3]; позволила изучить пространственные характеристики и динамику в зависимости от геомагнитной активности таких крупномасштабных геофизических явлений, как главный ионосферный провал и экваториальная аномалия [4]; инициировала исследования высотной структуры перемещающихся ионосферных неоднородностей с определением их физической природы и возможных источников [5] и характеристик среднеширотных когерентных эхо [6]. В последние годы некоторые РНР привлекаются для исследований эффектов воздействия верхней атмосферы на динамику полета и состояние низкоорбитальных космических аппаратов (КА) и крупных фрагментов «космического мусора» [7]. Определяющую роль играют РНР и в диагностике результатов экспериментов по искусственным воздействиям на ионосферу, проводимых на мощных нагревных установках [8J.
Мировая сеть радаров HP насчитывает 10 таких уникальных инструментов. Все радары HP различаются по своей конструкции, географическому положению, типу антенной системы, частотному диапазону, излучаемой мощности, способам получения, обработки и хранения данных. При этом на всех радарах в мире ведется постоянная модернизация, которая позволяет им находится на переднем фронте в исследованиях верхней атмосферы и расширяет их диагностические возможности.
Внедрение современных систем приема, регистрации и обработки сигналов, увеличение каналов поступления информации с существующих антенных устройств, расширение возможностей систем управления и формирования сложных
сигналов, применение технологий долговременного хранения огромных объемов первичной информации - все это производится на действующих радарах HP, созданных десятки лет назад, помогает более полно задействовать весь потенциал этих сложных и дорогостоящих установок [9].
Цель работы
Целью настоящей работы являлось расширение диагностических возможностей Иркутского радара HP (ИРНР) путем создания нового управляющего и приемно-регистрирующего комплекса, позволяющего наиболее эффективно использовать конструктивные особенности радара для исследования ионосферы и окружающего космического пространства.
Основные задачи, которые были решены в рамках этой работы:
расширение динамического диапазона приемно-регистрирующего тракта ИРНР для одновременного измерения без амплитудных искажений мощных сигналов от космических аппаратов (КА) или когерентного эха (КЭ) на фоне слабых сигналов некогерентного рассеяния;
управление формой диаграммы направленности (ДН) радара и проведение интерферометрических измерений;
автоматическое определение наличия на радиолокационной развертке когерентных сигналов с возможностью принятия автоматического решения об изменении режима работы;
повышение пространственного разрешения и расширения высотного диапазона ионосферных измерений путем использования оптимальных зондирующих сигналов и устранения с радиолокационной развертки сигналов от объектов местности («местник»);
регистрация на электронных носителях полного объема первичной информации зондирования для обеспечения выбора способа вторичной обработки, адекватного меняющимся задачам и природным условиям.
Научная новизна
Впервые в России разработан и внедрен аппаратно-программный приемно-регистрирующий и управляющий комплекс для уникального научного инструмента — Иркутского радара некогерентного рассеяния (ИРНР).
Разработан метод исследования пространственно-временной структуры и характеристик распространения перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) с помощью спектрального и кросс-корреляционного анализа возмущения профилей электронной концентрации, полученных на ИРНР и ионозонде вертикального зондирования.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена использованием физически обоснованных методов, проверенных численным моделированием, а также сопоставлением с данными иркутского цифрового ионозонда DPS-4 и результатами наблюдений, проводимых на аналогичных зарубежных радарах некогерентного рассеяния.
Практическая ценность работы состоит в создании совершенно нового аппаратно-программного комплекса для регистрации и управления ИРНР, что позволило существенно расширить его диагностические возможности и наиболее эффективно использовать весь потенциал этого уникального инструмента для проведения разнообразнейших экспериментов по исследованию ионосферы и обнаружению космических объектов.
Личный вклад автора
Решение задач, поставленных и выполненных в диссертации, получено автором лично или при его определяющем участии. Автор лично участвовал в разработке методик и проведении экспериментов, анализе экспериментальных данных. Автор является основным разработчиком программ регистрации, управления и первичной обработки сигналов на ИРНР.
Апробация работы
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: XX Всероссийская конференция по распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002); Всероссийская конференция «Дистанционное зондирование поверхности Земли и атмосферы» (Иркутск, 2003); Байкальская международная научная школа по фундаментальной физике (Иркутск, 2004-2006 XV Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Красноярск, 2008); XXII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (пос. Лоо, Краснодарский край, 2008); XVI Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 2009); XI Конференция молодых ученых «Гелио- и геофизические исследования» (Иркутск, 2009); 6th US-Russian Space Surveillance Workshop (Санкт-Петербург, 2005); Зб* COSPAR Scientific Assembly (Пекин, 2006); International Helio-physical Year Symposium (Звенигород, 2007); 37th COSPAR Scientific Assembly (Монреаль, 2008); PIERS-2009 in Moscow. Progress in Electromagnetics Research Symposium (Москва, 2009); 14* International EISCAT Workshop (Troms0, Norway 2009).
Положения, выносимые на защиту:
Цифровой, многоканальный, управляющий и приемно-регистрирующий комплекс, расширяющий диагностические возможности ИРНР в исследованиях пространственно-неоднородной структуры ионосферы, при проведении радиолокационных наблюдений и регистрации сигналов от космических объектов.
Новый метод исследования пространственно-временных перемещающихся ионосферных неоднородностей (ПИВ), использующий расширенные диагностические возможности ИРНР.
Струїсгура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав (основного материала), заключения и списка цитируемой литературы; общий объем - 112 страниц.
Методы модернизации действующих радаров HP
Радар Sondrestrom расположен в Гренландии, его уникальность заключается в расположении на краю полярной шапки, и возможностях настройки его антенной системы, которая позволяет создавать большое количество различных пространственных конфигураций для проведения разнообразных экспериментов. Относительно небольшая чаша антенны может быть быстро перемещена по азимуту и углу места, что делает этот инструмент идеальным для наблюдения меняющихся пространственно-временных характеристик высокоши-ротной ионосферы.
Европейские радары некогерентного рассеяния (European Incoherent Scatter radars — EISCAT) состоят из нескольких различных систем. Радар дециметрового диапазона (EISCAT UHF, Л 0,3 і ) включает в себя три системы — приемно-передающий комплекс в Тромсё (Норвегия), и дополнительные приемные комплексы в Kiruna (Швеция) и Sodankyla (Финляндия). Антенные системы каждого комплекса полностью управляемы, и в целом, такая триста-тическая конфигурация позволяет измерять полный вектор скорости перемещения ионосферной плазмы. В Тромсё также есть радар метрового диапазона (EISCAT VHF, X «1,3 і ) с антенной, состоящей из четырех управляемых, цилиндрических, параболических секций. Система EISCAT включает в себя и радар ESR (EISCAT Svalbard Radar) находящийся на О.Шпицберген. Сначала ESR был построен с управляемой параболической антенной, но в 1999 г. к нему была добавлена вторая, неподвижная, 42 м в диаметре, параболическая антенна. Вместе со всеми вспомогательными инструментами, находящимися в скандинавских странах, система EISCAT обеспечивает измерение всего диапазона ионосферных и атмосферных свойств во всей авроральной зоне. Также, для проведения экспериментов по искусственной модификации ионосферной плазмы используется возможность высокочастотного нагревного стенда в Тромсё. Второй такой стенд, названный SPEAR (Space Plasma Exploration by Active Radar), строится возле радара ESR [26]. Радар в Миллстоун Хилл является частью обсерватории в Хайстек, которая проводит исследования и в области ионосферной и термосферной физики, а также и в радиоастрономии. На радаре HP Миллстоун Хилл используется две антенны: подвижная, управляемая чаша диаметром 42,6 м и неподвижная «чаша направленная в зенит, с диаметром 68 м.
Радар в Харькове имеет в своем составе крупнейшую в Европе, двухзеркальную параболическую антенну зенитного излучения (/"=158 МГц) диаметром 100 м. Диаграмма направленности антенны расположена вертикально, ширина луча 1. Имеется 2 передающих устройства с импульсной мощностью до 3,6 МВт, высокостабильное чувствительное приемное устройство и специализированная система контроля. Радиоприемное устройство представляет собой супергетеродинный приемник с тройным преобразованием частоты, в котором производится перенос спектра принятого сигнала с рабочей частоты в область низких частот для последующей цифровой обработки. Выходной тракт приемника содержит два квадратурных канала, выполненных на синхронных детекторах и 5 фильтрах низких частот. Сигнал с выходов квадратурных каналов приемника поступает на программируемый коррелятор [27].
Уникальность радара HP расположенного в Аресибо (Пуэрто-Рико) — его антенна, чаша, диаметром в 300 м, которая делает его самым чувствительным радаром в мире. Хотя он имеет ограничения в возможностях настройки, недавняя модернизация системы облучения (в первую очередь для требований радиоастрономии) позволила ему работать в двух направлениях одновременно. При этом используется оригинальный фидер, применяемый при наблюдениях на частоте 430 МГц, и недавно установленный в волноводе делитель, что позволяет быстро коммутировать излучаемую мощность передатчика между двумя направлениями. Из-за своей высокой чувствительности, радар в Аресибо может использоваться для обнаружения тонких изменений в спектре HP, производимых различными ионными элемен 15 тами и нетермодинамическим равновесием. Также, этот радар может эффективно использовать короткие импульсы для наблюдения высотных профилей электронной концентрации [6].
Радар в Джикамарке единственный HP радар используемый для научных исследований, который расположен на магнитном экваторе. Вследствие своего местоположения, луч антенны может быть направлен перпендикулярно магнитному полю в широком диапазоне высот. При такой геометрии спектр HP-сигнала становится чрезвычайно узким, позволяя очень точно определять доплеровский сдвиг частоты. Однако, в таком режиме работы спектр HP сигнала не подходит для определения таких параметров, как электронная концентрация и ионная и электронная температуры. Для этих измерений антенна должна быть настроена в неперпендикулярное направление с помощью ручного изменения длин кабелей запитывающих ди-польный массив. Даже такая конфигурация представляет определенные сложности в получении ионосферных параметров. Только недавно появилась возможность получать электронные и ионные температуры, вследствие переформулировки теории РНР для ситуации, когда направление луча радара почти перпендикулярно магнитному полю [28,29]. Низкая рабочая частота, также позволяет проводить измерения электронной концентрации методом фарадеевских замираний. Эти измерения ранее обычно проводились в F-области, но позже, используя биста-тическую конфигурацию, стали выполняться в Е-области [30]. Недавно в Джикамарку был перемещен радар SOUSY [31], где он может быть использован совместно с основной антенной для измерения скоростей дрейфа вдоль луча в F-области, одновременно в двух направлениях.
Радар MU в Японии построен на твердотельных технологиях. Работая на частоте 46,5 МГц, этот радар в первую очередь используется для мезосферных, стратосферных и тропосферных наблюдений. Однако, он также используется и как HP-радар для изучения низкоширотных ионосферных процессов [6].
Система синхронизации и формирования рабочих частот
Этот субблок вырабатывает синхронизирующие импульсы и бланки для различных систем ИРНР, а также контролирует наличие внешнего сигнала ТкО и опорного генератора 5 МГц (рис.2.6). Входными сигналами для него являются: внешний ТкО, 5 МГц от опорного генератора, сигнал окончания счета программируемого таймера из программируемого блока и управление от регистра команд (РК). Выходные сигналы, которые формирует этот субблок, приведены на рисунке 2.7. Положение сигналов на временной оси показано относительно импульса ТкО и выражается в микросекундах (например «100» означает ТкО +100 мкс): «-80» — данный сигнал осуществляет переключение антенного коммутатора на излучение (поджнг разрядников) и сдвинут относительно ТкО на —80 мкс (рис.2.7б).
«Бланк приёмника» включается сигналом «-80» и выключается программно. Из-за аппаратных ограничений (для защиты приемных устройств от сбоев) выключение не может произойти раньше 2060 мкс. Так как имеется возможность программно управлять длительностью излучения, то необходимо управлять и длительностью бланка приёмника. Назначение бланка — защита входов приёмных устройств от перегрузок и выхода из строя во время излучения (рис.2.7а). «Синхрозапуск передатчиков» (включение анодного напряжения) осуществляется продублированными сигналами (рис.2.7д): - для первого режима излучения «0» и «4»; - для второго «960» и «964».
Бланки излучения управляют блоком коммутации, который исключает работу передатчиков в аварийных режимах, т.е. в случае, если происходит сбой системы формирования излучающего импульса. Эти бланки формируется программно, но на них аппаратно наложены ограничения минимума и максимума (рис.2.7в,г): - для первого режима излучения min=686, max=960 (рис.2.7в); - для второго min=1646, max=1942 (рис.2.7г). Сигналы «Старт» и «Стоп» (START/STOP) служат для управления синтезаторами радиочастот — запускают и останавливают их работу. Тем самым достигается постоянство фазы излучаемого импульса от реализации к реализации (рис.2.7ж). Сигналы системы фазирования (рис.2.7е): - бланк включения тест-генератора (начало «-300», конец «-80»); - сигналы запуска фазометра: «-160», «80», «250», «1040» и «1210».
Сигналы синтезаторов STEL1 и STEL2 (рис.2.7з,и) являются сигналами возбуждения передатчиков во время излучения и сигналами гетеродинов приемных устройств (ПИР) во время цикла приема. В первом режиме, частоты излучения формирует синтезатор STEL1 (fl, f2 и В), a STEL2 формирует частоту гетеродина для системы фазирования передатчиков — обычно для длинного импульса (частота 2). Во втором режиме наоборот — STEL2 формирует частоты излучения (fl, f2 и ІЗ), a STEL1 — частоту гетеродина системы фазирования. После окончания цикла изучения оба синтезатора переходят в режим формирования гетеродинных частот для приемных устройств. STEL1 формирует гетеродинную частоту для приема длинного импульса (f2, УП-сигнал), a STEL2 — для короткого импульса (f3, ШП-сигнал). Эти гетеродинные частоты формируются только для приема сигнала излученного в первом режиме излучения (рис.2.7з,и). Для приема сигналов излученных во втором режиме, используются отдельные синтезаторы STEL3 и STEL4.
Запуск регистрирующего оборудования — этот сигнал (на рисунке не показан) формируется с помощью отдельного, программируемого таймера, и подается на вход схемы синхронизации платы АЦП для обеспечения необходимой задержки запуска по времени, относительно сигнала ТкО. В измерениях HP эта задержка обычно равна 2200 мкс, а для наблюдений за КА задается исходя из задач эксперимента (файл целеуказаний). Эта задержка может быть сдвинута в любое место на временной оси одного такта зондирования ( 41 мс):
Система синхронизации также обеспечивает жесткую привязку фазы всех сигналов к единому опорному генератору 5 МГц с относительной нестабильностью 1,5 10"8. Рассмотрим далее способы привязки основных сигналов к этому опорному генератору. программная
Привязка внешнего импульса ТкО. Иркутский радар HP работает в сети военных станций наблюдения. В этой сети, для нормальной работы всех станций и исключения взаимных помех используется импульс ТкО следующий с частотой 24,4 Гц от станции единого времени. Для синхронной работы всех элементов ИРНР производится привязка переднего фронта внешнего сигнала синхронизации ТкО к опорному генератору (5 МГц), таким образом, формируется внутренний (используемый внутри комплекса ИРНР) импульс ТкО (рис.2.8).
Привязка внешнего ТкО к опорному тактовому сигналу 5 МГц. на следующим образом: на вход «D» D-триггера подается внешний синхросигнал ТкО, а на вход «С» поступает сигнал от опорного генератора, на выходе, соответственно, формируется внутренний сигнал ТкО, синхронный с опорным генератором. Имен но этот, внутренний ТкО используется в дальнейшем во всех устройствах и блоках ИРНР. Опорные 5МГц Внутренний запуск ТкО Привязка частот к опорным 5 МГц. Одной из основных задач при формировании гетеродинных частот в период приема отраженного сигнала, является сохранение фазы от цикла к циклу зондирования, во время экспериментов на ИРНР.
Регистрация сигнала в новом УПРК
Управление работой радара, регистрация сигналов и их первичная обработка осуществляются устройством на базе ЭВМ класса Pentium 4. Блок-схема ЭВМ регистрации и управления (ЭВМ РУ) приведена на рис.2.12. Сигналы от каждого приемного канала (2 широкополосных и 2 узкополосных канала) поступают на входы высокоскоростного, 4-х канального, 16-битного АЦП, входящего в состав PCI-платы Tornado ТРбх фирмы MicroLab Systems с быстродействующим цифровым сигнальным процессором (СП). Плата СП установлена в ЭВМ и имеет в своем составе: 32-х разрядный процессор TMS320C6701 с тактовой частотой 166 МГц, 16 Мбайт ОЗУ и дочернюю плату АЦП. Плата АЦП, в свою очередь, содержит
4 независимых 16-ти разрядных чипа АЦП AD7671 фирмы Analog Devices с тактовой частотой до 1 МГц и объемом внутреннего буфера 256К 16-битных слов. Соединяется плата АЦП с платой СП по внутренней, высокоскоростной, 16-ти разрядной, параллельной шине. Запуск АЦП производится внешним сигналом, формируемым блоком синхронизации и привязанным к ТкО с программно регулируемой задержкой, эта задержка задает дальность, с которой производится регистрация отраженного сигнала. Перед началом каждого цикла в регистры контроллера АЦП записывается требуемое количество отсчетов, соответствующих длительности временной развертки. Старт АЦП осуществляется по внешнему сигналу, отсчеты записываются во внутренний буфер АЦП. После достижения запрограммированного количества отсчетов, СП инициализирует цикл передачи накопленных данных из буфера АЦП прямо во внутреннюю память СП по каналу DMA. Пока новые данные передаются в память, СП обрабатывает данные, накопленные в предыдущем цикле. Такая методика, называемая "ping-pong", позволяет существенно повысить производительность всей системы, исключив время простоя СП в ожидании новых данных. Шаг между цифровыми отсчетами в квадратурах узкополосных каналов составляет 10 мкс, широкополосных — до 2 мкс. После первичной обработки сигналы каждого канала, в виде цифровых низкочастотных квадратурных компонент, поступают в локальную сеть вычислительного комплекса ИРНР для сохранения на файловом сервере и дальнейшей обработки [51].
Кроме этого, устройство осуществляет управление режимами работы радара с помощью специально разработанной интерфейсной платы и драйвера под ОС Windows. Программа управления задает такие параметры, как - длительность излучаемого импульса, - длительность строба для бланкирования сигнала на входе ВУП, - закон формирования сложных, фазоманипулированных сигналов, - частоты излучения передатчиков и гетеродинов приемника, а также осуществляет: - контроль параметров приемных каналов и работу устройства фазирования передатчиков, - визуальное отображение результатов регистрации и обработки. Всё ПО для управления и регистрации написано под ОС Windows с использованием средств разработки MS Visual Studio, пакета MS DDK и среды ТІ Code Composer Studio.
После предварительной обработки на ЭВМ РУ, полученные квадратурные компоненты сигнала сохраняются на дисковом массиве файлового сервера. При записи в дисковый массив, производится автоматическая сортировка данных. В разные файлы заппсываются чистые данные некогерентного рассеяния и радиолокационные развертки с когерентными сигналами и помехами. В дальнейшем обработка производится раздельно и параллельно: данные широкополосных каналов проходят согласованную обработку для вычисления и построения профиля мощности, а из данных узкополосных каналов вычисляются спектры и корреляционные матрицы. В то же время, файлы с когерентными сигналами анализируются на наличие в них сигналов от известных КА и не каталогизированных обломков. Все данные, за исключением радиолокационных разверток с высоким уровнем помех, регулярно переписываются на DVD-диски для архивации и длительного хранения.
Данная глава посвящена описанию структуры и принципам работы Иркутского радара HP, особенностям антенной системы и формируемой диаграммы направленности. В этой главе сформулированы задачи модернизации и методы их реализации в каждом блоке ИРНР. Главным образом дается описание аппаратной части модернизированного приемно-регистрирующего и управляющего комплекса ИРНР. Рассматриваются особенности системы синхронизации (описание используемых синхросигналов) и формирования рабочих частот (с описанием работы субблоков), многоканальных приемных устройств, привязка синхросигналов всех блоков к единому опорному генератору 5 МГц. В этой же главе показана блок-схема и основные принципы работы ЭВМ РУ, а также систем фазирования и регистрации излученных импульсов.
Многоканалъностъ. В процессе своей работы регистрирующий комплекс должен одновременно регистрировать и обрабатывать сигналы с 4-х приемных каналов, с возможностью расширения числа каналов до 8 (при задействовании южного терминала антенны, трактов А2 и В2). В предыдущем УПРК использовалось только 2 канала, которые позволяли регистрировать 2 сигнала: УП и ШП, которые в свою очередь, суммировались аналоговым сумматором непосредственно на выходе антенной системы. Такая система не позволяла проводить регистрацию сигналов с раздельных полурупоров антенны.
Широкий динамический диапазон как приемного тракта, так и системы регистрации, должен обеспечивать одновременное измерение, без искажений, мощных сигналов от КА, отражений от местных объектов («местник») и когерентного эхо на фоне слабых сигналов HP.
Регистрация аномально мощных сигналов КЭ
Особенностями этих механизмов возникновения является сильная ракурсная чувствительность — резкая зависимость мощности рассеянного сигнала от угла между лучом зрения и перпендикуляром к магнитному полю. Основная мощность рассеянного сигнала обычно приходит с малой (порядка нескольких градусов) области углов вблизи перпендикуляра к магнитному полю (см. рис.4.6). Вследствие геометрического расположения и строения Иркутского радара HP область, с которой принимаются сигналы КЭ, расположена к северу от радара в диапазоне дальностей порядка 500—1200км, причем наблюдение ведется нижними боковыми лепестками диаграммы направленности антенны, что вызывает дополнительное ослабление сигналов когерентного эхо на 10-11 порядков.
Сигналы КЭ обычно занимают широкий диапазон мощностей по отношению к мощности сигналов некогерентного рассеяния (от десятков до сотен децибел [63]) и обладают сильной временной динамикой, описанной например в [64]. На рисунке 2 показаны профили (рис.4.7а) и спектры (рис.4.7б) мощности отраженного сигнала во время геомагнитных бурь в разное время (сентябрь 1998 г и июль 2000 г). Эти результаты были получены с использованием- предыдущей версии приємно-регистрирующего комплекса, что наложило определенные ограничения на регистрацию таких аномальных сигналов. Так, вследствие малого динамического диапазона приемных устройств (использовался магистральный приемник Р-160, с реальным диапазоном 40 дБ), приходилось вручную переключать аттенюатор для наблюдения без искажений мощных сигналов КЭ, на рис.4.7а, на верхнем графике профиля мощности как раз виден этот процесс переключения (время между 17 и 18 часами). А регистрация одного антенного канала (оба полурупора антенны объединялись аналоговым сумматором на входе в приемник) не позволяла проводить в дальнейшем интерферометриче-скую обработку данных с целью получения динамических характеристик КЭ. В настоящее время на Иркутском радаре HP ведутся работы по получению временного сверхразрешения сигналов когерентного эхо — обработке отдельных реализаций сигнала без его предварительного усреднения [65], основным требованием для которых является линейность приемной системы в широком динамическом диапазоне.
Широкий динамический диапазон и линейность в этом диапазоне нового УПРК, а также многоканальность и возможность записи сырых данных позволяют проводить измерения КЭ на качественно новом уровне, что открывает широкие возможности при создании, в последующем, новых методик обработки и анализа таких явлений.
Одним из передовых методов изучения нижней, средней и верхней атмосферы является интерферометрический метод. Построение радиолокационных изображений нерегулярностей, на которых происходит когерентное рассеяние и изучение их динамики, обеспечивает лучшее понимание физических механизмов, ответственных за их образование [66, 67]. Некоторые элементы интерферометрических исследований могут быть проведены на ИРНР с вводом в эксплуатацию нового УПРК. В новом, многоканальном УПРК, благодаря возможности регистрации сигнала с раздельных полурупоров антенной системы, появилась возможность проведения фазоразностных исследований для определения угла между сигналами с двух полурупоров, при котором будет максимизироваться мощность суммарного сигнала в каждой реализации. Фазовый сдвиг между рупорами определяется из условия максимальной мощности суммы сигналов верхнего полурупора Ux и сдвинутого на искомую фазу нижнего рупора U2e"p: Х +С/ -япах (4.1) отсчі ты Решая ЭТОТ функционал относительно ср получим: tp = arctan f , (4.2) 2_,[( а2 + bxb2)] отсчеты где ах,Ьх цифровые отсчеты квадратурных компонент сигнала в единый момент времени регистрируемые с первого (верхнего) полурупора, а а2,Ь2 — со второго (нижнего) полурупора антенной системы [68]. По полученным значениям, в течении 5000 реализаций строится функция распределения разницы фаз между полурупорами. Эта величина характеризует с одной стороны влияние прохождения космических радиоисточников через ДН ИРНР, а с другой стороны определяет степень горизонтальной однородности ионосферы или свидетельствует о развитии неустойчивостей. Для построения этой функции обрабатывались данные двух узкополосных каналов на частоте 154500 кГц, что соответствует направлению около 10 от зенита. Пример таких функций, построенных в разные моменты времени (UT) 12 апреля 2009 г. на высотах 250—300 км, показан на рисунке 4.8. Так, на рис.4.8б видно уширение функции распределения разницы фаз, связанное с ионосферными неоднородно-стями различного масштаба, вызванных прохождением вечернего терминатора (16:30 UT). А на рис.4.8в представлена эта же функция во время прохождения космического радиоисточника «Лебедь-А» через ДН ИРНР (02:13 UT).
Из набора таких функций распределения строится суточная гистограмма, изображенная на рисунке 4.9. На рис.4.9а показаны результаты обработки измерений в НР-режиме 12 апреля 2009 г. Также, целые сутки (16 апреля 2009 г.) проводились пассивные измерения (без
излучения) космических радиоисточников, проходящих через ДН ИРНР, результаты этих наблюдений представлены на рисунке 4.96.
Нормированная функция распределения разницы фаз между полурупорами, в узкополосных каналах, в направлении -10 от зенита (частота 154500 кГц), время UT (часы) на разных режимах работы: а) 12 апреля 2009 г. — активный режим, б) 16 апреля 2009 г. — пассивные наблюдения.
На этом рисунке существует 2 участка с довольно быстрым изменением фазы: с 0 до 3 часов и с 7 до 10 часов UT, что соответствует прохождению двух радиоисточников: созвездия «Ле-бедь-А» и «Крабовидная туманность».
Поскольку в спокойной геомагнитной обстановке данный фазоразностный метод позволяет достаточно хорошо выделить перемещения космических радиоисточников, возможно использование этого метода при обработке мощных сигналов от когерентного эхо появ ляющихся во время геомагнитных бурь. 4.1.5. Наблюдение космических объектов.
Накопленные данные в режиме наблюдения за космическими объектами (КО) доступны в локальной сети ИРНР для других ЭВМ со специализированным ПО предназначенным для обработки спутниковой информации. В каждом временной развертке этих данных зондирования КО измеряются следующие характеристики: дальность до КО R, лучевая скорость VR, азимутальный угол є, угол места у и амплитуда отраженного сигнала. При достаточно высоком соотношении сигнал-шум (S/N 10) характерные средне-квадратичные отклонения измеряемых параметров следующие: для R - 100 м, для VR - 10 м/с, для є - 5 уг.мин., для у -1 уг.мин. Точность определения траекторных характеристик при первом наблюдении КО в секторе обзора ИРНР достаточна для определения параметров его орбиты и прогноза его движения на последующие половину суток. Для Иркутского РНР существует класс орбит, которые могут быть дополнительно уточнены в течение этого времени (рис.4.10а). Возможности ИРНР по обнаружению КО характеризует зависимость, приведенная на рис.4.106 [57].
