РАЗДЕЛ 2
ПРИЕМНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС
Исследования ионосферы и морской поверхности с помощью радиофизических методов
дистанционного зондирования в коротковолновом (КВ) диапазоне насчитывают более
полувека, однако и по сей день делаются попытки их усовершенствования для
повышения точности и надежности измерений. Проблемы, с которыми приходится
сталкиваться разработчикам таких методов, связаны, в основном, с постоянно
растущим уровнем помех в данном диапазоне, имеющих как естественное (грозовые
разряды, электромагнитное излучение Земли и т.п.), так и искусственное
(широковещательные станции, станции ионосферного зондирования, каналы
радиосвязи) происхождение. При таких условиях увеличение мощности зондирующих
сигналов для улучшения достоверности измерений приводит к еще большему
ухудшению помеховой обстановки. Поэтому в последнее время значительное внимание
уделяется созданию диагностирующих средств малой мощности [41, 52], а также
разработке пассивных методов диагностики ионосферы и морской поверхности
[17-18, 34-39, 43-44, 68-74]. В качестве пробных сигналов используют, например,
сигналы широковещательных станций или передатчиков служб точного времени. Для
обеспечения нормальной работы зондирующих комплексов необходима
пространственная селекция компонентов принимаемого сигнала. Как правило, с этой
целью используются несколько методов разделения интерферирующих составляющих
сигнала: методы временной селекции (при использовании импульсных сигналов),
пространственного разрешения с помощью остронаправленных антенн, а также методы
фазовой пеленгации с доплеровской фильтрацией (ФПДФ). Каждый из
вышеперечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки. Так, метод
временной селекции имеет ограничения за счет искажений импульсных сигналов в
среде распространения. Пространственное разделение лучей с помощью
остронаправленных антенн (например, фазированных антенных решеток (ФАР)) [75]
требует больших материальных затрат. Доплеровская фильтрация требует применения
сложной быстродействующей аппаратуры. В последнее время широкое развитие
получила вычислительная техника, что позволяет использовать ее в аппаратуре,
реализующей метод ФПДФ.
В этой главе диссертационной работы описан приемно-вычислительный комплекс
(ПВК) предназначенный для решения задач КВ радиодиагностики волновых процессов
в ионосфере Земли и на морской поверхности, созданный в Радиоастрономическом
институте НАН Украины. Комплекс построен на основе ФПДФ метода и позволяет
регистрировать траекторные параметры – угол места и азимут, доплеровское
смещение частоты, а также время группового запаздывания пробных сигналов.
Методы регистрации траекторных параметров и времени группового запаздывания
пробных сигналов. Требования к ПВК
Известно, что традиционные разностно-фазовые методы пеленгации позволяют
измерять углы прихода сигнала с достаточной точностью [42] в случае
одномодового сигнала и при достаточно большом соотношении сигнал-шум. Для этого
необходима регистрация сигнала как минимум в трех пространственно-разнесенных
приемных пунктах (см. рис. 2.1). Можно показать, что для плоской волны с
волновым вектором , азимут и угол места находятся по формулам
, (2.1)
или , (2.2)
где , - координаты приемных антенн, разность фаз сигналов в антеннах и , -
волновое число.
Рис. 2.1 Геометрия задачи
Однако в реальных условиях ионосферного распространения коротких радиоволн поле
в точке приема носит сложный интерференционный характер. Сигнал формируется
несколькими пространственными гармониками – модами, которые, как правило,
порождены неоднородностью высотного профиля электронной концентрации и
анизотропией коэффициента преломления в магнитоактивной плазменной среде. Даже
на короткой односкачковой радиотрассе в спокойных геофизических условиях поле в
точке приема может формироваться суперпозицией нескольких пространственных
компонент сигнала, например, магнитоионных компонент верхнего и нижнего лучей
сигнала, отраженного от ионосферного слоя [75]. Многомодовое распространение в
ионосфере наблюдается в большинстве случаев, что требует использования
специальных методов модовой фильтрации. Одним из таких методов является ФПДФ.
Он основан на селекции пространственных компонент в спектральной области за
счет отличия доплеровских смещений частоты компонент сигнала, пришедших вдоль
разных траекторий распространения. Другими словами, каждой пространственной
моде в спектре результирующего сигнала можно сопоставить соответствующие
спектральные максимумы на разных частотах. Разность частот между различными
модами сигнала зависит от скоростей движений в ионосфере на разных высотах
отражений и скорости изменения коэффициентов преломления вдоль траектории
распространения.
Многочисленные исследования движений в ионосфере и характера отражений в КВ
диапазоне [75-77] показывают, что в спокойных геофизических условиях наиболее
типичные частотные сдвиги составляют порядка десятых долей герца. Поэтому, для
разделения мод в спектральной области, разрешающая способность доплеровского
измерителя должна быть не хуже 0,05 ~ 0,1 Гц, что соответствует времени
накопления порядка десятков секунд, а относительная нестабильность частоты
гетеродинов приемника не должна превышать 10-9. В случае успешного разделения
отдельных мод в спектральной области для каждой из них возможно применить
стандартную процедуру разностно-фазовой пеленгации и использовать выражения
(2.1) и (2.2) для определения углов прихода. Точность угломерных измерений
зависит от пространственного разноса приемных антенн и от погрешности изм
- Київ+380960830922