Исследование искажений ЛЧМ-сигналов в окрестности критических частот ионосферной плазмы

РАДИОФИЗИКА И РАДИОТЕХНИКА

34

УДК 550.388.2

В. Е. Захаров, Д. С. Котова

ИССЛЕДОВАНИЕ ИСКАЖЕНИЙ ЛЧМ-СИГНАЛОВ В ОКРЕСТНОСТИ КРИТИЧЕСКИХ ЧАСТОТ ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ

Проведены численные эксперименты по исследованию дисперсионных искажений при распространении ЛЧМ-импульсов в ионосфере с учетом трехмерной неоднородности, анизотропии и дисперсии среды распространения, а также зависимости параметров ионосферы и нейтральной атмосферы от геофизических условий. Проанализированы распространение, поглощение и групповое запаздывание для обыкновенной и необыкновенной волновых мод.

Numerical experiments are performed to investigate the dispersion distortions of chirp pulses propagating in the ionosphere with taking the three-dimensional non-uniformity, anisotropy, and dispersion of ionosphere in dependence on geophysical conditions into account. Propagation, absorption, and the time delay of ordinary and nonordinary waves are analased.

Ключевые слова: ЛЧМ-импульс, дисперсионные искажения, неоднородная анизотропная ионосфера, волновой пакет.

Key word: LFM pulse, dispersion distortion, inhomogeneous anisotropic ionosphere, the wave packet.

Экспериментальное и теоретическое исследование дисперсионных искажений широкополосных сигналов при распространении в ионосфере — актуальная задача [1]. Так, цифровые ЛЧМ-ионозонды широко применяются для радиофизической диагностики ионосферы и каналов КВ-связи [2]. Отмечено, что дисперсионное расплывание сигналов усиливается на частотах, близких к критической частоте плазмы. Развитие пространственно-временной геометрической оптики и теории дифракции позволило проанализировать особенности временных искажений широкополосных сигналов [3]. Моделирование распространения радиоимпульса с произвольной начальной огибающей в холодной плазме проведено в работе [4]. Современные подходы к исследованию и моделированию стохастических ионосферных ВЧ радиоканалов представлены в статье [5]. В частности, развита теория радиозондирования стохастических ВЧ-каналов сложными радиосигналами. Разработана численная модель распространения ЛЧМ-импульсов в ионосфере с учетом трехмерной неоднородности, анизотропии и диспер-

© Захаров В. Е., Котова Д. С., 2013

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2013. Вып. 4. С. 34-38.

сии среды распространения, а также зависимости параметров ионосферы и нейтральной атмосферы от геофизических условий [6].

Целью данной работы является анализ дисперсионных искажений ЛЧМ-импульсов в трехмерно неоднородной анизотропной ионосфере посредством численных экспериментов на основе модели [6].

На рисунке 1—4 представлены некоторые результаты проведенных численных расчетов для условий летнего солнцестояния при высокой солнечной активности (Р1о,7 = 150). Выбрана гипотетическая среднеширотная передающая станция на поверхности Земли с географическими координатами (50 и 290°). Приняты обозначения: а и в — угол места и азимут излучения передающей антенны соответственно. На рисунках 1 и 2 а = 90°, р = 90°, а на рисунках 3 и 4 а = 30°, р = 90° . Результаты расчетов на рисунках 1 и 2 получены для мирового времени иТ = 16,65 ч, а на рисунках 3 и 4 — для иТ = 4,65 ч, на рисунках 1 и 3 — для обыкновенной волновой моды, а рисунках 2 и 4 — для необыкновенной волновой моды. Для передающей антенны во всех случаях рассматривается излучение ЛЧМ-импульса

і (і) = 0, і < 0, і >ти, и(і) = Аехр| ])(со0 + /лі)сСі 1,0 < і <гг

где А — амплитуда импульса; ти — длительность импульса с началом в момент t = 0; а>0 и /и — параметры частотной модуляции.

Рис. 1. Результаты численных расчетов зависимостей величин Ь, к, эпр и с/¥гр от э для волновых пакетов обыкновенной волновой моды со средними частотами 3,18 (кривые с маркером ), 6,06 (кривые с маркером ), 6,42 (кривые с маркером •) и 11,82 МГц (кривые с маркером +) в составе ЛЧМ-импульса при вертикальном зондировании ионосферы в дневных условиях

35

Излучение ЛЧМ-импульса рассматривается как излучение непрерывной последовательности волновых пакетов с длительностью Ді у каждого из них. На длительности ЛЧМ-импульса содержится целое число N = ти /Ді интервалов дискретизации. Волновой пакет с номером і, где £ = 0,1,..., N -1, имеет центральную частоту соі+у2 = о + Л (і + іг+і V2, где і-і = і Ді. Пусть к — относительное изменение функции частотной модуляции на длительности ЛЧМ-импульса, к = лт:и10 . Если заданы (о0 = 6ж  106 1/с, к = 3, ти = 10~4 с и Ді = 4 • 10-6 с, то ЛЧМ-импульс порождает излучение N = Ти /Ді = 25 волновых пакетов.

0

36

О 300 ЕОО 900 1200 0 300 600 900 1200

5, КМ 5. КМ

Рис. 2. То же, что и на рисунке 1, но для необыкновенной волновой моды и волновых пакетов со средними частотами 3,18 МГц

Рис. 3. То же, что и на рисунке 1, но для волновых пакетов со средними частотами 3,18 МГц (кривые с маркером ), 8,58 МГц (кривые с маркером ),

8,94 МГц (кривые с маркером •) и 11,82 МГц (кривые с маркером +) при наклонном зондировании ионосферы в ночных условиях

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 50[) 1000 1600 2ОО0 2500 3000

ш э. км

Рис. 4. То же, что и на рисунке 3, но для необыкновенной волновой моды и волновых пакетов со средними частотами 3,18 МГц

СЛ/ТР

На рисунках 1 — 4 слева представлены графики эффективных лучевых траекторий выделенных волновых пакетов, где в координатах — геометрическая длина 5, км; вдоль лучевой траектории — высота к, км над поверхностью Земли (по основной оси ординат). Там же показаны графики дифференциального поглощения к, дБ/км, применительно к амплитудам прямоугольных огибающих тех же пакетов с использованием вспомогательной оси ординат. Искажением формы отдельных волновых пакетов и дисперсионным расщеплением лучевых траекторий их гармонических составляющих пре-небрегается. На рисунках 1—4 справа по оси абсцисс отложена та же величина, что и слева. В каждом случае по основной оси ординат отложены значения приведенной длины з пр вдоль той же траектории,

а по вспомогательной оси ординат — отношение с!угр скорости света к групповой скорости волнового пакета. Текущее значение приведенной длины з пр = ^гр, где tгр — время группового запаздывания

каждого волнового пакета от точки излучения до текущей точки на лучевой траектории.

В выбранных условиях критическая частота слоя Б2 ионосферы находится в полосе частот спектра заданного ЛЧМ-импульса.

В каждом случае графики представлены для четырех волновых пакетов из состава ЛЧМ-импульса — с граничными средними частотами из всего спектра, а также с наиболее низкой средней частотой волнового пакета, проходящего сквозь ионосферу, и с наиболее высокой средней частотой пакета, еще отражающегося от ионосферы. Из-за дисперсии плазмы ионосферы волновые пакеты с разными несущими частотами не только имеют различные групповые скорости, но и распространяются вдоль различных лучевых траекторий. При эффективной длительности Дt каждого волнового пакета его длина Да изменяется при распространении в неоднородной ионосфере вдоль соответствующей лучевой траектории, причем для слабонеоднородной среды Да « угр А .

Отношение с/Угр > 1 для выделенного волнового пакета возрастает при погружении в ионосферу вместе с уменьшением вещественной части показателя преломления ионосферной плазмы п1 и ростом интенсивности поглощения пакета. Рост дисперсионных искажений пакета проявляется в его сильном расплывании. В конце концов понятие групповой скорости теряет смысл. Некорректные значения групповой скорости (с/Угр < 1) в расчетах возможны в областях

ионосферы, где п1 < 0,3. Такой эффект характерен для обыкновенной волновой моды, особенно в условиях применимости приближения геометрической оптики. Возникает необходимость коррекции модельного описания распространения волновых пакетов по сравнению с использованным выше. Коррекцию можно провести, например, на основе спектрального подхода.

38

Модель [6] применима для исследования искажений ЛЧМ-им-пульсов, излучаемых передающей антенной в одном и том же направлении, как при распространении в ионосфере, так и при многолучевом приеме с учетом конечности ширины диаграмм направленности этих антенн. Подход к динамическому представлению сложного сигнала последовательностью цугов колебаний — узкополосных процессов для последующего исследования распространения волновых пакетов можно применить не только для ЛЧМ-сигналов, но и для других типов сложных сигналов, например фазоманипули-рованных.

Список литературы

1. Анютин А. П., Крюковский А. С., Лукин Д. С. и др. Дисперсионные искажения широкополосных сигналов при распространении в ионосфере. Теория и эксперимент // Сборник докладов XXIII Всерос. науч. конф. по распространению радиоволн. Йошкар-Ола, 2011. Т. 1. С. 31—38.

2. Иванов В. А., Иванов Д. В., Рябова Н. В. Развитие радиофизических методов диагностики ионосферы и каналов КВ-связи с использованием цифрового ЛЧМ-ионозонда // Там же. С. 20 — 30.

3. Анютин А. П. Пространственно-временная геометрическая теория дифракции сигналов в диспергирующей среде и ее некоторые обобщения // Электромагнитные волны и электронные системы. 2007. Т. 12. № 9. С. 26 — 38.

4. Стрелков Г. М. Сложный радиосигнал в ионосферной плазме // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53, вып. 9. С. 1094—1103.

5. Зернов Н. Н., Герм В. Э., Заалов Н. Ю. и др. Ионосферный стохастический ВЧ-радиоканал: теория, моделирование, эксперимент // Сборник докладов XXIII Всероссийской научной конференции по распространению радиоволн. Йошкар-Ола, 2011. Т. 1. С. 85—98.

6. Захаров В. Е., Котова Д. С. Модель распространения ЛЧМ-импульсов в ионосфере // Распространение радиоволн : сб. науч. тр. XVIII регион. конф. СПб., 2012. С. 57—60.

Об авторах

Вениамин Ефимович Захаров — д-р физ.-мат. наук, проф., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: vezakharov@kantiana.ru

Дарья Сергеевна Котова — асп., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: Darshu@yandex.ru

About authors

Dr Veniamin Zakharov — prof., I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: vezakharov@kantiana.ru

Darja Kotova — PhD student, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: Darshu@yandex.ru