РАЗДЕЛ 2
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ИОНОСФЕРЕ
Среди современных радиофизических методов диагностики динамических процессов в ионосферной плазме одними из наиболее чувствительных к малым и быстрым изменениям концентрации или пространственного распределения электронов являются интерференционные, среди которых наиболее распространен метод активного доплеровского зондирования. Высокая стабильность применяемых в декаметровом диапазоне опорных генераторов дает возможность по ДСЧ радиосигналов на наклонных или вертикальных трансионосферных трассах определить изменения фазового пути с разрешением ~ 1 м ? с-1, что позволяет регистрировать неоднородности электронной концентрации в доли процента от фоновых значений [64]. Измерение ДСЧ на нескольких радиотрассах и частотах дает возможность контролировать динамику ионосферы в значительном пространственном и высотном диапазоне. При зондировании искусственно возмущенной ионосферы во многих случаях предпочтительным является расположение средств диагностики на незначительном удалении от источника возмущения. Системы вертикального доплеровского импульсного зондирования сигналами декаметрового диапазона обеспечивают высотную селекцию принимаемх сигналов и индицируют развитие возмущения на различных высотах [63].
В данном разделе диссертационной работы проведена оптимизация параметров импульсных сигналов доплеровского ионозонда с точки зрения существенного улучшения его энергетических характеристик. Предложена и реализована новая методика зондирования импульсами малой скважности, применение которой увеличивает интенсивность полезного сигнала на порядок по сравнению с традиционно применяемыми методиками. Для улучшения высотного разрешения при большой длительности зондирующих импульсов разработана методика обработки, основанная на двухпараметрическом разложении принимаемого сигнала, позволяющая определять эффективные высоты отражения отдельных спектральных составляющих сигнала.
2.1. Системы доплеровского зондирования ионосферы непрерывными и импульсными радиосигналами декаметрового диапазона
Системы доплеровского зондирования ионосферы непрерывными на интервале наблюдения (квазимонохроматическими) сигналами на фиксированных частотах декаметрового диапазона радиоволн стали классическим инструментом для изучения динамических процессов в Е и F областях.
Достоинствами непрерывного доплеровского зондирования являются:
- узкополосность сигнала зондирования, позволяющая получить высокое значение отношения спектральных плотностей энергии сигнала и шума при небольшой мощности сигнала зондирования P ~ 10 Вт;
- хорошее временное разрешение вариаций частоты зондирования;
- возможность использования в ряде случаев "земной" волны в качестве опорного сигнала;
- относительная простота аппаратурной реализации.
Традиционно применяемые доплеровские системы непрерывного зондирования ионосферы построены, как правило, по бистатической схеме размещения приемника и передатчика [64]. Подбором рабочих частот и геометрии разнесения радиотрасс производится некоторая локализация исследуемой области ионосферы.
Одним из видов разнесенного приема является работа по сигналам удаленных радиовещательных станций, излучающих амплитудно-модулированные (АМ) сигналы с достаточно стабильной несущей частотой. Применение узкополосной частотной фильтрации позволяет исключить влияние информационной части спектра АМ сигнала и выделить спектральные компоненты в окрестности несущей частоты.
Излучаемый узкополосный сигнал непрерывного доплеровского зондирования представляется в виде
, (2.1)
где Ао, ?о, ?о - амплитуда, частота и фаза излучаемого сигнала.
Радиосигналы, отраженные от ионосферы при вертикальном или наклонном падении, имеют, как правило, многомодовую структуру.
В большинстве случаев напряженность электромагнитного поля сигналов ионосферного зондирования декаметровыми радиоволнами мала по сравнению с собственными полями плазмы (за исключением случаев работы нагревных стендов и мощных загоризонтных радиолокаторов).
Для малого числа лучей s в линейном приближении сигнал на входе измерительного устройства можно представить в виде [64]
. (2.2)
Полная фаза ?s узкополосного колебания для каждого из лучей , откуда мгновенная частота s-й компоненты сигнала , где - смещение частоты s-й компоненты принимаемого сигнала.
Временные зависимости As(t) и ?s(t) отражают модулирующие свойства ионосферной области, существенной для распространения s-й компоненты радиосигнала.
Рис. 2.1. Преобразование спектров сигналов непрерывного доплеровского зондирования (а, в, д) и АМ-сигналов вещательных радиостанций (б, г, е) при выделении спектра ДСЧ (ж).
На рис. 2.1 показаны спектры излучаемых сигналов непрерывного доплеровского зондирования (а) и АМ сигнала (б), принятых сигналов (в) и (г), а также отфильтрованной и перенесенной в область низких частот части сигнала, несущей информацию о модулирующих свойствах ионосферы (д) и (е), соответственно. Перенос сигнала в область низких частот производится с введением некоторого фиксированного смещения по частоте, превосходящего ожидаемые максимальные абсолютные значения ДСЧ (fсм > |Fd,max|), что позволяет не потерять знак ДСЧ отдельных компонент сигнала, как это имело бы место при гетеродинировании исходной частоты fо до нулевых значений. Обработка низкочастотного сигнала может производиться любым из способов аналоговой или цифровой фильтрации, позволяющим определить ДСЧ каждой из составляющих многомодового сигнала.
На последнем этапе обработки производится учет ранее введенной подставки по частоте fсм и итоговый низкочастотный спектр идеализированного сигнала, отраженного от ионосферы, принимает вид, показанный на рис. 2.1 (ж).
Полоса фильтра, выделяющего спектральные составляющие в области несущей частоты (на рис.2.1 (в) и (г) обозначена пунктирной линией), должна быть не менее удвоенного значения максимально возможных доплеровских смещени