Современное состояние методов и техники наземного вертикального радиозондирования ионосферы
|
Скачать 427.66 Kb.
|
|
4. Диназонд «ТОМИОН», реализованный в Томском университете Ионозонд «ТОМИОН», по представлению авторов, претендует на роль сетевого ионозонда для станций Росгидромета. Его создатель – Колесник Сергей Анатольевич, прошел практику работы на Диназонде 21 в Колорадском Университете (США). После этого Томский университет купил первый в нашей стране Диназонд 21 и адаптировал его к российским условиям. На базе этого американского диназонда, и после получения специального гранта правительства РФ, был создан «ТОМИОН». Он выполнен по стандартной схеме, характерной для многих известных ионозондов. Отличительной чертой этого ионозонда является цифровое представление излучаемых и принимаемых ВЧ сигналов. Все цифровые блоки (ЦАП и АЦП) ионозонда выполнены в виде PCI плат. Управление ионозондом осуществляется управляющим персональным компьютером. Структурная схема сетевого ионозонда «ТОМИОН» представлена на рис. 12.  Рис. 12. Структурная схема ионозонда Томского университета По мнению авторов в сетевом ионозонде «ТОМИОН» реализованы лучшие моменты, которые используются в ионозонде «Dynasonde-21». Первый момент, реализована функция калибровки всего антенно-фидерного тракта прямо в режиме радиозондирования. Это обстоятельство позволяет с высокой точностью проводить фазовые измерения и реализовывать принцип стационарной фазы, который позволяет существенно повысить точность по определению дальности отраженного сигнала. Авторы считают, что если в ионозонде нет возможности контроля калибровки антенно-фидерного тракта в режиме радиозондирования, то результатам фазовых измерений можно доверять только косвенно, а метод стационарной фазы реализовать вообще невозможно. Второй момент, реализовано предварительное усиление сигнала на приемные антенны с целью компенсации потери уровня сигнала при прохождении антенно-фидерного тракта. Это усиление осуществляется с помощью специально разработанных приемных антенных усилителей, способных работать при температуре окружающего воздуха от +50°С до -60°С. Третий момент, весь приемный фидерный тракт выполнен в стандарте витой пары 7Е категории, что существенно упрощает и удешевляет в целом всю систему. Методика выделения эхо-сигналов заключается в применении корреляционного приема, с использованием излученного сигнала. Далее происходит разделение на обыкновенную и необыкновенную компоненты. Все последующие функции выполняются раздельно для I и Q компонент. В этих функциях используются различные критерии выделения сигнала на фоне эфирного шума. Критерием выделения эхо-сигналов является; превышение амплитуды сигнала выше рассчитанного динамического порога, соответствие по углам прихода и по доплеровскому смещению эхо-сигналов. Все эти критерии позволяют однозначно выделять эхо-сигналы на фоне шума. Пример очищенной от шума ионограммы с разделенными модами представлен на рис. 13 (красный цвет – обыкновенная мода, зеленый – необыкновенная, по оси абсцисс – частота в МГц, по оси ординат – действующая высота в км).  Рис. 13. Очищенная от шума ионограмма Дополнительное зондирование позволяет более точно определить местонахождения на ионограмме отсечек отраженных сигналов в E, Es, F1 и F2 и оценить пространственные характеристики и структуру мелкомасштабных неоднородностей в ионосфере. Это зондирование происходит на частотах, полученных в результате предварительной обработки принятых эхо-сигналов. Применение фазовых измерений также существенно расширяет возможности системы. В частности, можно определять углы наклона электронной концентрации над областью зондирования [24]. Углы наклона электронной плотности определяются в зависимости от действующей высоты. Для вычисления истинной высоты ионосферных слоев используется метод инверсии ионограмм. Задача инверсии ионограммы – пересчитать действующие значения высот в истинные высоты. Результаты инверсии представлены на рис. 14.  Рис. 14. Пример выходных данных ионозонда «ТОМИОН». Слева вверху представлены зависимости плазменной частоты для обыкновенной (желтый цвет) и необыкновенной (красный цвет) компонент от действующей высоты и рассчитанный профиль плазменной частоты от истинной высоты (белый цвет). Справа вверху представлены углы наклона электронной концентрации в градусах (направление Север – Юг синим цветом, направление Восток – Запад красным цветом). Внизу рисунка представлено трехмерное распределение плазменной частоты от высоты в угле раскрыва излучающей антенны. Так как телесный угол раскрыва излучающей антенны составляет 30 градусов, то геометрические размеры определяемых мелкомасштабных неоднородностей зависят от высоты (диаметр высотных разрезов плазменной частоты, представленной на рис. 14, равен высоте ионосферы). В дополнение к представлению данных, изображенных на рис. 14, есть возможность просмотра данных радиозондирования на любой высоте в угле раскрыва излучаемой антенны. Кроме определения углов наклона электронной плотности для каждой моды эхо-сигнала рассчитываются скорости движения электронной плотности по доплеровскому смещению частоты. В итоге после обработки трехмерной ионограммы появляется возможность построения пространственной структуры ионосферы над измерительным пунктом. В качестве примера на рис. 15-16 представлены данные радиозондирования на фиксированных высотах областей Е и F в ln(Ne).   Рис. 15. Представление данных на фиксированных высотах области Е ионосферы   Рис. 16. Представление данных для фиксированных высот области F ионосферы Создатели ТОМИОНА также утверждают, что суммарное представление всех данных сеанса радиозондирования в итоге позволяет строить пространственные распределения плотности электронов над ионозондом. 5. Кинезонд Основан на использовании множества разнесенных приемников, оснащенных элементами традиционного цифрового ионозонда. Он предназначен для определения ионосферных движений (дрейфов) и позволяет изучать размеры, форму, анизотропию, время жизни неоднородностей, т.е. так называемую, «тонкую» структуру ионосферы. Основные идеи кинезонда после 80-х годов были воплощены при создании Диназонда. После 2000 года самостоятельного значения не имеет. О ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИОНОСФЕРЫ МЕТОДОМ ВЗ, ВОЗМОЖНОСТЯХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ НЕРАДИОВОЛНОВЫМИ МЕТОДАМИ И КОРРЕКТНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СООТВЕТСТВУЮЩИХ МОДЕЛЬНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ Вопрос точности отсчета основных характеристик ВЗ – действующей высоты, критической частоты различных слоев Е, F1, F2, всей кривой h'(f), а также точности определения максимальной применимой частоты (МПЧ) является сложным. В аналоговых устройствах считается необходимым достижение следующей точности: для слоев Е и Es Δh = ±2 км, области F Δh = 5 км, для слоев Е, Es Δf = 0,05 МГц, для области F Δf = 0,1 МГц и М(3000) = 0,05. Следует отметить два момента. Во-первых, относительная точность отсчета может быть выше, так как она определяется точностью отсчета значений по ионограммам, а не абсолютной точностью измерений. Во-вторых, в аналоговом оборудовании лучших типов достижима большая точность (δh' = ±1 км). Наконец, следует отметить, что точность отсчета значений h'(f)-кривой неодинакова в разных частях ионограммы, и в принципе, для задач диагностики околоземной плазмы следует рассматривать не ее, а точность конечного определения N(h)-профиля. Реальный N(h)-профиль ионосферы является непрерывным, и при его определении наиболее существенна методика учета так называемой «ненаблюдаемой» ионизации. Это два участка (три участка, если учитывать и область ионосферы выше  ) h'(f) кривой, один из которых расположен ниже минимального порога частоты данного ионозонда  . Второй связан с «долиной», т.е. областью ионизации между областями Е и F, где существуют меньшие значения N, чем в максимуме слоя Е. Комбинированная методика приносит наибольший успех. Она состоит в использовании наилучшим образом сочетающихся методов. Именно, методов наиболее точного отсчета параметров h'(f)-следов на поляризационных ионограммах, наиболее точных способов расчета N(h)-профилей и оптимального привлечения так называемой дополнительной информации. В экспериментах по сопоставлению полученных таким образом N(h) -профилей с профилями, измеренными на высотных ракетах типа «Вертикаль» [12] были определены – характер этой дополнительной информации и способы ее обработки. При этом было показано следующее. Для получения наивысшей точности расчета N(h)-профиля внутренней ионосферы на основе наземного радиозондирования необходимо корректное определение истинной высоты на минимальной частоте ионограммы (). В сопоставлении с экспериментальными данными зондовых измерений на малых ракетах было найдено, что наилучшей дополнительной информацией, получаемой методами ВЗ на этом участке ионограммы, являются результаты измерений полного поглощения радиоволн при отражении от слоя Е. На этом основании создан модифицированный метод Байнона и Рангасвами, который доведен до стадии инженерных расчетов [7].Указанный метод основан на одновременном измерении двух параметров – действующей высоты h' и полного поглощения L – и исходит из модельного профиля N(h) для   , (1)где р = 1,2;  – электронная концентрация на h = 60 км, α – параметр экспоненты. Поскольку h' и L функции N(h), то, подставляя зависимость (1) в соответствующие уравнения для h' и L, определяем  и  , т.е. весь модельный профиль и особо важную точку  .Далее было показано, что для второй области ненаблюдаемой ионизации – долины – наилучшие результаты приносит совместное решение соответствующих интегральных уравнений относительно групповых задержек для обеих компонент магниторасщепленного сигнала на частотах более foE. Идея совместного учета обеих компонент основана на том факте, что групповое запаздывание для обыкновенного и необыкновенного лучей в одинаковой плазменной обстановке различно и независимо. Решение для распределения N(h) в долине, так же как и в D-области, возможно только в классе модельных решений или некоторых эквивалентов истинному распределению. При наличии монотонных эквивалентов фактически вычисление сводится только к расчету ширины долины (т.е. области высот, где  ), в то время как для немонотонных эквивалентов необходимо, кроме ширины, вычислить также глубину долины (т.е. диапазон уменьшения N выше максимума слоя Е).Таким образом, радиозондирование может давать информацию об областях ионосферы, в классическом смысле «не наблюдаемых» ионозондом, – «нижележащей области» и долине. Известно, что в относительном ходе действующих высот обеих магниторасщепленных компонент h'o(f) и h'x(f) в диапазоне частот, отражающихся от F-области и превышающих foE на 60–90 кГц, заложена информация о том, происходит ли уменьшение концентрации выше  .
В этих экспериментах для расчета N(h)-профиля использовались оба магниторасщепленных следа поляризационной ионограммы и данные по поглощению радиоволн на частоте 2,0 МГц. Истинные высоты определялись для концентрации N в интервале от 100 см -3 до максимальных значений  в области F. Оценка погрешности N(h) -решения проводилась по остаточной сумме квадратов невязок действующих высот h'. Высота максимума F-области рассчитывалась четырьмя методами, в каждом из которых вблизи максимума строилось параболическое распределение. В методе 1 значения приведенной высоты однородной атмосферы H и  находились из условия сшивания параболы и ее производной с последним надежно определяемым из ионограмм интервалом электронной концентрации. В методе 2 те же параметры находились из условия совпадения параболы и вычисленного N(h)-профиля на высотах с электронными концентрациями 0,8 и 0,9 . В методе 3 для определения истинной высоты бралась действующая высота на частоте 0,834foF2 [8]. По методу 4 определялась непосредственно при нахождении N(h)-профиля из набора действующих высот на частотах вблизи foF2.На рисунке 17 сопоставлены N(h)-профили, измеренные на ракете и вычисленные по данным комплексного ВЗ. Среднеквадратичные отклонения вычисленных высот не превышают 2 км. Использование данных о поглощении радиоволн позволяет в нижней части ионосферы на  получить удовлетворительное согласие между оценкой по методу 3 и ракетным профилем. Точность определения высоты отражения для  в приведенном случае составляет около 1,5 км. Наибольшее расхождение N отмечается вблизи  (12%); различие между высотами составляет 6 км. Расхождение в области F2, достигающее 10%, авторы объясняют неучтенным при расчетах экранированием этой области слоем Es. В указанных экспериментах была отработана методика учета особенностей ионограмм (в том числе и слоев Es) для наиболее точных расчетов N(h)-профилей по данным наземного радиозондирования.Использование идей сомкнутого профиля и привлечение наиболее адекватной для данного высотного диапазона дополнительной информации, откорректированной по результатам ракетных экспериментов, позволяет строить по данным наземного ВЗ N(h)-профили, практически мало отличающиеся от ракетных. На рисунке 18 в качестве иллюстрации приведен дневной ход N(h)-профилей от основания ионосферы до высоты максимума концентрации электронов по данным ст. Ростов-на-Дону. При этом использован метод, который построен на основе сведений, полученных при сопоставлении экспериментов ВЗ и данных ракетных измерений.
1. Наблюдения. Измеряемыми величинами являются групповая задержка, амплитуда, сдвиг частоты и фаза каждого эхо-сигнала. Эти (или эквивалентные) им величины должны быть определены как функции независимых переменных – пространственных координат, времени и частоты зондирующего передатчика. 2. Определение геофизических параметров атмосферы и плазмы, вычисленные на основе теоретических соотношений и (если это приемлемо) процедуры статистической обработки. Они включают в себя методы расчета профилей концентрации и частоты соударений электронов в ионосфере, а также методы определения ионосферных скоростей. 3. Определение всех параметров и процессов в верхней нейтральной атмосфере и ионосфере. Некоторые из них, например, скорость ветра и проводимость определяются непосредственно из наблюдений. Другие, например, турбулентная диффузия, едва ли могут наблюдаться какими-либо средствами, их следует рассчитывать исходя из их воздействия на среду. 4. Сравнение с данными, полученными независимо от ВЗ в иных экспериментах. Здесь ионозонд служит контрольным прибором и является, как правило, участником каждого такого эксперимента. Вопросы нахождения связи между величинами, полученными из наблюдений, и расчетными величинами фактически идентичны кругу вопросов, который часто называют теоретическим моделированием ионосферы и верхней атмосферы. При этом, хотя конкретные связи между блоками могут рассматриваться по отдельности и, быть совершенно различными по сложности, именно степень успеха всей функциональной схемы как самосогласованной модели определяет уровень наших знаний. Невозможно не согласиться с этим утверждением. Однако добавим, что степень успеха всей конечной теоретической модели прежде всего зависит от того, все ли существенные связи не только учтены, но и обеспечены блоками надежного определения необходимых экспериментальных данных. Поясним это на примере. Например, в соответствии с рис. 19 амплитуда отраженного сигнала дает возможность определять эффективную частоту соударений  . В том случае, если  , т.е. равна сумме соударений с нейтралами и ионами,  действительно дает возможность определять, как, и показано на рис. 19, температуру. Показано, что такая ситуация справедлива для слоя Е. Однако и длительные измерения  , проведенные различными авторами в различных экспериментах, и особо тщательные измерения в наземно-ракетных экспериментах показали, что в области F существует заметное расхождение между теоретическими и экспериментальными значениями  . Это означает, что существует механизм дополнительного поглощения радиоволн. Ранее была высказана гипотеза, что дополнительное поглощение возникает вследствие взаимодействия волны с развитой плазменной турбулентностью. Причины, порождающие турбулентность, могут быть различными; ее источником может быть, например, электрическое поле. Если это так, то на рис. 19 существенные связи в самосогласованной системе могут быть иными. По современным представлениям дополнительное поглощение происходит вследствие рассеяния волн на мелких неоднородностях.
Таким образом, ионозонд реально станет центральным прибором мониторинга ионосферы, обеспечивающим полный контроль всех необходимых в практических применениях знаний параметров ионосферы и атмосферы, когда будут установлены все существенные связи в самосогласованной системе, берущей свое начало от обработки всех параметров каждого отраженного от ионосферы сигнала. |
||||||||
-профилей, полученных при использовании методов «сомкнутого профиля» на ст. Ростов-на-Дону. 1 – 8 ч, 2 – 9 ч, 3 – 10 ч, 4 – 11 ч, 5 – 12 ч, 6 – 13 ч, 7 – 14 ч, 8 – 15 ч, 9 – 16 ч; на верхней и нижней врезках показано изменение со временем высоты и критической частоты слоев F и E соответственно.
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 |