Методы обработки сигналов некогерентного рассеяния с учетом эффекта Фарадея

Среди радиофизических методов исследования ионосферы, одним из наиболее информативных в последние десятилетия является метод некогерентного рассеяния (НР) радиоволн. В данном методе используются мощные УКВ или СВЧ радиолокаторы, для получения информации о вертикальной структуре ионосферы и ее динамике. Метод НР позволяет получать информацию о распределении таких параметров ионосферной плазмы, как электронная концентрация Ме, электронная Те и ионная 7] температуры, ионный состав, скорость дрейфа Ус/ плазмы и др. Современные исследования структуры ионосферы, и протекающих в ней процессов во многом основаны на большом ряде данных, полученных радарами НР начиная с начала 60-х годов. Большое количество параметров плазмы одновременно измеряемых на большом интервале высот, делает данные радаров НР весьма ценными в исследовании ионосферы, в изучении связей ионосферы и нейтральной атмосферы, при исследовании влияния солнечных вспышек и магнитных возмущений на околоземное космическое пространство.

Хотя со времени проведения первых экспериментов [2] в 1958 году метод НР значительно продвинулся в техническом, теоретическом и методологическом аспектах, его широкое распространение ограничено высокой стоимостью радаров НР и их эксплуатации. По этой причине, режим работы таких установок 6 и строительство каждого нового радара НР должны быть хорошо обоснованными как с научной, так и с экономической позиций. В настоящее время в мире насчитывается девять обсерваторий оснащенных радарами НР, характеристики которых приведены в таблице 1. Поскольку существующие радары ЕР строились в разное время, для разных задач и на разной элементной базе, каждый из радаров является уникальным инструментом по местоположению, по типу конструкции и по используемому частотному диапазону. По этой причине научные группы, проводящие исследования на каждом из радаров, используют разные методы измерений, учитывая конкретную специфику инструментов.

На заре развития метода некогерентного рассеяния радары НР создавались для изучения как локальных, так и глобальных характеристик ионосферы Земли и до недавнего времени составляли две группы. Первая группа — меридиональная цепь радаров, финансируемая США, с помощью которой исследованы широтные зависимости параметров ионосферной плазмы. В нее входят радары: Джикамарка (Перу), Аресибо (Пуэрто-Рико), Миллстон-Хилл (США) и Сондерстрем (Гренландия). Вторую группу составляют высокоширотные радары НР — трехпозиционная установка Е18САТ (Швеция, Норвегия, Финляндия), Сондерстрем (Гренландия) и Свалбард (о. Шпицберген), предназначенные для исследований процессов в высокоширотной ионосфере и ее взаимодействия с магнитосферой. 7.

Таблица 1. Действующие Радары НР.

Рабочая Импульс.

Местополо Принадлеж Антенная система частота ная мощжение раданость Мгц ность ра МВт.

Джикамар ка Перу США Синфазная решетка 290м*290м 50 4.

Аресибо, США Сфероид 300 м, подвиж- 430 2.5.

Пуэрто-Рико ный облучатель.

МиллстонСША 1. Зенитный параболоид 440 3.

Хилл США 68 м 2 Полноповор. Параболоид 32 м 440 3.

Сондерстре США Полноповоротный парабо- 1300 5 м Гренлоид 32 м ландия.

Е18САТ, Сев. Скандинавия Европейс кий Союз 1. Управляемый параболический цилиндр 120м*40м (Тромсе,) 2. Полноповоротный параболоид 32 м (Тромсе) 3. Две приемные антенны (Кируна, и Сондакюля) 224 931 5 2.

Свалбард о. ШпицЕвропейск ий Союз Полноповоротный параболоид 32 м 500 2 берген.

Харьков ИИ АН Украина 1. Зенитный параболоид 100 м 150 150 3 6.

Украина 2. Полнопов. параболоид 46 м.

Ми радар, Киото, Япония Синфазная решетка 103 м 46.5 1.

Япония.

Иркутск ИСЗФ РосРоссия Секториальный рупор, облучаемый двумя волно- 158 2.8 сия водно-щелевыми антеннами 8.

В связи с активным изучением в последние годы глобального характера взаимодействий системы Солнце-Земля и созданием глобальных справочных моделей ионосферы и нижней атмосферы, особую актуальность получили одновременные, координированные измерения всех радаров НР, находящихся в разных точках земного шара. Наряду с данными спутниковых экспериментов, позволяющих на основе современных томографических методов [73] получить глобальную картину вариаций параметров ионосферы, активно развивающихся методов обработки данных сети станций ОРБ [74], данных сети ионозондов, координированные данные НР составляют основу для изучения глобального распределения и динамики параметров ионосферы в различных геофизических условиях.

В этой связи весьма перспективной была передача в 1993 году Институту Солнечно — Земной Физики Сибирского Отделения Российской Академии Наук (ИСЗФ СО РАН) радиолокационной станции «Днепр», расположенной в 120 км к северо-западу от Иркутска, с целью создания на базе данной РЛС исследовательского радара НР. Географическое положение радара в Иркутске оказалось удачным, поскольку заполнился большой пробел в данных НР по ВосточноСибирскому региону, и одновременно, с вводом его в эксплуатацию образовалась долготная цепь среднеширотных радаров — Миллстон-Хилл (США), Харьков (Украина), Иркутск (Россия) и Киото (Япония), которая приблизительно равномерно охватывает район 40−50 широт северного полушария. Координиро9 ванные наблюдения такой цепи радаров дают возможность исследовать долготные эффекты в ионосфере и глобальную картину отклика среднеширотной ионосферы на возмущения в высоких широтах.

Таким образом, преобразование РЛС «Днепр» в исследовательский радар ЕР явилось актуальной задачей как с точки зрения исследования региональных особенностей ионосферы в Восточной Сибири, так и для изучения долготных эффектов в среднеширотной ионосфере на основе кооперации с другими радарами НР. Как видно из таблицы 1, технические параметры радара в Иркутске (например импульсная мощность) не уступают другим системам, то есть потенциальные возможности данной РЛС соответствуют требованиям метода НР.

Однако ряд особенностей РЛС не позволил применить на ней непосредственно методы измерений, обычно используемые на других радарах НР. Одна из особенностей — это конструкция антенной системы радара. Антенны данного типа могут излучать только линейно поляризованную радиоволну и принимать также только одну линейную поляризацию поля. Будем для краткости называть такие антенны и радары «линейно поляризованными», понимая под этим возможность, работать только с одной поляризацией на передачу и прием.

Вследствие линейной поляризации антенны, вращение плоскости поляризации волны в ионосферной плазме из-за эффекта Фарадея приводит к тому, что на входе приемного устройства происходят периодические замирания сигнала, когда поляризации волны и антенны ортогональны. На специализированных.

10 радарах НР для учета этого эффекта обычно используют две ортогональные антенны, либо излучают и принимают радиоволны с круговой поляризацией. Наличие на РЛС «Днепр» линейно поляризованной антенны потребовало модификации методик изменений, развития методов первичной и вторичной обработки данных для решения задачи определения параметров ионосферной плазмы методом НР.

Другая особенность РЛС «Днепр» — неприспособленность отдельных блоков приемной и регистрирующей аппаратуры для проведения измерений методом НР, что также необходимо было учесть при проведении модернизации. Для реализации новых методик измерений потребовалось разработать и создать современный цифровой комплекс регистрации, контроля и первичной обработки сигналов, а также создать комплекс алгоритмов и программ вторичной обработки позволяющих определять параметры ионосферы по экспериментальным данным радара НР.

Исходя из этого, настоящая диссертационная работа была направлена на развитие теории, и практики применения метода НР на радарах, оснащенных антенной с линейной поляризацией поля, на развитие методов первичной и вторичной обработки сигналов НР, с целью получения ионосферных данных на радарах такого типа.

Основное содержание диссертационной работы составляют:

Разработка метода измерений сигналов НР на радаре, оснащенном «линейно поляризованной» антенной;

2.Разработка метода цифровой регистрации и первичной обработки сигналов в рамках выбранного метода измеренийсоздание комплекса регистрации и первичной обработки сигналов НР,.

3 .Решение задачи восстановления профиля электронной концентрации по экспериментально измеренному профилю фарадеевских вариаций мощности;

4.Разработка и экспериментальная проверка метода определения электронной и ионной температур и скорости дрейфа плазмы на основе комплексного учета измеряемых спектров и профилей мощности;

5, Исследование возможностей разработанных методик на основе анализа результатов экспериментов в различных геофизических условиях.

Научная новизна.

1. Впервые предложен и реализован метод измерения параметров ионосферы для радара с одной линейной поляризацией, основанный на одновременном измерении спектров мощности и фарадеевских вариаций мощности сигналов некогерентного рассеяния.

2. На основе предложенного алгоритма обращения свертки, впервые разработан и реализован метод определения профиля электронной концентрации и.

12 отношения температур электронов и ионов по фарадеевским вариациям профиля мощности.

3. Впервые предложен метод определения параметров Те, 7] и Ул ионосферной плазмы по спектрам сигнала НР с учетом искажения их формы из-за эффекта Фарадея.

4. Впервые для Восточно-Сибирского региона получен ряд ионосферных данных по Те, 1), Ие и Ус1 методом НР в интервале высот 200−600 км., при разных геофизических условиях, проведен их анализ и сравнение с международной справочной моделью ионосферы ШЛ-95.

Практическая и научная значимость работы заключается в том, что:

1.Созданный цифровой программно — аппаратный комплекс регистрации и обработки сигналов, используется в регулярных наблюдениях методом НР, а также в специальных радиолокационных экспериментах. Комплекс используется при решении таких задач, как наблюдение за космическими объектами, в экспериментах по вертикальному зондированию в КВ диапазоне и в других радиофизических системах;

2. Разработанный комплекс алгоритмов и программ вторичной обработки, позволяет проводить определение параметров ионосферной плазмы в диапазоне высот 200−600 км., и также используется в регулярных и специальных экспериментах;

3. Для Восточно-Сибирского сектора земного шара впервые получены результаты наблюдений методом НР, которые помещены в международную базу данных НР и используются в ионосферных исследованияхна основе этих дан.

13 ных проведена проверка репрезентативности международной справочной модели ионосферы IRI-95 в Восточно-Сибирском регионе.

Личный вклад автора:

Решение задач, поставленных и выполненных в диссертации, получено автором лично или при его определяющем участии. Автор лично участвовал в организации и проведении экспериментов, анализе экспериментальных данных. Автор является основным разработчиком программ регистрации и первичной обработки данных на радаре HP ИСЗФ. Лично или в соавторстве проведена разработка методов и создание программ определения профиля Ne (h) и алгоритмов расчета Те, Г., и Vd плазмы.

1.6.Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на рабочей группе по HP URSI в Харькове 1995 г., на Международной конференции «Физика ионосферы и атмосферы Земли, посвященная 50-летию ионосферных наблюдений в Иркутске 16−18 июля 1998, на семинаре обсерватории Миллстон-Хилл (США) 1997 г., на генеральной ассамблее URSI в Торонто (Канада) 1999 г., на XIX Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Казань, 1999, на семинарах отдела распространения радиоволн ИСЗФ. По основным результатам диссертации опубликовано 11 работ. Работа по теме диссертации выполнялась в рамках основной бюджетной темы Отдела Распространения Радиоволн ИСЗФ, при финансовой поддержке Министерства науки и технологий России на установке «Радар некогерентного рассеяния», per. № 0128., а также при поддержке американского фонда US Civilian Research & Development Foundation (CRDF) (грант RG1−199).

1.7. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Комплекс алгоритмов и программ обработки сигналов некогерентного рассеяния позволяющий реализовать измерения методом НР на радарах, оснащенных антенной с линейной поляризацией поля;

2. Методы регистрации и обработки высотного профиля мощности линейно поляризованного сигнала НР, позволяющие определять абсолютные значения высотного распределения и отношение Те / Т{.

3. Метод и алгоритм обработки высотного распределения спектральной плотности сигналов НР, позволяющие учитывать эффект Фарадея и определять Те, 7], и Ус1 ионосферной плазмы на радарах, оснащенных антенной с линейной поляризацией.

4. Результаты исследований отклика среднеширотной ионосферы в периоды солнечного затмения 9 марта 1997 г. и мощной геомагнитной бури 25 сентября 1998 г.

Структурно диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. На основе проведенных теоретических, методологических и экспериментальных исследований, для радара НР ИСЗФ, имеющего линейно поляризованную антенну, разработаны и внедрены методики регистрации, первичной и вторичной обработки, позволяющие проводить измерения ионосферных параметров Те, 7), Ые и Уа методом некогерентного рассеяния радиоволн.

2. Создан оригинальный метод определения электронной концентрации по измерению вариаций профиля мощности на линейно поляризованной антенне. Метод является независимым и не требует дополнительной калибровки. Применение метода позволяет также получать независимые оценки отношения Те! Т^ что делает более точной вторичную обработку спектров мощности.

3. Исследование искажений спектров мощности сигналов НР позволило создать методику определения параметров плазмы на основе комплексного учета всех факторов, влияющих на процесс рассеяния и распространения сигналов.

4. Созданные в рамках работы численные методы обращения свертки сигнала с прямоугольным ядром, и метод дискретных направлений для поиска глобального минимума нелинейного функционала невязки имеют большое практическое значение, и хорошо зарекомендовали себя при решении поставленных задач.

5. Сравнение результатов обработки экспериментальных данных с моделью Ж1−95 и данными других радаров подтверждает работоспособность применяемых методик и ставит новый круг вопросов по исследованию локальных особенностей ионосферы в Восточно-Сибирском секторе земного шара и крупномасштабных долготных эффектов в среднеширотной ионосфере.

Заключение

.