Приемно-измерительный комплекс доплеровского наклонного зондирования ионосферы

Приемно-измерительный комплекс доплеровского наклонного зондирования ионосферы

Егоров Н.Е.

(1)Институт космофизических исследований и аэрономии СО РАН, (2)Якутский государственный университет, (3)Сибирский физико-технический институт при ТомГУ

ВВЕДЕНИЕ

Одним из эффективных методов дистанционного контроля состояния ионосферного канала связи является метод регистрации доплеровского смещения частоты КВ-радиосигналов, распространяющихся в неоднородной нестационарной ионосфере. Основными достоинствами метода являются сравнительная простота его реализации, высокие чувствительность к малым возмущениям и разрешение по времени, возможность селекции различных модов, возникающих вследствие пространственно-временной неоднородности ионосферы и особенностей распространения радиоволн декаметрового диапазона [1,2]. Многоканальный прием и синхронизированная регистрация параметров КВ-радиосигналов, распространяющихся на фиксированной сети радиотрасс различной ориентации и протяженности существенно расширяют возможности метода, особенно в плане решения обратных задач дистанционной диагностики состояния ионосферы.

В настоящей работе приводится описание приемно-измерительного комплекса доплеровского наклонного зондирования (ДНЗ) ионосферы и представлены результаты обработки первых наблюдений. Комплекс расположен вблизи г. Якутска (62.0о N 129.8о E) и нацелен на исследования особенностей распространения декаметровых радиоволн в условиях субавроральной и авроральной ионосферы. Актуальность и практическая значимость таких исследований связана с освоением пересекающих Северный Ледовитый океан международных авиатрасс, существенным тормозом организации которых является отсутствие надежной связи с воздушными судами. Последнее обусловлено тем, что удаленная связь осуществляется в КВ-диапазоне, условия распространения радиоволн в котором целиком определяются состоянием ионосферного канала связи, характеризующегося высокой нестабильностью параметров, обусловленной высокой геомагнитной активностью и существованием устойчивых мелкомасштабных (вытянутые вдоль магнитных силовых линий), крупномасштабных и глобальных (главный провал ионизации) неоднородностей распределения электронной концентрации [3-5].

ОПИСАНИЕ ПРИЕМНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА

Комплекс предназначен для обнаружения и регистрации магнито-ионосферных возмущений естественного и искусственного происхождения (солнечные вспышки, землетрясения, геомагнитные бури, внезапные импульсы геомагнитного поля и т.д.).

Комплекс работает в режиме приема отраженных от ионосферы радиоволн КВ диапазона и регистрирует доплеровский сдвиг частоты (ДСЧ) сигналов реперных радиостанций на нестационарных неоднородностях ионосферы.

Блок-схема приемно-измерительной части комплекса представлена на рис.1. В качестве приемных антенн (А1-А4) используются либо антенна типа Дельта с высотой подвеса 15 м, либо штыревые антенны.

Регистрация текущего спектра радиосигналов производится с помощью приемников синтезаторного типа "Катран" (РПУ1-РПУ4). Сигналы второй промежуточной частоты этих приемников (215 кГц) смешиваются в блоке преобразователей и смесителей (БПС) с опорным сигналом от синтезатора частоты Ч6-31 (215 кГц+Д^, где Дf - частота подставки, (величиной порядка единиц Гц) фильтруются и подаются на входы АЦП. Частота оцифровки данных, поступающих на АЦП - 80 Гц, что соответствует частотной полосе регистрируемых вариаций доплеровского сдвига частоты в 40 Гц и обеспечивает высокое разрешение по времени. Поскольку для текущего накопления объема оцифрованных данных используется оперативная память стандартного РС, результаты оцифровки группируются в записи определенной длины. Использование 4 каналов АЦП приводит к ограничению длины записи длиной в 12000 слов. При заданной частоте оцифровки интервал накопления данных составляет 150 с. Последующие 30 с отводятся на сброс данных из оперативной памяти на жесткий диск и текущую обработку зарегистрированных данных. Таким образом, суточный сеанс измерений содержит 480 записей, представляющих собой чередование 150 с непрерывной регистрации данных измерений и 30-ти секунд паузы и в целом занимает 11.520 Мб.

Для стабилизации опорных генераторов приемников, синтезатора и кварцевых часов используется рубидиевый стандарт частоты Ч1-50. Визуальный контроль за амлитудно-частотными параметрами сигналов ДНЗ во время измерений и первичная обработка аналоговых данных наклонного зондирования осуществляются с помощью анализатора спектра СК4-72/2.

Рис.1. Блок-схема приемно-измерительной части комплекса

Для калибровки приемно-измерительного тракта используется генератор стандартных сигналов Г4-93, стабилизированный по частоте стандартом частоты Ч1-50.

Программное обеспечение предназначено для оперативного управления комплексом, формирования, обработки и хранения экспериментальных данных. Для визуализации контроля прохождения сигналов по трактам приемно-измерительного комплекса

разработан пакет программ, представляющих собой виртуальные осциллограф и анализатора спектра.

Представим основные подходы к обработке данных наклонного доплеровского зондирования, реализованные в процессе исследований нестационарной ионосферы. Первичная обработка данных ДНЗ заключается в получении текущих спектров радиосигналов и сонограмм в координатах частота-время. Сонограммы позволяют выявить вариации амплитудно-частотных параметров КВ-сигнала и выделить отклик сигналов ДНЗ на воздействие нестационарных процессов (НП) на ионосферу в виде характерных вариаций доплеровского сдвига частоты. Однако обработка текущих спектров затруднена, поскольку каждый доплеровский спектр представляет собой ансамбль парциальных волн. При этом спектр радиосигнала может содержать в себе Е и Б моды, несущие информацию о различных областях ионосферы, воздействие не одного, а нескольких нестационарных процессов, имеющих различную физическую природу. Например, спектр радиосигнала может содержать как зеркальную, так и рассеянную компоненты. Как правило, все НП протекают на фоне регулярных суточных вариаций ионосферы. Все перечисленные факторы значительно усложняют обработку данных и интерпретацию результатов, полученных методом доплеровского наклонного КВ-зондирования. Таким образом, необходимо устранить многозначность, связанную с неотъемлемым свойством ионосферного распространения КВ-сигналов - многолучевостью.

Поэтому в основу цифровой обработки сигналов ДНЗ было заложено представление об амплитудном доплеровском спектре, как о распределении энергии электромагнитной волны в точке приема по частоте. Например, использование такой статистической характеристики доплеровского спектра, как центр тяжести Е, позволило свести вариации спектральных составляющих по частоте к временной зависимости всего одной переменной

- Такой подход оправдан, поскольку во-первых, не приводит к потере исходных данных, а, во-вторых, разработанное и реализованное на ЭВМ программное обеспечение приемно-измерительного комплекса позволяет применить такое представление об амплитудном доплеровском спектре не только ко всему спектру в целом, но и к его отдельным составляющим (модам).

Как и всякое распределение [6,7], доплеровский спектр радиосигнала может быть охарактеризован своим средним значением Е (центром тяжести распределения): N

Е =11. (1) 1 = 1

п

х1 - доплеровская частота, р1 - нормированная амплитуда 1-ой компоненты ( £ = 1), N

1=1

- длина выборки, а также центральными моментами Мк :

N п

Мк = £

1=1 1=1 из которых обычно использовались первые три. Определялись следующие параметры спектра сигнала:

N

- интегральная амплитуда А = £ А1 ;

1=1

п

сумма квадратов амплитуд А2 = £ А?

1=1

частотная дисперсия = М2

коэффициенты асимметрии к =

4М 2

М4 ™

и эксцесса у = —4т

M 22

Временные ряды моментов распределения, интегральной амплитуды и коэффициентов к и у использовались для исследования динамики параметров КВ-сигнала, установления качественных и количественных связей отклика сигналов ДНЗ, полученных одновременно на разных трассах между собой и с вариациями параметров ионосферы. Для этого были реализованы на ЭВМ алгоритмы выделения полезного сигнала на фоне шумов, регрессионного, корреляционного и спектрального анализа [8-13].

Доплеровский метод позволяет разделять соседние моды КВ-сигнала, если эти моды разнесены по частоте на величину, превышающую ширину спектра Аf одного из модов. Согласно [14], ширина спектра КВ-сигнала в спокойных условиях в среднеширотной ионосфере не превышает 0,1 Гц. По нашим данным эта величина в сходных условиях лежит в пределах 0,05-0,2 Гц. Применение описанного подхода к обработке данных ДНЗ к отдельно взятому выделенному моду позволяет получить для него временные ряды вариаций центра тяжести, амплитуды, среднего квадратического отклонения частоты и т.д. и применить к этим рядам алгоритмы регрессионного, корреляционного и спектрального анализа.

Следующим важным аспектом обработки сигналов ДНЗ является выделение полезного сигнала на фоне шумов. Следует отметить, что в зависимости от исследуемого явления, шумами может быть отклик сигнала на другие нестационарные процессы, вносящие свой вклад в его форму и пространственно-временную динамику.

Проблема выделения полезного сигнала представляет собой целый раздел радиотехники. Мы же воспользовались методикой предложенной авторами [8,10] и реализовали на ЭВМ ряд процедур фильтрации и детектирования, в зависимости от целей обработки, как исходных, так и прошедших обработку данных наклонного зондирования.

Для удаления шумовой высокочастотной составляющей применялся треугольный фильтр с весовыми коэффициентами hi [12]:

У = h-1 X+1 + h0 X + \ X+1.

Фильтрация низкочастотной составляющей осуществлялась разностным фильтром:

Z =

Детектирование быстрых вариаций доплеровского смещения частоты осуществлялось по формуле:

fd = ABS

Представленный выше подход к регистрации, обработке и хранению исходной информации во многом предопределил возможность проведения исследований нестационарных процессов в ионосфере Земли различных пространственно-временных масштабов на основе анализа параметров отклика КВ-радиосигнала на ионосферные возмущения.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Регулярные наблюдения на комплексе начаты в октябре 2001 г. В соответствии с задачами, на решение которых нацелено его создание, был проведен выбор радиотрасс доплеровского наклонного зондирования ионосферы. Следует отметить, что существенным ограничением возможности выбора реперных радиостанций является

практически полное отсутствие доступа к волновому расписанию радиопередающих средств как у нас, в России, так и за рубежом.

На рис.2 представлена схема радиотрасс наклонного доплеровского зондирования, использовавшихся в первых экспериментах. Синхронные наблюдения этой же сети передатчиков в приемном пункте, расположенном в среднеширотном регионе (Томск), проводилось с целью выявления характерных особенностей динамики амплитудно-частотных параметров КВ-радиосигналов, распространяющихся на полностью высокоширотных трассах (Якутск) относительно их аналогов, полученных в Томске на радиотрассах, на которых в высокоширотной ионосфере пролегают в основном восходящие ветви лучевых траекторий. Приемно-измерительные тракты комплексов ДНЗ в Якутске и Томске, а также их программное обеспечение полностью идентичны. Характеризуя используемые радиотрассы отметим: трасса Тулагины-Якутск является слабо наклонной (расстояние Б между передатчиком и приемником составляет 25 км), поэтому в приемном пункте наблюдаются как ионосферная волна, так и земная; трасса Магадан-Якутск является односкачковой (Б= км), а Магадан-Томск и Якутск-Томск -одно-двух скачковые.

Для исследования прохождения радиоволн на кроссполярных линиях наиболее оптимальным вариантом является прием сигналов КВ-станций, расположенных в Северной Америке. Трассы Магадан-Якутск или Петропавловск-Камчатский-Якутск - это наиболее часто используемые трассы, поскольку пролегают над территорией республики. Передатчики расположены примерно на той же широте, что и приемный пункт в Якутске.

Рис.2. Схема расположения радиотрасс

Обсудим первые результаты по контролю состояния ионосферного канала связи (ИКС), дополненные данными комплексов вертикального импульсного зондирования (ВЗ), расположенных в Жиганске (ф = 66.8, X = 123.4), Якутске (ф = 62.0, X = 129.8) и Томске (ф = 56.5, X = 85.0).

Й4

Ё а"

0

и Н и

я л

V -4

Красноярск - Томск, Ю=500 км

~—

Г1—"т-1-V

1Т

I I I I I I I I I I I IГ

18 20 22 00 02 04 06 08 10 12 г, ИТ Магнитоеариационная станция 11 Томск "

-440

18 20 22 00 02 04 06 08 10 12 г, ТУ! Тулагины - Якутск, Ю=25 км

Магадан - Якутск, Ю=1200 км

18 20 22 00 02 04 06 08 10 12 г, 11Т

Магнитовариационная станция "Якутск" Н, нТ 0 -100 -200

02 04 06 08 ИТ Импульсное вертикальное зондирование

МГц -

7

№

3 -

11ШЛ

Якутск

Ж

т

19 23 03 07 11 15

Полное поглощение

—I—I—|—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—г

00 02 04 06 08 10 1,ит

Рис. 3.

Анализ состояния ИКС проведен на примере 2-х суточных сеансов наблюдений, проведенных 6 и 24 ноября 2001 г. во время интенсивных геомагнитных возмущений (вариации Н-компоненты достигали 600 нТ, рис 3, б, д).

Сопоставление данных наклонного доплеровского и вертикального импульсного зондирования за 6.11.2001г., полученные в пунктах, разнесенных по широте на 6о, наглядно иллюстрирует тот факт, что возмущения, вызываемые в субавроральной ионосфере значительно интенсивнее, чем в ионосфере средних широт (рис.3, е, ж). Так, в Якутске наблюдается полное неотклоняющее поглощение сигналов ВЗ, а в Томске - рост £шП до 4 МГц и падение критической частоты £,Б2 до ~ 4 МГц. Это сопровождается увеличением неотклоняющего поглощения в слое Б и отрицательным ионосферным возмущением в области Б. Ионосферное возмущение в Томске началось на ~ 1 час позже, но продолжалось на 3 ч. дольше, чем в Якутске. В соответствии с отличиями в поведении ионосферы в высоких и средних широтах различаются и состояния ионосферных каналов связи на среднеширотной и субавроральных радиотрассах. На среднеширотной трассе Красноярск-Томск начало геомагнитного возмущения практически не приводит к заметным вариациям доплеровского сдвига частоты (за исключением дополнительных треков в период от 1:45 -2:45 ЦТ). На высокоширотных трассах, независимо от их протяженности, развитие геомагнитного возмущения приводит вначале к значительному (до ~10 Гц) уширению спектра, появлению дополнительных треков, квазипериодическим вариациям доплеровского смещения частоты и быстрому нарастанию поглощения, вплоть до полного пропадания радиосвязи (интервал с 2:00 до 7:45 ЦТ). Интервал отсутствия радиосвязи совпадает с интервалом полного неотклоняющего поглощения, зарегистрированного на ионосферной станции Якутск. По окончании интервала полного поглощения связь восстанавливается, но в спектре радиосигналов отсутствует зеркальная компонента и наблюдается значительная диффузность принимаемых сигналов.

Подобные эффекты были зарегистрированы и 24.11.2001 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданный комплекс позволяет вести непрерывный мониторинг за динамикой ионосферных процессов в любой области высоких широт в зависимости от выбора передающих станций.

Интенсивные возмущения магнитного поля приводят к аномальному поглощению в высоких широтах, росту поглощения и значительным (до 50% и более) вариациям критических частот области Б в средних широтах, а также к существенным вариациям амплитудно-частотных характеристик сигналов, принимаемых КВ-радиостанций, росту частотной дисперсии вплоть до полного пропадания зеркальной компоненты отраженного от ионосферы сигнала в средних широтах, а в высоких - к полному поглощению радиоволн КВ-диапазона. Характерной чертой является то, что возмущения в спектрах сигналов НДЗ предваряют возмущения в магнитном поле (в Томске - на ~ 30 мин, в Якутске - на ~ 60 мин). Запаздывание начала ионосферного возмущения в Томске относительно Якутска указывает на то, что ионосферное возмущение зарождалось на высоких широтах и преобладало меридиональное направление перемещения возмущения со скоростью ~ 150^180 м/с.

Результаты доплеровских измерений на комплексе могут быть использованы для прогноза нарушений коротковолновой связи на кроссполярных радиотрассах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проектам 00-02-96208 (Арктика) и 01-05-65274.

ЛИТЕРАТУРА

1. Девис К. Радиоволны в ионосфере. М.:Мир, 1973. 501 с.

2. Таращук Ю.Е., Нагорский П.М., Егоров Н.Е. и др. Нестационарные процессы в ионосфере Земли и их влияние на распространение коротких радиоволн. Томск: Изд-во ТГУ, 1986. 164 с.

3. Борсоев В.А., Новиков В.С., Смирнов В.Ф. Создание в Якутске прогноза частот для обеспечения полетов воздушных судов гражданской авиации в высоких широтах // Всероссийская конференция по физике солнечно-земных связей. Тезисы докладов. Иркутск: Изд. СО РАН, 2001, С.130.

4. Парфенов С.С., Егоров Н.Е., Козлов В.И., Смирнов В.Ф. и др. Нарушения КВ-связи в высоких широтах // Москва, 2001. Труды Х11 Всероссийской школы-конференции по дифракции и распространению волн. Т.2. С.350.

5. Smirnov V.F., Stepanov A.E., Filippov L.D., Kozlov V.I. et al. Absorption of HF radiowaves in high-latitude ionosphere during geomagnetic disturbances // Preprint PGI-02-01-111, "Physics of auroral phenomena", 25th Annual Seminar, 26 February - 1 March 2002, P.68. Apatity, 2002.

6. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. М.: Сов. Радио, 1974. 552 с.

7. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. Часть II. Случайные поля. М.: Наука, 1978. 464 с.

8. Бендат Дж., Пирсол Л. Применение корреляционного и спектрального анализа. М.: Мир, 1983. 312 с.

9. Дженкинс Г., Ваттс Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1972. Вып. 2. 288 с.

10. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ. М.: Наука, 1989. 240 с.

11. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М.: Мир, 1983. Т.1. 312 с.

12. Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584 с.

13. Рабинер Л. Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978. 848 с.

14. Афраймович Э.Л. Интерференционные методы радиозондирования ионосферы. М.: Наука, 1982. 198 с.