Современное состояние методов и техники наземного вертикального радиозондирования ионосферы
|
Скачать 427.66 Kb.
|
|
1. Сетевой российский ионозонд «Парус-А» Ионозонд “Парус-А” построен по классической схеме импульсного радиолокатора. Он использует радиоимпульс колоколообразной формы, в котором от импульса к импульсу изменяется частота в диапазоне от 1 до 20 МГц. Передатчик ионозонда (РПДУ – радиопередающее устройство) и его приемник находятся в отдельных блоках. В состав ионозонда входит система синхронизации на основе навигационных ИСЗ GPS (ГЛОНАСС), обеспечивающая работу ионозонда в режиме наклонного зондирования. А также в режимах прямого трансионосферного (ТИЗ) и обратного трансионосферного (ОТИЗ) зондирования.  Радиопередающее устройство ионозонда «Парус-А» Особенностью классической схемы ионозонда является наличие мощного радиопередатчика, которое совместно с антенной системой, разделенной на приемную и передающую части, обеспечивает высокое соотношение сигнал/шум на входе приемного устройства. В составе ионозонда есть передающая ромбическая антенна и две скрещенные приемные дельта-антенны. Разделение магнито-ионных компонент по признаку поляризации, таким образом, происходит в приемном тракте. Подвариантом антенны ионозонда являются два скрещенных ромба, один из которых подключен к передатчику, а прием производится на оба скрещенных ромба, на которых и происходит разделение по признаку поляризации. В планах создателей есть программа излучать с двух ромбов последовательно с вращением вектора поляризации, соответствующим обыкновенной и необыкновенной волнам. Цифровое радиоприемное устройство служит для приема двух поляризационных компонент сигналов, отраженных от ионосферы, и имеет два основных и два резервных канала.  Радиоприемное устройство ионозонда «Парус-А» Программа управления ионозонда осуществляет координацию работы всех его элементов, оцифровку и временное запоминание принятого сигнала, а также передачу оцифрованных данных в вычислительный комплекс. На рисунке 3 показана ионограмма с элементами автоматической оцифровки, автоматически определенными параметрами ионосферы (справа от ионограммы) и вычисленным N(h)-профилем.  Рис. 3. Типичная ионограмма ВЗ на ионозонде «Парус-А» Высокая мощность передатчика обеспечивает в режиме ВЗ более качественную работу ионозонда в сложных условиях, а также она должна обеспечивать более надежное срабатывание схем наклонного и трансионосферного зондирования. Создатели ионозонда провели сравнение практически одновременной работы расположенных на территории ИЗМИРАНа в одном и том же месте ионозондов DPS-4 и “Парус-А”. На рисунке 4 приведены две ионограммы, которые были получены в условиях сильного поглощения радиоволн. Хорошо видно, что ионограмма ионозонда “Парус-А” представляет значительно больше информации о структуре и параметрах ионосферы. Это особенно необходимо для автоматического распознавания и оценивания следов отраженных от ионосферы сигналов.
Создатели ионозонда «Парус-А» также отмечают эффективность работы системы синхронизации ионозонда вообще, а также возможность работы двух ионозондов в режиме наклонного зондирования. Они демонстрируют две ионограммы (см. рис. 5), полученные на станциях ИЗМИРАН (слева) и Ростов-на-Дону (справа).
На этих ионограммах кроме следов ВЗ наблюдаются также следы взаимного наклонного зондирования на трассе Москва – Ростов-на-Дону. Эти дополнительные следы представляют собой зависимость действующей наклонной дальности Р' от частоты зондирования. Хорошо видно, что основной особенностью этих деталей ионограммы является наличие в некотором диапазоне частот двух сигналов одной поляризации, смыкающихся при некоторой частоте. Сигналы с большей групповой задержкой движутся в ионосфере по более высоким траекториям (лучи Педерсена). Отмечается два обстоятельства: а) высокая степень совпадения группового пути следов отражения от E слоя, что характеризует точность синхронизации и б) совпадение МПЧ 1F2 в прямом и обратном направлениях. Последнее обстоятельство, а также вид и детали ионограмм во всем частотном диапазоне наглядно демонстрируют теорему взаимности. Элементы наклонного зондирования ионосферы на односкачковой трассе, которые определяются на ионограммах ионозонда «Парус-А» могут быть средством контроля состояния ионосферы в средней области трассы. Ионограмма НЗ достаточно просто интерпретируется на основе теорем эквивалентности и закона секанса с теми или иными особенностями. В частности, частота, на которой смыкаются верхние и нижние лучи, достаточно близка к максимально применимой частоте на данной трассе. 2. Наиболее широко распространённый по планете американский дигизонд* «DPS-4», выпускаемый Центром атмосферных исследований Лоуэллского университета США В настоящее время этот ионозонд [9,23] является самым распространенным диагностом состояния ионосферы на планете. Его основной создатель – американский ученый немецкого происхождения Бодо Рейниш – вполне обоснованно считает, что он создал планетарный ионосферный зонд, который одновременно производит измерения на всей Земле. Схема расположения дигизондов на планете приведена на рис. 6.  Рис. 6. Схема размещения дигизондов на планете. Хорошо видно, что ионозонды Рейниша распространены в большинстве наиболее технологически развитых стран и являются собственностью этих стран. Все они имеют одну особенность - каждая может получать практически сиюминутную информацию о состоянии ионосферы не только со своего дигизонда, но - отдавая свои данные в общую сеть, может получать также и с любого другого ионозонда этой всемирной сети станций GIRO. Это, конечно, резко улучшает качество работ ионосферных служб каждой страны, имеющей дигизонды. Однако, вся сеть находится под американским контролем, и уже отмечено, что из тех районов, в которых ведут военные действия войска США, а также в некоторых других случаях, ионосферная информация в общую сеть перестает поступать. DPS-4 состоит из основного блока, монитора, 2-х передающих антенн, 4-х приемных антенн с поляризационными ключами, GPS-приемника и блока батарей резервного питания.  Портативный американский дигизонд DPS-4 Основной блок включает в себя два компьютера, передатчик, четыре приемника, и сигнальный процессор. Основной компьютер управляет процессами приема и передачи, считывает данные из выходного буфера сигнального процессора, осуществляет преобразование данных в необходимый формат, записывает данные на жесткий диск вспомогательного компьютера. Вспомогательный компьютер осуществляет вторичную обработку данных, записывает данные на жесткий диск, на CD-диск, пересылает данные на сервер через FTP-канал. Отличительной особенностью ионозонда DPS-4 является его малая мощность, в ионозонде используются два передатчика мощностью по 150 Вт каждый. Тем не менее, за счет специальных методов обработки сигнала удается достичь достаточно высокого отношения сигнал/шум (c/ш). Поскольку волна, отраженная от ионосферы, имеет левую (обыкновенная компонента) либо правую (необыкновенная компонента) круговую поляризацию, передающие и приемные антенны настраиваются на левую либо правую круговую поляризацию одновременно, что дает дополнительный выигрыш в 3 дБ в отношении с/ш. Настройка передающей системы осуществляется излучением с 2-х взаимно перпендикулярных антенн сигналов, сдвинутых по фазе на ±90°. Приемная система DPS состоит из 4-х антенн (см. рис. 7), каждая из которых представляет собой две скрещенные ортогональные рамки размером 1.6x1.4 м. Настройка на круговую поляризацию осуществляется сложением сигналов с двух рамок со сдвигом фаз ±90°. Кроме выигрыша в отношении с/ш поляризационное согласование позволяет разделять обыкновенную и необыкновенную компоненты, что существенно облегчает интерпретацию экспериментальных данных.  Рис. 7. Приемная система DPS состоит из 4-х антенн, три антенны расположены в вершинах равностороннего треугольника со стороной 60 м, одна – в центре этого треугольника. Разнесенный прием позволяет измерять вертикальный θ и азимутальный ψ углы прихода отраженной от ионосферы волны. Вместо традиционного прямоугольного импульса в DPS-4 используются 2 фазоманипулированных комплиментарных кода. За счет согласованной обработки исходный код длительностью 533.33 мкс сжимается в треугольный импульс длительностью 33.33 мкс, при этом отношение с/ш возрастает в 32 раза (на 15 дБ). В DPS-4 используется когерентное накопление, основанное на том, что в течение некоторого интервала времени фазы сигналов, отраженных от ионосферы, меняются линейно по времени. В этом случае появляется возможность когерентного сложения сигналов с компенсацией фазовых сдвигов, что повышает отношение с/ш пропорционально количеству суммируемых сигналов. Когерентное доплеровское интегрирование принимаемых сигналов осуществляется на основе дискретного преобразования Фурье, максимальный ожидаемый выигрыш в с/ш – 128 (21дБ). Кроме выигрыша в отношении с/ш когерентное доплеровское интегрирование позволяет измерять доплеровский сдвиг частоты. Для повышения отношения с/ш в ионозонде предусмотрена система поиска частот с минимальным уровнем помех. Перед зондированием ионозонд измеряет уровень помех, как на заказанной частоте, так и на соседних частотах с выбранным шагом. В итоге поиска для зондирования выбирается частота с минимальным уровнем помех. Сигнальный процессор осуществляет первичную обработку принятого сигнала на промежуточной частоте 225 кГц. Итогом оцифровки являются квадратуры сигнала. Полный набор измеряемых на ионозонде параметров включает:
Вторичная обработка состоит из согласованной обработки сигнала и когерентного доплеровского интегрирования. Итогом вторичной обработки является набор доплеровских спектров  где m – номер доплеровской линии, k – номер высотного отсчета, j – номер антенны, n – номер действующей высоты. В дальнейшем эта информация записывается или в виде собственно набора спектров (при измерениях скорости дрейфа ионосферной плазмы), или в виде ионограмм (см. рис. 8) при измерении профиля электронной концентрации. Основу ионограммы представляет матрица амплитуд  . В дополнение к амплитудной информации записываются значения доплеровского сдвига.Диагностика ионосферы состоит из восстановления профиля электронной концентрации и измерения скорости дрейфа ионосферной плазмы.  Рис. 8. Ионограмма дигизонда с разделением принятых сигналов по признаку поляризации (красный – о луч, зеленый – х луч). Сплошная черная линия – восстановленный программой N(h)-профиль. Слева – результаты автоматического определения параметров ионосферы. Внизу – результаты определения по данной ионограмме максимально применимой частоты для указанных расстояний. Восстановление профиля электронной концентрации осуществляется на основе обработки ионограмм. Обработка состоит из 2-х частей: 1) выделение треков, построение высотно-частотной характеристики h'(fn), соответствующих E, F1 и F2-слоям ионосферы; 2) восстановления профиля электронной концентрации. Используется модель E-F–долины, построенная на основе обобщения данных некогерентного рассеяния. При отсутствии E-трека на ионограмме используется модельный параболический E-слой. Выше высоты максимума профиль прописывается слоем Чепмена. Измерение скорости дрейфа ионосферной плазмы основано на измерении характеристик сигналов, отраженных от ионосферных неоднородностей. Предполагается, что неоднородности движутся как единое целое, т.е. с одинаковой скоростью и в одинаковом направлении. Регистрация доплеровских спектров позволяет: 1) разделять сигналы, отраженные от различных неоднородностей; 2) измерять доплеровские сдвиги частоты сигналов fd; 3) измерять разность фаз между сигналами, принятыми на различные антенны и вычислять вертикальный θ и азимутальный ψ углы прихода, которые отождествляются с направлением на неоднородность. Доплеровские сдвиги частоты fd определяют лучевую скорость движения неоднородности ν = fd λ/2, которая связана с компонентами скорости дрейфа (Vx, Vy, Vz) следующим соотношением:  . Монитор определения скоростей движения ионосферных неоднородностей При наличии сигналов, отраженных от 3-х неоднородностей, компоненты (Vx, Vy, Vz) вычисляются решением линейной системы из 3-х уравнений. При наличии сигналов, отраженных более чем от 3-х неоднородностей, компоненты (Vx, Vy, Vz) вычисляются методом наименьших квадратов. Следует отметить, что для вычисления скорости дрейфа необходимо, наличие сигналов, отраженных, как минимум, от 3-х неоднородностей. Это требование успешно реализуется на полярных и субполярных ионосферных станциях, и далеко не всегда выполняется для среднеширотных станций. 3. Диназонд (динамический цифровой ионозонд) Наиболее яркий современный представитель – Диназонд 21, цифра подчеркивает, что это ионозонд нового века. Предназначение – реализация всех возможностей полного внутреннего отражения ВЧ радиосигналов для прецизионной диагностики динамических процессов и структурных особенностей ионосферной плазмы. Главные особенности идеологии диназонда реализованы в присущих ему методах обработки данных. Научными продуктами диназонда являются [10,14,18,19]: надежное автоматическое определение стандартных ионосферных параметров; трехмерная инверсия электронной концентрации методом NeXtYZ, диагностика спектра мелкомасштабных неоднородностей методом структурной функции фазы, и векторные скорости движения ионосферных слоев, все получаемые в стандартном режиме работы, непосредственно из данных ионограммы. Система обеспечивает число параллельных приемников равное числу приемных антенн (по 8). Это означает, что физические параметры радиоэхо, те которые зависят от частоты и времени (дальность, доплер), и те которые зависят от пространственного расположения антенн (углы прихода, поляризация), могут вычисляться полностью независимо друг от друга. Основное отличие диназонда от дигизонда состоит в том, что диназонд не преобразовывает временные вариации фазы в частотный спектр, вместо этого каждый отраженный от ионосферы сигнал рассматривается как индивидуальный объект («радиоэхо»), который характеризуется рядом физических свойств. Естественный физический объект – радиоэхо – полностью заменяет в идеологии диназонда более грубое понятие «ячейки в пространстве дальность-частота», берущее начало в «по-пиксельном» подходе к обработке старых аналоговых ионограмм. Такой подход обеспечивает очень хорошую статистику результатов и высокую точность всех измеряемых параметров радиоэхо. Разность фаз между несколькими (от 4 до 8) импульсными сигналами, излучаемыми со специально подобранными небольшими смещениями по частоте и полученными с нескольких (4–8) антенных приемных каналов, используется для распознавания радиоэхо и определяет семь его параметров. Важнейшие из них – «доплер» (±3 м/сек), групповой путь (рассчитываемый с помощью прецизионного метода стационарной фазы, ±100 м), отклонение эхо-сигналов к северу и к востоку (±1 км), поляризация (±1º), амплитуда (±1 дБ). (Указаны не теоретические пределы разрешения, а средние практические погрешности для высокоширотной станции EISCAT Тромсё, которые определяются уровнем возмущенности ионосферы.) Избыток измеряемых разностей фаз используется для реализации второго основополагающего принципа работы диназонда – объективной оценки погрешности измерений. Оценка погрешностей определяемых физических параметров дает дополнительные физические параметры каждого эхо-сигнала. Так, пространственные фазовые отличия второго порядка в пределах принимающей антенной решетки служат одновременно и особыми количественными характеристиками погрешности определения направления прихода сигнала и в то же время описанием пространственной кривизны формы волны. Режим зондирования диназонда и форма излучаемого импульса специально подобраны так, чтобы минимизировать помехи другим пользователям радио спектра. Диназонд позволяет реализовать разнообразные и изощренные методы обработки данных высокого уровня. Благодаря точности физических параметров и количеству распознанных диназондом радиоэхо процедуры автоматической классификации эхо в «следы» и последующего их отбора эффективно пользуются критериями, основанными на физике процесса распространения радиоволн в плазме, а не абстрактными методами обработки изображений. Процедуры инверсии получают входные данные в наиболее оптимальном виде. В диназонде впервые реализуется качественный скачок в диагностике ионосферы. От характеристики ионосферы как плоскослоистой среды, при которой все изменения имеют только вертикальный градиент, к характеристике ионосферы как «клиновидностратифицированной», или «клиновиднослоистой» среды (см. рис. 9).  Рис. 9. Примеры плоскослоистой и клиновиднослоистой ионосферы В такой среде поверхности равной плотности плазмы представляются для небольших инкрементов плазменной частоты наклонными сегментами плоскостей. Наклон каждой единичной плоскости характеризуется двумя горизонтальными компонентами вектора нормали к поверхности плазменной плотности, который определяет локальное направление полного градиента в слое. Распространение зондирующих сигналов в клиновиднослоистой ионосфере принципиально трехмерное, что соответствует реальным наблюдениям. Истинное положение точек отражения определяется рефракцией в неоднородной ионосферно-магнитной плазме. В «прямой задаче» производится расчет траекторий, если плазменное распределение известно во всех трех измерениях. В «обратной задаче» расчет траекторий становится компонентой в процедуре согласования (оптимизации) пространственного распределения электронной плотности с измеренными параметрами эхо-сигналов. На рис. 9 показаны символические траектории сигналов и геометрия задачи оптимизации. При этом восстанавливаются параметры параметрической модели, которая локально описывает и вертикальные и горизонтальные градиенты плотности ионосферной плазмы. Базовые параметры эхо-сигналов диназонда переопределяются в процедуре наименьших квадратов, что дает их формальные погрешности. Однако более существенные неопределенности связаны с наличием средне- и мелкомасштабных неоднородностей в ионосфере, которые непосредственно не описываются клиновиднослоистой моделью. Оценки таких неопределенностей являются естественным продуктом описанной выше инверсионной процедуры. Успех процедуры оптимизации измеряется конечным значением суммы квадратов невязок для соответствующего клина. Чем она меньше, тем точнее решение. Однако минимальное значение разницы никогда не достигает нуля. Оно рассматривается как статистическая характеристика оставшегося локального расхождения между набором данных и решением. Это готовая оценка локальной неопределенности инверсии. Переведенная из действующей дальности в реальные высоты, величина неопределенности может быть представлена вдоль оси высот. Оценка неопределенности плазменной плотности также легко достигается, так как плазменный градиент известен вдоль всего профиля. На рисунках 10а и 10б представлены две ионограммы, полученные системой обработки данных «Диназонд 21» [17].   Рис. 10. Ионограммы «а» и «б» представлены в (неполном) стандартном формате представления данных диназонда (другие графики, показывающие доплер, эхолокации, поляризацию и параметр ошибки, не приведены). Групповой диапазон эхосигналов и частота сигнала показаны в логарифмических координатах; цвета помечают классы эхосигналов или «следы». Амплитуды в децибелах для радиоэхо (цветные точки) и шума (чёрные) и калибровочная кривая амплитуды расположены внизу графика. Вставка, разделяющая те же высотные координаты, что и вертикальный профиль, показывает локальные углы наклона полного градиента плотности в магнитных меридиональной (красная линия) и зональной (голубая) вертикальных плоскостях. Оценки неопределенностей профиля («а») невелики в спокойной ионосфере и («б») становятся больше в присутствии «диффузного слоя F». На них также нанесены и соответствующие результаты инверсии профилей плазменной плотности в одном из стандартных представлений данных диназонда. Другие получаемые диназондом графики (доплер, поляризацию, параметр ошибки, параметры эхо-локации) здесь не показаны. Ионограмма на рис. 10а относится к спокойным ионосферным условиям. Ионограмма на рис. 10б относится к средне возмущенным условиям. Важной характеристикой предлагаемого в Диназонде 21 метода оценки погрешностей инверсии является то, что он производит результат специфичный не только для каждой ионограммы, но и для каждого конкретного участка выдаваемого N(h)-профиля, что хорошо демонстрируют приведенные ионограммы. Антенная система диназонда выбирается каждой группой исследователей применительно к задачам, которые решаются. На станции Wallops (США) используется антенная система, состоящая из одной передающей антенны и 8 приемных (рис. 11).  Рис. 11. Антенная система диназонда станции Wallops. В качестве передающей используется двойная логопериодическая зигзагообразная перевернутая антенна, которая поддерживается 4-мя 36 метровой высоты мачтами, расположенными по сторонам квадрата 75х75 м. Наряду со стандартным, возможен широкий спектр специальных режимов работы диназонда. Возможна реализация режима радиозондирования, при котором он адаптируется к текущим ионосферным условиям. Работа диназонда, функции управления, сохранения и передачи данных реализованы на основе современных компьютерных методов в наборе программ Диназонд 21. Этот пакет программного обеспечения протестирован в ходе многолетней работы в реальном времени с данными старых диназондов. Методы анализа Диназонда 21 зарекомендовали себя не только как точные и адаптируемые для многих исследовательских целей, но и как весьма устойчивые – свойство важное для оперативных применений систем ионосферного зондирования. С ноября 2007 года данные, производимые в реальном времени новыми радарами, упомянутыми выше, обрабатываются этим программным обеспечением. |
||||||||
Похожие:
 |
Книга Современное состояние, обоснование предложений по территориальному... Книга Современное состояние, обоснование предложений по территориальному планированию |
 |
Дипломная работа "Современное состояние и изменение биогенных компонентов... Еятельности человека. Поэтому время требует рассмотрения и анализа уже происшедшего, чтобы создать программы будущего рационального... |
|
Дипломная работа Тема: Страхование средств автотранспорта в рф: современное... Тема: Страхование средств автотранспорта в рф: современное состояние и перспективы развития |
|
Приказ от 20 июня 1994 г. N дв-58 об утверждении "наставления по... России, которое учитывает накопленный опыт поддержания летной годности воздушных судов, современное состояние, структурные, организационные... |
|
О совершенствовании мероприятий по профилактике вертикального пути Вич-инфекции с применением наиболее эффективных и безопасных методов профилактики, что требует усиления взаимодействия между акушерско-гинекологической,... |
|
Содержание 1 Современное состояние муниципального образования «поселок городского типа Кукмор» 1 |
|
На правах рукописи Международное иновещание: этапы развития, специфика и современное состояние 6 |
|
В российской федерации Современное состояние и проблемы дополнительного естественнонаучного образования детей |
|
Современное состояние территории Современная планировочная структура, функциональные зоны и планировочные ограничения |
|
В. Жириновский Россия и Япония Экономическое сотрудничество России и Японии: современное состояние и перспективы |
|
Общество с ограниченной ответственностью Современное состояние системы санитарной очистки и уборки мо "город архангельск" 24 |
|
«Архитектурно-планировочное бюро-сервис» Современное состояние и перспективы социально экономического развития города. 17 |
|
Современное состояние рынка легковых автомобилей Выводы и рекомендации по повышению конкурентоспособности российских производителей 11 |
|
Общество с ограниченной ответственностью Современное состояние системы санитарной очистки и уборки мо "город архангельск" 24 |
|
Дипломная работа Современное состояние конъюнктивальной микрофлоры пациентов до и после хирургического лечения катаракты |
|
Учебно-методический комплекс дисциплины Опд. Ф история и современное состояние молодежного движения в России и за рубежом |