СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИОНОГРАММ
METHOD OF OBTAINING IONOGRAM

Изобретение относится к радиотехнике, электросвязи, радиолокации; может быть использовано в системах диагностики плазменных явлений в ионосфере Земли.
s
имп
имп
имп
Ионограммы получают при вертикальном (ВЗ), наклонном или возвратно наклонном зондировании ионосферы. Наиболее распространено ВЗ. При ВЗ ионосферы с помощью ионозондов регистрация ионограммы происходит за время около минуты. Ионограммы (дистанционно-частотные характеристики радиосигналов, отраженных от ионосферы при радиолокации ионосферы на частотах в диапазоне 0,3-20 МГц) дают сведения о высотном профиле электронной концентрации в ионосфере, которая рассматривается как квазистационарная среда с изменениями во времени порядка минуты и более. Способы получения ионограмм хорошо известны [1, 2, 3]. При ВЗ ближайший к поверхности Земли ионосферный E - слой, расположенный на высоте ~110 км, дает отраженный сигнал с задержкой ~700 мкс. Эта величина ограничивает длительность зондирующего сигнала τ, например, в обычных аналоговых ионозондах величина τ~50-100. В современных цифровых ионозондах для увеличения энергетического потенциала радиолокации применяют сложно манипулированные сигналы, например, в ионозонде DPS-4 [3] используется ФКМ сигнал с 16 элементным кодом Баркера, состоящий из элементов (импульсов) длительностью Δτ~33.33 мкс каждый с манипуляцией начальной фазой от импульса к импульсу; вся посылка имеет длительность τ=NΔτ=533.3, длительность свернутого сигнала по уровню 0,5 33,33 мкс, энергетический выигрыш при свертке составляет 32 дБ.
Прототипом для предлагаемого способа получения ионограмм может быть выбран наиболее полно описанный в литературе ионозонд типа «Базис» [1, 2]. В прототипе для получения ионограммы производят следующие основные операции:
имп
0
мин
макс
макс
мин
повт
1. Излучение зондирующего радиоимпульса. Длительность импульса τ (обычно около 100 мкс). Несущая радиочастота - f находится в диапазоне 0.1-40 МГц. Начальная частота зондирования - f (может выбираться от 0,1 до 1 МГц), конечная частота - f (10-40 МГц). Частотный диапазон зондирования Δf=f-f. Частота посылок импульсов f (обычно - 50 Гц).
0
2. Прием и регистрация отраженного от ионосферы радиосигнала на частоте зондирования f и измерение параметров отраженного сигнала (интенсивности, групповой задержки, углов прихода, поляризации, доплеровского сдвига частоты) в течение времени распространения от излучателя к приемнику.
0
0
3. Перестройка частоты излучаемого радиоимпульса передатчика и приемника на новую радиочастоту зондирования (f+δf) и проведение операций 1÷2 на новой частоте (f+δf), Здесь δf - частотный шаг перестройки, который обычно выбирают в пределах 10÷100 кГц. Частоты выбираются из заданной сетки фиксированных частот зондирования.
мин
макс
повт
4. Операцию 3 повторяют, начиная от начальной частоты f до конечной частоты зондирования f с полной переборкой частот зондирования за интервал времени ΔT. Частота повторения тактов зондирования f=1/ΔT.
При ВЗ рабочий диапазон частот зондирования обычно устанавливают в пределах от 1 до 15 Мгц. При равномерном шаге δf изменения частоты для перекрытия заданного частотного диапазона зондирования необходимо произвести излучение и прием сигналов на M частотах (M при этом равно Δf/δf).
повт
повт
повт
Максимальная групповая задержка однократно отраженного сигнала Δt находится в интервале 5÷7 мс, поэтому частоту посылок зондирующих импульсов f можно выбирать, например, равной 50 Гц (максимальная задержка Δt=20 мс), если положить f=100 Гц, то Δt=10 мс, при f=200 Гц получим Δt=5 мс.
Общее время регистрации ионограммы при однократном зондировании на каждой частоте определяется формулой
<mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>=</mo><mi>M</mi><mo>/</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
повт
повт
повт
В практике зондирования ионосферы количество используемых частот M обычно составляет 400. Тогда, например, при частоте повторения импульсов f=100 Гц минимальное время получения ионограммы по (1) будет ΔT=4 сек, при f=200 Гц минимальное время получения ионограммы составит ΔT=2 сек, а для стандартной частоты повторения у большинства ионозондов f=50 Гц и ΔT=8 сек.
В исследованиях ионосферных возмущений, связанных с быстрыми явлениями в ионосферной плазме, таких как, например, воздействие на ионосферу Земли солнечной вспышки, возникает необходимость регистрации процессов с характерным временем изменения ~1 сек и менее. Аналогичные времена развития имеют ионосферные эффекты магнитных бурь, а также эффекты искусственного возмущения ионосферы при нелинейном воздействии мощных радиоволн, которые развиваются в доли секунд. Особая ситуация возникает при ВЗ ионосферы сверху с борта ИСЗ, когда ионозонд перемещается по орбите со скоростью ~8 км/сек и ионограмма не может быть отнесена к географическим координатам с достаточной точностью.
Указанные причины делают важной для практики задачу регистрации ионограмм за период времени ΔT значительно меньше 1 секунды.
Решаемая техническая задача - получение ионограммы за интервал времени значительно меньше 1 секунды.
В предлагаемом способе получения ионограммы перечисленные в прототипе операции 1-4 модифицируются:
1. Первая операция (излучение радиоимпульса) в предлагаемом способе модифицируется следующим образом: на каждом такте зондирования предлагается излучать зондирующий радиоимпульс в виде пакета дискретно-частотного сигнала (ДЧС), представляющего собой последовательность из следующих непрерывно один за другим N радиоимпульсов (элементов) разной частоты, но одинаковой длительности Δτ. Частоты, составляющие пакет ДЧС, выбираются из заданной сетки фиксированных частот зондирования.
0
0
0
n
0
n
0
n
0
n
n
повт.
2. Вторая операция (прием отраженного сигнала на радиочастоте зондирования f) в предлагаемом способе модифицируется следующим образом: в каждом такте зондирования производится одновременный прием и измерение параметров отраженного радиосигнала независимо на каждой из N частот, составляющих пакет ДЧС. При равномерном распределении частот пакета ДЧС по частотному диапазону зондирования, частоты пакета ДЧС можно записать: f, f+Δf, f+2Δf, f+3Δf, … f+(N-1)Δf, где Δf=Δf/N. При этом параметры отраженного сигнала (интенсивность, углы прихода, поляризация, доплеровский сдвиг частоты), также как в прототипе, должны быть измерены в диапазоне задержек от 700 мкс до 1/f
0
0
n
0
n
0
n
0
n
3. Третья операция. Перестройка передатчика и каналов приемника на новый набор N частот нового пакета ДЧС. При равномерном распределении частот пакета ДЧС по частотному диапазону зондирования и одинаковой перестройке по частоте δf каждой составляющей нового пакета ДЧС, частоты нового пакета ДЧС можно записать: (f+δf), (f+δf)+Δf, (f+δf)+2Δf, (f+δf)+3Δf, … (f+δf)+NΔf. Затем операции 1 и 2 производятся для нового пакета ДЧС.
4. Четвертая операция. Операция 3 повторяется до полной переборки всех частот зондирования из заданной сетки фиксированных частот в пределах частотного диапазона зондирования Δf.
При использовании ДЧС время получения ионограммы определяется формулой
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>T</mi><mrow><mi>д</mi><mi>ч</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>M</mi><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mi>т</mi><mtext></mtext></mrow></msub><mi>N</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>/</mo><mi>N</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
повт
дчс
Из сопоставления формул (1) и (2) можно заключить, что при одинаковых режимных параметрах регистрации ионограмы (Δf, δf ,f, M) величина ΔT в N раз меньше времени ΔT, за которое стандартным способом получается аналогичная ионограмма.
Уменьшение времени получения ионограммы связано с тем, что фактически весь частотный диапазон ионограммы Δf предложено разбивать на N отдельных частотных поддиапазонов и одновременно производить зондирование в каждом из N поддиапазонов. При этом прием и измерение параметров осуществляют одновременно и независимо для каждой из N частот пакета ДЧС.
повт
Обычно на практике при ВЗ используют радиоимпульсы с длительностью не менее 50 мкс. Так как максимальная длительность импульса зондирования ионосферы не может быть больше чем 700 мкс, то и длительность пакета ДЧС должна быть меньше 700 мкс, a N число частотных элементов в пакете ДЧС ограничено числом не более 14. Число 14 - это максимально возможная на практике кратность уменьшения времени получения ионограммы при использовании предлагаемого способа. Например, для получения ионограммы ВЗ на 400 частотах при частоте посылок импульсов f=100 Гц минимально возможное время регистрации будет равно (4/14) сек., т.е. меньше чем 0,3 сек.
Предлагаемый способ иллюстрируется далее следующими графическими изображениями:
Фигура 1. Вид пакета ДЧС для случая N=5.
Фигура 2. Частотно-временная схема расположения сигналов при зондировании пакетом ДЧС.
Фигура 3. Функциональная блок-схема синтезатора передатчика для ДЧС с N=4.
Фигура 4. Функциональная блок-схема многоканального РПУ для приема и регистрации сигналов ДЧС.
имп
0
0
n
0
n
0
n
0
n
n
Из представленной на фиг.1 эпюры излучаемого пакета ДЧС видно, что в течение одного такта зондирования за время τ=ΔτN будет излучена широкополосная последовательность N импульсов на дискретных частотах. Например, при равномерном распределении отдельных элементов ДЧС по всему диапазону частот зондирования Δf, частоты ДЧС могут быть в виде ряда значений f, f+Δf, f+2Δf, f+3Δf, … f+(N-1)Δf, где Δf=Δf/N.
1
2
3
4
5
На фиг.2 показан график ионограммы для типичной дневной ионосферы, на фоне которой схематически иллюстрируется принцип получения ионограммы предложенным способом. Кривые "O"- и "X"- это «обыкновенная» и «необыкновенная» компоненты отраженных от ионосферы сигналов. Шкала слева - действующая высота, справа - шкала групповой задержки. В интервале задержек от 0 до 0,5 мсек показано положение зондирующих импульсов на рабочих частотах f, f, f, f, f (залитые прямоугольники). Прямоугольники на кривых линиях показывают положение отраженных импульсов.
повт
Положим, что частота повторения импульсов равна f=100 Гц и на каждом такте зондирования излучаются различные пакеты ДЧС с неповторяющимися частотными элементами.
Тогда общее число рабочих частот можно рассчитать по формуле
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mtext> </mtext><msub><mi>f</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>в</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
повт
дчс
Например, при N=5 и f=100 Гц ионограмма может быть получена за время ΔT=1 сек, при этом можно провести зондирование на 500 частотах.
имп
дчс
Если, например, длительность излучаемого пакета ДЧС увеличить до τ=600 мкс, и взять значение Δτ=60 мкс то число элементов ДЧС примет значение N=10, тогда общее число рабочих частот по (3) будет равно M=1000. Если число частот в пакетах ДЧС ограничить числом M=500, то ионограмму можно зарегистрировать согласно (2) за время ΔT=0,5 сек.
повт
дчс
На фиг.2 видно, что сигналы, формирующие ионограмму, не выходят за пределы групповой задержки 4 мсек, поэтому можно увеличить тактовую частоту до f=200 Гц (при этом диапазон дальности будет равен 750 км). Тогда при общем числе рабочих частот M=500 и однократном сканирование по этим частотам ионограмма будет получена за время ΔT=0,25 сек.
Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на примере, основанном на реконструкции ионосферного комплекса «Базис-2». При неизменном широкополосном передатчике комплекса необходимо модернизировать синтезатор когерентных сигналов для передатчика комплекса, чтобы он мог излучать пакеты ДЧС. Необходимо заменить систему управления и создать многоканальную радиоприемную систему.
0
За основу синтезатора сигналов ДЧС берем принцип работы многочастотного синтезатора, функциональная блок-схема которого приведена фиг.3. В ПЭВМ размещается ПО - программное обеспечение алгоритма зондирования ионосферы, которое выдает необходимые командные коды в блок синхронизации и управления (БСУ). В БСУ помимо кодов управления от ПЭВМ поступает также главная опорная частота f, которая генерируется высокостабильным вторичным стандартом частоты (например, рубидиевым генератором типа СЧВ-74). В 4-канальный блок синтеза сигналов поступают коды фиксированных рабочих частот зондирования, с выхода блока сигналы рабочих частот поступают в блок формирования ДЧС сигналов, в который также поступают коды ДЧС. Сформированные ДЧС сигналы с выхода синтезатора поступают в радиопередатчик (РПД).
n
n
n
n
0
Основная сложность создания многоканального радиоприемного устройства (МРПУ) для регистрации отраженных от ионосферы ДЧС сигналов связана с необходимостью обеспечения одновременного приема и регистрации сигналов на разных частотах с сохранением когерентных свойств принимаемых сигналов. Радиоприемным устройством с необходимыми свойствами может быть, например, N - канальное приемное устройство, каждый приемный канал которого на каждом такте зондирования независимо настраивается на одну из N фиксированных частот излучаемой дискретной последовательности импульсов пакета ДЧС. На следующем такте зондирования каждый из N каналов РПУ настраивается на новый пакет ДЧС: f, f+Δf, f+2Δf, f+3Δf, … f+NΔf, где f=(f+Lδf). Здесь L - номер такта зондирования. Традиционное решение задачи создания многоканальных РПУ состоит в использовании необходимого количества промышленно выпускаемых РПУ, составляющих каналы многочастотного РПУ (МРПУ). На фиг.4 показана функциональная блок-схема 4-канального МРПУ, предназначенная для приема 4-х элементных пакетов ДЧС. В ПЭВМ размещается программное обеспечение (ПО) алгоритма зондирования ионосферы, которое выдает необходимые командные коды в блок синхронизации и управления (БСУ), а также коды ДЧС для соответствующей настройки каналов МРПУ.
В рассматриваемом здесь случае импульсного зондирования сложность состоит в необходимости решать проблему влияния на входы МРПУ прямой («земной») волны ввиду того, что длительность пакета ДЧС может приближаться к максимально допустимой величине 700 мкс. Для решения такой задачи следует применить комплекс аппаратно-программных решений, включающий известные методы подавления прямой волны, например, как это сделано в ионозонде «Базис-2».
имп
На каждом такте зондирования принимаемый радиосигнал из антенно-фидерной системы (АФС) поступает в широкополосный антенный усилитель, обладающий свойством ограничивать сигналы, превышающие заданный порог (например, ~5 B). Далее принимаемый сигнал с помощью ВЧ ключа блокируется на время действия запирающего (стробирующего) сигнала, при этом длительность строба определяется длительностью (Nτ) излучаемого пакета ДЧС. С выхода ВЧ ключа сигнал поступает на вход МРПУ, с каждого из 4 выходов МРПУ сигналы поступают на вход 4-канального АЦП. Запуск АЦП происходит по синхроимпульсам СИ, которые вырабатываются в блоке синхронизации и управления (БСУ). Затем коды АЦП поступают в ПЭВМ, где накапливаются и обрабатываются данные радиозондирования. Поскольку при диагностике методом ВЗ передающая и приемная части зондирующей аппаратуры образуют единую систему, то блоки ОГ и ПЭВМ могут быть объединены, что обеспечит необходимую синхронность излучаемых и принимаемых радиосигналов.
Обработка данных зондирования для получения графика ионограммы не отличается от обработки сигналов в известных способах.
Предложенный выше способ получения ионограмм с помощью широкополосных ДЧС сигналов приводит к необходимости обработки зондирующих сигналов практически в режиме реального времени и хранению значительных объемов данных. Это предъявляет достаточно высокие требования к параметрам АЦП и ПЭВМ. Существующие в настоящее время многоядерные процессоры и высокоскоростные многоканальные модули АЦП с динамическим диапазоном до 14 разрядов позволяют аппаратно и программно реализовать предлагаемый способ.
В качестве радиоприемных устройств в каналах МРПУ можно использовать промышленно выпускаемые цифровые РПУ, например, приемник AR-ONE фирмы AOR (Япония) [4].
Предлагаемый способ был опробован на макете и подтвердил ожидаемые результаты по сокращению времени получения ионограммы до долей секунды. Это позволяет применить предложенный способ для исследования быстрых процессов в ионосферной плазме.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Погода Э.В. Диагностический ионосферный комплекс «Базис» и его модификации // Экспериментальные методы исследования ионосферы. - М.: ИЗМИРАН, 1981 г. С. 145-152.
2. Комплекс агрегатный ионосферный Базис-2. Технические условия. Бт 2.009.007 ТУ. СКБ ФП АН СССР. Москва. 1983. с.5-11.
3. Описание DPS-4: http://www.digisonde.com/dps-4dmanual.html.
4. http://www.aor.ru