Многофункциональный комплекс для наклонного зондирования на базе ионозонда-радиопеленгатора
Г.Г. Вертоградов, В.П. Урядов, В.Г. Вертоградов,
Е.Г. Вертоградова, С.В. Кубатко, В.А. Валов
Аннотация
Дано описание работы ионозонда-радиопеленгатора с использованием линейно-частотно-модулированного сигнала. Представлены результаты экспериментальных исследований особенностей распространения радиоволн на трассах различной протяженности, ориентации в естественной и искусственно-возмущенной ионосфере с помощью ионозонда-радиопеленгатора. Сформулированы предложения по созданию российского аналога системы SuperDARN на основе уникального инструмента - ионозонда-радиопеленгатора. С этой целью предлагается развернуть северный и среднеширотный эшелоны приемо-передающих станций, оснащенных ионозондами-радиопеленгаторами.
Ключевые слова: ЛЧМ-сигнал, ионозонд-радиопеленгатор, рассеяние, волновод, моделирование.
Введение
Эффективность работы радиоэлектронных систем различного назначения в значительной мере определяется возможностью адаптации таких систем к условиям распространения радиоволн в реальном времени. В последние годы, благодаря бурному развитию микроэлектроники, вычислительной техники, цифровой обработки сигналов созданы современные диагностические системы, обладающие высокой помехозащищенностью. К ним с полным правом можно отнести ЛЧМ ионозонд [1]. Использование таких систем в ионосферных исследованиях и практике радиосвязи позволило получить новые данные об особенностях дальнего, в частности, волноводного распространения коротких радиоволн в естественной и искусственно-возмущенной ионосфере [2-4] и повысить надежность КВ радиосвязи до уровня спутниковой связи [5,6].
Вместе с тем, многообразие ионосферных условий, влияние ионосферных возмущений естественного и искусственного происхождения на характеристики сигналов, нестационарность ионосферы затрудняют во многих случаях интерпретацию экспериментальных данных ЛЧМ зондирования, особенно на высокоширотных радиолиниях и трассах большой протяженности, что снижает потенциальные возможности использования результатов зондирования для адаптации радиоэлектронных систем к текущей ионосферной обстановке.
В этой связи новые возможности предоставляет использование для диагностики ионосферного канала ионозонда - радиопеленгатора, способного одновременно измерять дистанционно-частотные (ДЧХ), амплитудно-частотные (АЧХ) и угловые частотные (УЧХ) характеристики во всем коротковолновом диапазоне.
В работе изложены принципы работы ионозонда-радиопеленгатора, представлены результаты экспериментальных исследований на трассах различной протяженности как в естественной ионосфере, так и в условиях модификации ионосферы мощным радиоизлучением и рассмотрены перспективы использования нового инструмента в решении научных и практических задач ионосферного распространения радиоволн.
Математическое обоснование и описание работы ионозонда-радиопеленгатора
С математической точки зрения ЛЧМ ионозонд на приеме реализует во временной области операцию перемножения принятого сигнала с сигналом гетеродина приемника .
Дальнейшая обработка разностного сигнала , зависящего от разностной частоты , проводится в спектральной области. Такая обработка обеспечивает определение параметров передаточной характеристики канала связи [7]. При этом для спектра разностного сигнала имеет место равенство [7]:
(1)
и - амплитуды соответственно излученного ЛЧМ импульса и сигнала гетеродина, - скорость перестройки частоты, а функция выражается через интегралы Френеля :
(2)
Кроме того, предполагается, что ЛЧМ импульс излучается на интервале времени , а принимается на промежутке . Причем для ЛЧМ сигнала с базой линейные комбинации в квадратных скобках представляют собой функции, близкие к прямоугольным с шириной в частотной области, равной .
Будем считать, что для зондирования используются ЛЧМ импульсы, ширина спектра которых не превышает полосу когерентности канала. Тогда мгновенная передаточная характеристика однолучевого канала записывается в окрестности центральной частоты зондирования в виде:
, (3)
где - амплитуда и фаза -го луча, - его групповая задержка.
Учитывая, что для ЛЧМ-сигнала зондирования выполняется условие , используя асимптотические разложения интегралов Френеля, для спектра (1) получаем выражение:
(4)
Здесь - время группового запаздывания для центральной спектральной составляющей обрабатываемой выборки ЛЧМ-сигнала. Из выражения (4) следует, что при приеме ЛЧМ сигналов амплитуда в максимуме спектральной плотности мощности пропорциональна амплитуде парциального луча , а фаза с точностью до постоянного аддитивного слагаемого совпадает с его начальной фазой . Последнее свойство в традиционных ЛЧМ ионозондах не используется, а мы положим его в основу измерения угловой частотной характеристики в процессе наклонного зондирования.
Будем полагать, что прием осуществляется многоканальным когерентным ЛЧМ приемником, каждый канал которого реализует описанную выше схему. Считаем, что прием осуществляется на -элементную антенную решетку, координаты отдельных элементов - . В этом случае начальная фаза -го парциального луча при приеме -м антенным элементом может быть представлена в виде
, (5)
-ой антеннах не зависит от и выбора начала системы координат, а определяется только углами прихода и ориентацией вектора :
ионозонд радиопеленгатор ионосфера
. (6)
Измеряя множество значений в пространственно разнесенных антенных элементах, можно определить двухмерные угловые координаты парциальных лучей любым классическим интерферометрическим способом [8]. Многоканальный ЛЧМ ионозонд благодаря оптимальной обработке широкополосных сигналов позволяет разделить суммарное интерференционное поле на парциальные лучи по групповой задержке. Как следствие, множество измеренных разностей фаз разделенных парциальных лучей свободны от интерференционных погрешностей, которые в классических КВ пеленгаторах, построенных по интерферометрическому принципу, приводят к ошибкам измерения как азимута, так и угла места [8].
Наиболее просто интерферометрический метод определения двухмерных угловых координат (азимут, угол места) источников радиоизлучения реализуется при использовании двухканального когерентного радиоприемного устройства и двухканального АЦП [9].
В состав ионозонда-радиопеленгатора входят два радиоприемника с общим гетеродином, в качестве которого используется перестраиваемый ЛЧМ генератор. В качестве антенн применяется N - элементная антенная решетка, состоящая из N вертикальных штыревых антенн, которая используется для определения амплитудно-фазового распределения поля радиоволн на апертуре антенной решетки и оценки углов прихода различных лучей путем Фурье-синтеза диаграммы направленности. Одна из антенн решетки (опорная антенна) через разветвитель постоянно подключена на вход 1-го радиоприемника РПУ1 (опорный канал), со второго выхода разветвителя сигнал с опорной антенны подается на один из входов антенного коммутатора, на остальные входы коммутатора подключены остальные N-1 элементы антенной решетки. С выхода антенного коммутатора сигнал подается на вход 2-го радиоприемника РПУ2 (предметный канал). Антенная решетка состоит из 16 вертикальных штыревых антенн высотой 9 м, размещенных на площадке 80х80 м.
Разветвитель сигнала опорной антенны предназначен для калибровки фазовой неидентичности каналов двух когерентных радиоприемников РПУ1 и РПУ2.
С выхода промежуточной частоты двух приемников РПУ1 и РПУ2 сигнал поступает на 2-ух канальный АЦП, который предназначен для синхронной оцифровки сигналов с двух приемников.
Обработка оцифрованного разностного сигнала, осуществляется с помощью многопоточного вычислителя, где осуществляется оценка спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала и шума многооконным методом (МТМ-методом), обнаружение лучей, определение их числа n, комплексных амплитуд aj, задержек tj, коэффициента мутности b2 (отношение мощностей регулярной и флуктуационной составляющих сигнала). Здесь же осуществляется очистка ионограмм, выделение частотных ветвей и формирование зависимостей (S/N)j(¦), определение наименьшей наблюдаемой (ННЧ) и максимальной наблюдаемой (МНЧ) частоты, интервалов многолучевости, интервала временного рассеяния Dt, вероятности ошибки, надежности связи [10].
С помощью многопоточного вычислителя осуществляется измерение двухмерных угловых координат каждого луча путем Фурье-синтеза диаграммы направленности антенны [7].
Результаты экспериментальных исследований
Ионозонд-радиопеленгатор функционирует с 2006г. С его помощью получены новые данные об особенностях распространения радиоволн на трассах различной протяженности как в естественной ионосфере, так и в условиях воздействия на ионосферу мощного радиоизлучения [7, 11, 12].
Рис.1. ДЧХ (a) и АЧХ (b) на трассе наклонного ЛЧМ зондирования Кипр-Ростов-на-Дону; 21.10.2006 г, 13:20 UT; отмечены моды 1E, 2E, 1F, 2F и РС - рассеянный сигнал.
На рис.1 показан пример ионограммы на трассе Кипр-Ростов-на-Дону, когда в широкой полосе частот наблюдаются следы мощного рассеянного сигнала типа ВНЗ. Измерения УЧХ позволили оценить азимут прихода рассеянного сигнала, позиционировать следы рассеянных мод, проследить изменения азимута от частоты и объяснить их природу рассеянием радиоволн при отражении от поверхности Земли. Получено, что на поверхности Земли наблюдаются несколько характерных областей рассеяния. Одна имеет азимут 160-170°, вторая - 140-150°, третья - 130-135°. Характерные групповые запаздывания для первой области составляют 7-8 мс, для второй - 8-10 мс, для третьей - 10-11 мс. Часто при увеличении частоты азимут прихода рассеянного сигнала с увеличением групповых задержек от 8 мс до 11 мс монотонно убывает от 170° до 130°. Это свидетельствует о смещении рассеивающей области и удалении ее по расстоянию от пунктов излучения и приема. В других случаях азимут прихода рассеянного сигнала изменяется от 170° до 150°, а групповая задержка возрастает от 7 мс до 9 мс. Подобные явления могут быть объяснены рассеянием ЛЧМ-сигналов от гор Малого Кавказа (азимут из Ростова 170° - 160° и задержка ~7 мс), горного массива Загрос (азимут 150° - 140° и задержка 8-10 мс), гор Эльбурс (азимут 135° - 130° и задержка ~10-11 мс).
Эксперимент с использованием ЛЧМ ионозонда/пеленгатора для зондирования искусственной ионосферной турбулентности проводился с 20 по 22 октября 2008г. с 11:00 - 14:00 UT. Для создания искусственных ионосферных неоднородностей использовался нагревный стенд СУРА (56.1°N, 46.1°E). Три передатчика стенда работали в синфазном режиме на частоте 4.3 МГц с эффективной мощностью ~ 80 МВт. Наклон диаграммы антенны составлял 12° к югу от зенита вдоль магнитного меридиана. Излучалась волна обыкновенной поляризации в режиме: 10 минут - излучение, 5 минут - пауза, начиная с 1-ой минуты каждого часа. Для диагностики искусственных неоднородностей осуществлялось ЛЧМ зондирование на трассе ИЗМИРАН (55.28°N, 37.22°E) - СУРА - Ростов-на-Дону (47.24°N, 39.64°E). ЛЧМ передатчик работал в диапазоне частот 2-20 МГц, скорость перестройки частоты m0 составляла 100 кГц/с, мощность излучения 400 Вт. Излучение ЛЧМ сигналов осуществлялось на антенну типа вертикальный полуромб в 1, 6, 11, 16, … и т.д. минуты каждого часа. В приемном пункте Ростове-на-Дону проводились измерения дистанционно-частотных, амплитудно-частотных и угловых частотных характеристик с помощью ЛЧМ ионозонда/пеленгатора.
Рис.2. Результаты пеленгования ЛЧМ сигналов 20.10.2008г. 11:36 UT. На рисунке четыре графика, сверху вниз: 1 - ДЧХ, 2 - АЧХ разделенных мод распространения, 3 - угол места (D, град.), 4 - азимут (a, град.), показана только область в окрестности направления на Суру (прием рассеянных сигналов - РС). ґ - РС1, ^ - РС2, ¦ - РС3.
На рис. 2 показаны результаты работы ЛЧМ ионозонда/пеленгатора для 20.10.2008г. На рисунках четыре графика, сверху вниз: 1 - дистанционно-частотная характеристика (ДЧХ), 2 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) различных мод сигнала, 3 - угол места, отсчитываемый от горизонтали, 4 - азимут (показана только область в окрестности направления на Суру, откуда осуществлялся прием рассеянных сигналов). В силу особенностей построения ЛЧМ пеленгатора каждая точка на рисунках соответствует запеленгованному ЛЧМ сигналу. Точки следуют по частоте через 50кГц. На всех рисунках рассеянная компонента выделена различными маркерами. Для большей наглядности область значений характеристик рассеянных сигналов выделена на рисунках серыми прямоугольниками. Из рис.2 видно, что слабому рассеянному сигналу РС1 (частоты 6-9.5МГц) с большой дисперсией углов прихода соответствуют вертикальные углы прихода D в интервале ~ 20-35°, сигналу РС2 (частоты 10-12МГц) - вертикальные углы прихода D ~ 18-32°, сигналу РС3 (частоты 15-19 МГц) - углы прихода D ~ 10-20°. Азимутальные углы прихода сигналов РС2 и РС3 лежат в интервале a ~ 20-23°, что близко к направлению на стенд СУРА (21.6°). Азимутальные углы прихода сигнала РС1 имеют значительно большую дисперсию и лежат в интервале a ~ 20-35°.