УСТРОЙСТВО ВЕРТИКАЛЬНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ

Полезная модель относится к радиолокации, радиосвязи и радионавигации и может быть использована для радиозондирования ионосферы, построения высотно-частотных характеристик, определения критической частоты отражения, определения интенсивности ионосферных неоднородностей в условиях проявления диффузности.
Известна станция вертикального зондирования ионосферы [1]. С помощью данной станции осуществляется вертикальное зондирование ионосферы, причем излучение и прием радиоволн производится с помощью диапазонной антенны зенитного излучения. Станция имеет передатчик, приемник и индикаторное устройство, работа которого синхронизирована. Однако данная станция не позволяет по измеренным высотно-частотным характеристикам (ВЧХ) автоматически определять параметры ионосферы в условиях диффузности, которая проявляется в виде уширения (расплывчатости, размытости) ВЧХ [2].
Известно определение диффузности ионосферы как явления, связанного с интенсивным образованием неоднородностей различных масштабов в области F ионосферы, приводящего к рассеянию радиоволн и изменению формы зондирующих радиосигналов [3]. В настоящее время диффузность принято оценивать в баллах по продолжительности явления и степени искаженности принимаемых сигналов [2]. Однако, судя по определению диффузности ионосферы, ее целесообразно оценивать первопричиной ее проявления (т.е. интенсивностью неоднородностей), а не последствиями (степенью ухудшения качества приема).
Известен метод определения интенсивности ионосферных неоднородностей по данным вертикального зондирования ионосферы [4], позволяющий количественно оценить величину интенсивности неоднородностей (β).
д
в
д
в
Целью является разработка устройства, позволяющего производить вертикальное зондирование ионосферы, построение ВЧХ и на основе полученных результатов определять величину интенсивности неоднородностей ионосферы (β) в зависимости от уширения ВЧХ (т.е. зависимости h=Ψ(f) действующей высоты отражения h от частоты вертикально направленной волны (частоты вертикального зондирования) f) в условиях диффузности.
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к определению глубины интерференционных замираний принимаемых сигналов в декаметровых каналах связи, которая прямо пропорционально зависит от величины интенсивности неоднородностей β ионосферы [5].
В состав известной станции вертикального зондирования ионосферы [1] входят: передатчик 1, приемник 2, индикатор 3, синхронизатор 4, антенный переключатель 5 и антенна 6 (Фиг.1).
Известная станция зондирования работает следующим образом. Передатчик 1 формирует радиоимпульс, который через антенный переключатель 5 поступает на антенну 6 и излучается вертикально вверх. Антенный переключатель 5 служит для запирания приемника 2 во время излучения зондирующих импульсов и для блокировки выходных цепей передатчика 1 во время приема сигналов. После отражения от ионосферы радиоимпульс снова возвратится к станции через некоторое время (τ), будет принят антенной 6 и через антенный переключатель 5 поступит на вход приемника 2.
п
max
п
Синхронизатор 4 формирует последовательность импульсов (Фиг.2а). Период следования импульсов синхронизатора T выбирается исходя из условия обеспечения однозначного определения дальности. Это условие состоит в том, что максимальное время запаздывания τ не должно превышать период следования T, т.е.
mах
где R - дальность действия станции зондирования, с - скорость распространения радиосигнала в вакууме.
и
вi
в1
вN
в
и
и
и
и
Синхроимпульсы одновременно поступают на входы передатчика 1 и индикатора 3 и управляют работой этих устройств. При поступлении синхроимпульса на вход передатчика 1 происходит излучение радиоимпульса (Фиг.2б) длительностью τ на частоте f (в диапазоне от f=1 МГц до f=30 МГц с шагом перестройки Δf=1 кГц). Длительность радиоимпульса τ определяет разрешающую способность станции зондирования. Минимальная разность между высотами двух слоев ионосферы Δh, при которой еще возможно раздельное измерение этих высот, должна удовлетворять условию Δh>сτ/2. Отсюда следует требование к длительности радиоимпульса станции зондирования ионосферы
.
и
и
и
и
Напряжение индикатора U увеличивается пропорционально времени t. При поступлении на вход индикатора синхроимпульса (Фиг.2а), происходит сброс значения напряжения U до нуля. Затем происходит увеличение напряжения U пропорционально времени t до поступления нового синхроимпульса. Таким образом формируется напряжение индикатора U(t), изменяющееся по пилообразному закону (Фиг.2в).
д
д
д
Обычно полагают, что путь до отражающего слоя и обратно радиоимпульс проходит с постоянной скоростью с, равной скорости света. Определяемая таким образом высота отражающего слоя h (действующая) будет равна h=0,5 сτ, где τ - время распространения сигнала (с групповой скоростью) до отражающего слоя на высоте h и обратно к приемнику, расположенному на земле (время задержки отраженного радиосигнала).
д
и
д
д1
в1
вi
дi
вi
в1
вN
вi
в1
вN
вi
дi
дi min
дi max
дj
вj min
вj max
2
Через время τ с выхода приемника 2 сигнал поступает на индикатор 3 (Фиг.2 г), в котором пропорционально времени задержки отраженного сигнала τ (Фиг.2в) и высоте отражения h(τ) формируется напряжение U(τ)~h(τ). Последнее фиксируется на электронно-лучевой трубке индикатора 3 станции в виде яркостной отметки, соответствующей значению действующей высоты отражения h волны с частотой f. Аналогично формируются радиоимпульсы с другими частотами f, и яркостные отметки с соответствующими значениями действующих высот отражения h. В результате за множество (~10) циклов изменения f от f до f на экране индикатора 3 вырисовывается ВЧХ вида Фиг.3а при отсутствии диффузности ионосферы. В условиях проявления диффузности ионосферы за множество циклов изменения f от f до f на экране индикатора 3 будет вырисовываться уширенная ВЧХ вида Фиг.3б. При этом частоте f будет соответствовать не одно значение действующей высоты отражения h (как на Фиг.3а), а множество значений в интервале от h до h со средним значением . Поэтому очевидно, что при наличии диффузности ионосферы от некоторой высоты отражения h будут отражаться волны с частотами в диапазоне от f до f со средним значением .
вk
кр
дk
дk
m
По ВЧХ вида Фиг.3а вручную приближенно находят критическую частоту отражающего слоя ионосферы как частоту вертикально отраженной волны f=f, для которой действующая высота стремится к бесконечности (h→∞), а истинная высота отражения соответствует высоте максимума ионизации слоя (h≈h).
Реализацию предлагаемого устройства автоматической обработки полученной ВЧХ, автоматического определения среднего значения критической частоты , среднеквадратического отклонения (СКО)  критической частоты и количественной оценки величины интенсивности неоднородностей ионосферы согласно известному [4] выражению  позволит осуществить устройство вертикального зондирования ионосферы, схема которого приведена на Фиг.4. Для решения этих задач в известную (Фиг.1) станцию зондирования ионосферы [1] добавлены следующие блоки: вычислительный блок 7, высотный блок 8 обработки данных, блок 9 перебора данных, частотный блок 10 обработки данных, усреднитель 11, блок 12 определения среднего значения критической частоты , блок 13 выбора, блок 14 определения СКО критической частоты  и блок 15 определения величины интенсивности β неоднородностей ионосферы. Предлагаемое устройство работает следующим образом.
д
Синтезатор передатчика 1 формирует сетку частот от 1 МГц до 30 МГц с шагом перестройки 1 кГц; сигнал с выхода синтезатора поступает на вход индикатора 3, а также усиливается передатчиком 1 и через антенный переключатель 5 подается на антенну 6 и излучается вертикально вверх. Отраженный сигнал возвращается к станции через время τ и через антенну 6 и антенный переключатель 5 поступает на вход приемника 2. С выхода приемника 2 сигнал поступает на вход вычислительного блока 7, в котором вычисляется значение высоты отражающего слоя ионосферы (действующей высоты) по формуле h=0,5 сτ.
д
Вычисленное значение h поступает на вход высотного блока 8 обработки данных, в котором записывается в ячейку памяти (ЯП) действующей высоты, соответствующую частоте сигнала (ЯП )
Синхронная работа синтезатора передатчика 1, вычислительного блока 7 и высотного блока 8 обработки данных обеспечивается синхронизатором 4.
Данные с каждой из ячеек памяти высотного блока 8 обработки данных (ЯП ) поступают на вход блока 9 перебора данных и на вход усреднителя 11 значений действующей высоты  отражения, с выхода которого сигнал, соответствующий  подается на индикатор 3.
дj
вj
Блок 9 перебора данных производит сортировку данных и каждому из значений высоты отражения h (90-2000 км с шагом ) ставит в соответствие все те значения частот f, на которых происходило отражение на данной высоте. Далее данные поступают на вход частотного блока 10 обработки данных, где записываются в ячейку памяти, соответствующую частоте отражения (ЯП ).
дj
д
д
Данные с первых выходов каждой из ячеек памяти частотного блока 10 обработки данных (ЯП ) поступают на вход блока 12 определения среднего значения критической частоты . Сначала проводится статистическое усреднение результатов с целью определения средних значений частот отражения , соответствующих каждой из высот h. Усредненная ВЧХ (т.е. зависимость  действующей высоты отражения h от среднего значения частоты вертикально направленной волны ), получаемая при этом (Фиг.4), выглядит как штрихпунктирная линия на Фиг.3б. После этого происходит сравнение средних значений частот отражения на соседних (по шагу квантования Δh) высотах отражения  поочередно, начиная с первой (т.е. ,  и т.д.). Когда разница между двумя средними значениями частот отражения на соседних высотах (например ,  будет меньше, чем половина шага перестройки  кГц, определяется среднее значение критической частоты как
.
m
m
кр j min
кр j max
m
После этого определяется значение действующей высоты отражения , соответствующей среднему значению критической частоты . Блок 12 определения среднего значения критической частоты подает данное значение   на первый вход блока 15 определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы и на вход блока 13 выбора. В последнем определяется номер ячейки частотного блока 10 обработки и данных (ЯП ), в которой среднее значение частоты  равно среднему значению критической частоты   отражения от высоты h. Блок 13 выбора формирует сигнал на выбор ячейки памяти ЯП , которая соответствует высоте h максимума ионизации слоя. В данной ячейке содержится информация о всех частотах в интервале f…f, на которых происходило отражение от высоты h. Далее сигнал на выбор ячейки памяти ЯП  подается на управляющий вход частотного блока 10 обработки данных.
кр j
кр j min
кр j max
m
Со второго выхода выбранной ячейки памяти (ЯП ) сигнал поступает на вход блока 14 определения СКО критической частоты . Происходит вычисление СКО критической частоты . Для этого производится статистическая обработка случайных значений критической частоты f в интервале f…f. соответствующем высоте h(Фиг.5). Вычисление СКО критической частоты  происходит по формуле , где  - среднее значение критической частоты.
С выхода блока 14 определения СКО критической частоты  сигнал поступает на второй вход блока 15 определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы. В блоке 15 определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы  происходит  удвоение измеренного значения СКО критической частоты 2 и деление удвоенного значения СКО критической частоты на среднее значение критической частоты , поступающее с блока 12 определения среднего значения критической частоты.
Таким образом, в разработанном устройстве (Фиг.6) на основе измерения статистических параметров ВЧХ ( и ) согласно известному [4] выражению  определяется значение величины интенсивности неоднородностей (3 ионосферы.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 представлена функциональная схема известной станции вертикального зондирования ионосферы; на Фиг.2 представлены графики, поясняющие работу станции зондирования; на Фиг.3 представлены высотно-частотные характеристики ионосферы в отсутствие (а) и наличии (б) диффузности; на Фиг.4 представлен порядок определения среднего значения критической частоты; на Фиг.5 представлены основные параметры ВЧХ, используемые для определения величины интенсивности неоднородностей ионосферы; на Фиг.6 представлена функциональная схема предлагаемого устройства вертикального зондирования ионосферы.
Список использованных источников
1. Ионосферно-волновая служба связи/ Под ред. М.М.Крылова. - М.: Военное издательство, 1989. - 152 с.
2. Серков В.П., Слюсарев П.В., Теория электромагнитного поля и распространение радиоволн. Часть 2. Распространение радиоволн. - Л.: ВАС, 1973. - 255 с.
3. Толковый словарь по радиофизике. Основные термины. - М.: Рус.яз., 1993. - 357 с.
4. Пашинцев В.П., Омельчук А.В., Коваль С.А., Галушко Ю.И. Метод определения интенсивности неоднородностей по данным ионосферного зондирования// Двойные технологии, 2009, т.46, №2. - с.38-42.
5. Пашинцев В.П., Колосов Л.В., Тишкин С.А., Антонов В.В. Применение теории фазового экрана для разработки модели односкачкового декаметрового канала связи // Радиотехника и электроника, 1996, т.41, №1. - с.21-26.