Способ определения параметров неоднородностей электронной концентрации ионосферы
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОННОЙ КОН- ЦЕНТРА1РШ ИОНОСФЕРЫ, заключающийся в том, что внаправлении исследуемой области из наземного пункта излучают зондирующие высокочастотные-импульсы , рассеянные сигналы принимают в наземном пункте, регистрируют временные зависимости флуктуации амплитуд принятых сигналов с выбранной задержкой по отношению к излученному им-пульсу , которая соответствует выбранной высоте рассеяния, и вычисляют горизонтальный размер неоднородностей электронной концентрации ионосферы., отличающийся тем, что, с телью повьппения точности, зондирующие высокочастотные импульсы излучают на нескольких частотах, для каждой из них находят среднюю по времени энергию (Е) рассеянной составляющей принятого сигнала с выбранной задержкой по формуле Af IF 1 141 1 +132 где величина /3 определяется из уравнения А 14 ex(/i2) )(|1Г:7 ф где А, А - среднее значение и сред- НИИ квадрат флуктуации амплитуды принятого сигнала. JQ J (модифицированные функции Еесселя первого рода) нулевого И первого порядков, определяют частоту, соответствующую ее максимуму, находят максимальную и минимальную частоты, на которых возможен уверенный прием , измеряют интервал,автокорреля-ции флуктуации квадратов амплитуд принятого сигнала при установленныхмаксимальной иминимальной частотах,вычисляют горизонтальныйи вертикальный размеры ,- иЦ- -неоднородностей электронной концентрации ионосферы по формулам 1 eoKl-Qa.K,6o(ibUK)f: eJc.,) б;,К)Ч L - L ) . r eFwJ .- ; К«ко)9р (и,,)
COK)3 СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН (51)4 С 01 N 22/00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ /= (»
„л
Н АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Ъ О (>4) Ä « ° 1р, o(" ) e û.(i) в,(„) 2
Р (. 1)В "4) t(< )
».t каис)+ р ("е) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3531186/24-t)9 (22) 03.01.83 (46) 30.09.85. Бюл. Ф 36 (/2) А.И.Гритчин, Б.Л.Дорохов, Л.А.Пивень» В.Г.Сомов.и Ю.П.Федоренко (/1) Харьковский ордена Трудового
Красного Знамени и ордена Дружбы народов государственный университет им. А.M.Ãoðüêoãî (53) 621 ° 317.3 (088.8) (56) 1 ° Vincent R.À. -The interpreta. tion of some observations of radio
vawes scattered from the lower ionosphere. Australlion journal of physics. 1973, 26, 815 — 82/.
2. Бенедиктов Е.А. и др. Исследования дифракционной картины, возникающей на поверхности Земли при обратном рассеянии радиоволн неоднородностями нижней ионосферы. Известия высших учебных заведений. Радиофизика, 1974, 17, ((р:6, /98 — 807. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАИЕТP0)3 НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ЗЛЕКТРОННОЙ КОН- .
ЦЕНТРАЦИИ ИОНОСФЕРЫ, заключающийся в том, что в направлении исследуемой области из наземного пункта излучают зондирующие высокочастотные-импульсы, рассеянные сигналы принимают в наземном пункте, регистрируют временные зависимости флуктуаций амплитуд принятых сигналов с выбранной задержкой по отношению к излученному импульсу, которая соответствует выбранной высоте рассеяния, и вычисляют гори зонтальный размер неоднородностей электронной концентрации ионосферы, отличающийся тем, что, с (гелью повышения точности, зондирующие
ÄÄSUÄÄ1182355 А высокочастотные импульсы излучают на нескольких частотах, для каждой из них находят среднюю п6 времени энергию (Es)г рассеянной составляющей принятого сигнала с выбранной задержкой по формуле
Г =
Аг
Е г
+ (5г» где величина (з определяется из уравнения
Аг 4(1 + /3г) ех (/5г) (3)* — . л(зг 2 1 о 2
«((((1 « pã )3 (} + pã 3 () г
2 2 где А, А — среднее значение и сред ний квадрат флуктуаций амплитуды принятого сигнала. (модифицированные функции Бес- селя йервого рода) нулевого и первого порядков, определяют частоту, соответствующую ее максимуму, находят максимальную и минимальную частоты, на которых возможен уверенный прием, измеряют интервал, автокорреля-ции флуктуаций квадратов амплитуд принятого сигнала при установленныхмаксимальной иминимальной частотах, вычисляют горизонтальныйи вертикальный размеры(,-H(. неоднородностей электроннойконцентрации ионосферыпо формулам
1182355
„„2
Х да к с мин
„„}) + (о ин) "«(имс) в(" » с) (С)" («) 0(MNN) = -Ь - +
2 (MNH lAdKC ) (((+yyllC MllN) 1
Изобретение относится к радиофизике и может быть использовано в радиолокации, радионавигации, при организации наземных каналов связи, исследовании неоднородностей электронной концентрации ионосферы.
Известен способ определения параметров неоднородностей электронной концентрации ионосферы, согласно которому в направлении исследуемой области из первого наземного пункта излучают зондирующие высокочастотные импульсы, рассеянные на неоднородностях электронной концентрации ионосферы сигналы принимают в нервом наземном пункте, а также в других наземных пунктах (3 — 4), удаленных от первого на расстоянии до 2 Я, где длина волны высокочастотных импульсов в вакууме, в каждом пункте регистрируют временные зависимости
20 флуктуаций амплитуд принятых сигналов с выбранной задержкой по отношению к излученному импульсу (которая соответствует выбранной высоте рассеяния), измеряют коэффициенты пространственной корреляции флуктуаций амплитуд принятых сигналов попарно всех пунктов (4 — 5 измерений), вычисляют рагде с — скорость света в вакууме;
2Т(Г, f — частота, при которой наблюдается максимум на частотной зависимости средней энергии рассеянной составляющей принятого сигнала )фс кс,мкн макс,мкн > макс,мин — 2пГ f максимальное (и минимальное) значения диапазона изменений частоты зондирующих высокочастотных импульсов;
g (u„,ì. „), к, ) — полуширина эффектйвности диаграммы направленности (произведение диаграмм направленности по мощности передающей и приемной интервал автокорреляции квадратов флуктуаций амплитуд принятого сигнала прим .иш (/
MIAH,никс NHH макс. отношение энергии отраженной составляющей к средней энергии рассеянной, составляющей принятого сигнала при
Юми м мс4 кс диус пространственной корреляции флуктуаций амплитуд наземной дифракци онной картины, обусловленной рассеянием зондирующих высокочастотных импульсов на неоднородностях электронной концентрации ионосферы, вычис-. ляют отношение горизонтального. и вертикального размеров неоднородностей электронной концентрации ионосферы
t ) 3.
Однако этот способ не позволяет onpepevz a вертикальный и горизонтальный размеры неоднородностей электронной концентрации ионосферы. Отношение этих размеров определяется весьма приближенно, поскольку при этом задаются вертикальным размером неоднородностей и пренебрегают когерентной составляющей принятого сигнала, обусловленной когерентным отражением зондирующих высокочастотных импульсов от регулярных неоднородностей электронной концентрации ионосферы.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения параметров неоднородностей электронной концентрации ионосферы, заключающийся в том, что в направлении исследуемой области из первого наземного пункта
355
/к,/ где величин пения
2 (1+/а ) ехр ()а ) (д г
/ 112 T / Р2Х /
01 " ) 1
И)1 2
e (> i з 1182 излучают зондирующие высокочастотные импульсы, рассеянные на неоднородностях электронной концентрации ионосферы сигналы принимают в первом и втором наземных пунктах, удаленных друг от друга на расстоянии до 23,,где — длина волны высокочастотных радиоимпульсов в вакуууме, в обоих пунктах регистрируют временные зависимости флуктуаций амплитуд принятых 10 сигналов с выбранной задержкой по отношению к излученному импульсу (которая соответсвует выбранной высоте рассеяния), измеряют коэффициент пространственной корреляции 15 флуктаций амплитуд принятых сигналов в двух наземных пунктах, вычисляют радиус пространственной корреляции флуктуаций амплитуд наземной дифрак1дйоинной картины, вычисляют горизон- 20 тальный размер неоднородностей электронной концентрации ионосферы (2).
Однако известный способ не поззоляет определить отношение горизонтального и вертикального размеров 25 неоднородностей электронной концентрации ионосферы, а горизонтальный размер определяется с погрешностью
307, лишь только тогда, когда он в
2 — 5 раз превышает вертикальный раз-30 мер.
Цель изобретения — повышение точности,.
А2 (1) (1 + ) . % а определяется из уравгде А, А -- среднее значение и средний квадрат флуктуаций амплитуды. принятого сигнала;
3„ — модифицированные функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков, определяют частоту, соответствующую ее максимуму, находят максимальную и минимальную частоты, при которых значения этой зависимости еще надежно определяются, измеряют интервал автокорреляции флуктуаций квадратов амплитуд принятого сигнала при установленных максимальной и минимальной частотах, вычисляют горизонтальный и вертикальный размеры L u L неоднородностей электронной концентрации ионосферы по формулам
Поставленная цель достигается тем,З5 что согласно способу определения параметров неоднородностей электронной концентрации ионосферы, заключающемуся в том, что в направлении исследуемой области из наземного пункта. 40 излучают зондирующие высокочастотные импульсы, рассеянные на неоднородностях электронной концентрации ионосферы сигналы принимают в наземном пункте, регистрируют временные зави- 45 симости флуктуаций амплитуд принятых . сигналов с выбранной задержкой по отношению к излученному импульсу, которая соответствует выбранной высоте рассеяния, и вычисляют горизонтальный50 размер неоднородностей электронной концентрации ионосферы, зондирующие высокочастотные импульсы излучают на нескольких частотах, затем для каждой из них находят среднюю по време- 55 ни энергию (Е) рассеянной составляющей принятого сигнала с выбранной задержкой по формуле
e. / &,((в„)-82 („,„) Ф е,/.,} г р2 („, аI „I бр(ш, l
Р(иикк} р (+q) (" )= р(""..:) ™"."
g к s (вики} квк(и мик}, р 14 м«с) . з (1) р
„)t. мин и
2. -2 (йккю) и (иккк ы) и (иики) ..
Ъ (8)
М (ы„и„,} „ (и„„„) Е, (и„„„) .
1182355
= -Ь
Г 2
Ф (, мин микс) (I (4 ммкс мин)
%2
e""(гр (мг1Кс i МКН ) ()мс1кс, мИК) (91 где С вЂ” скорость света в вакууме;
1О ю„ = 2ИЙ; f — частота, при которой наблюдается максимум на частотной зависимости средней энергии рассеянной составляющей принятого сигнала, -" 2ий. мггкс, мин Макс1мик макс, мик 15 максимальное и минимальное значения диапазона изменений частоты зондирующих высокочастотных импульсов;
8о(LU > мин мак ) полуширина эфФ
1 ностй диаграммы направленности ан теин (произведение диаграмм направ--: леннсти по мощности передающей и при- . емной антенн) при м„,ш „„,и) „„ к(и)мик акс ) — интеРвал автокоРРелЯК .Мии,макс ции квадратов флуктуации амплитуд принятого сигнала при го и и> мик макс 2()о „„ „ ) — отношение энергии отражейной составляющей к средней энергии рассеянной составл ющей принятого сигнала IIpH LU и иг
Способ основан на следующих положениях.
Зондирующие высокочастотные импульсы в ионосфере рассеиваются на . случайных мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации и гкогерентно отражаются от стационарных крупномасштабных неоднородностей.
Поэтому среднюю энергию сигналов, принятых в первом или втором пунктах, можно представить в виде
А = IESI + IE K)2 = ) Е5) (1+132 ) (1О) где )Е )2, (Е (2 — энЕргии рассеянной и отраженной составляющих; черта — знак усреднения, p = lE,1-2/ Г $ .
Из уравнения (10) определяется уравнение (1), необходимое для вычисления label . Величина Р вычисляется по формуле (2). Величина jL )2 связана с параметрами ионосферной плазмы и параметрами аппаратуры следующим соотнешением
4 /
Г )г.(, )г- "i гг > "г. < g
5 Z С4 4 2 01
11
exp — — и С exp -+ — ) х1 (ц)
tA 2 2 г.ц"
С2 С
) о средняя "интенсивность" неоднородностей; высота их расположения; действительная и мнимая части коэффициента преломления: ширина эффективной диаграммы направленности антенн и индикатрисы рассеяния. мелкомасштабных неоднородностей; длительность высокочастотных импульсов; горизонтальный и вертикальный радиусы корреляции флуктуации неоднород-: ностей электронной- концентрации ионосферы, горизонтальный г вертикальный L размеры неоднородностей электронной концентрации определяются по формулам L = 21, L > = Z1Z; где (ЬМ)
h— и, ф
280,. 28—
2 г.
8 г
О1 Р г с р
1 г ""1
Р I)2
Р = u> 82 ехр 12
4 г. г (14)
OI
Другие сомножители в уравнении (11) зна;ительно меньше изменяются с частотой и их влияние всегда можно исключить, используя высотные распределения электронной концентрации и частоты столкновений электронов с тяжелыми частицами. Также легко учитывается возможная зависимость мощности излученных высокочастотных импульсов от частоты.
Максимум зависимости P(td), a следовательно, и )Е )2 наблюдается при
R — - сомножитель, зависящий только от частотных импульсов и частоты столкновений электронов с тяжелыми частицами.
При изменении частоты высокочастотных импульсов при постоянной мощности излучения величина )Е ) (11) наиболее сильно изменяется в результа" те частотной зависимости произведения
1182355
4) =—
При выводе этой формулы учтено, что в.реальных условиях 8 - (f) = const, г
1 1 — или 8 †. При помощи уравнег
0 f 0 Т2 1О ния (15) определяются величины 1 и 1 . г
Таким образом, для выбранной задержки (высоты) принятого сигнала по частоте f, соответствующей максимуму
1 зависимости (Ез (Е), при помощи урав- 5 нения (15) возможно вычислить вертикальный радиус корреляции неоднородностей электронной концентрации ионосферы. Выражение для горизонтального радиуса корреляции неоднородностей 20 из уравнения (13) в виде с 1 (1г + ) т(Т (16)
ыг рг рг
При помощи уравнений (15) и (16) после простых преобразований получаем выражения для L (3) и Ь (4) . В прототипе величина 9 (ы„) определяется по радиусу пространственной корреляции Г флуктуаций. Для определе- ния Г требовалось принимать и ре- 30 гистрйровать флуктуации амплитуд сигналов принятых в двух разнесенных по поверхности Земли измерительных пунктах. Согласно предлагаемому способу величину gг (и ) определяют по изOi 1 35 мерениям интервалов автокорреляции, ь „флуктуаций принятого сигнала лишь в одном измерительном пуйкте на минимальной ц и максимальной ы
МИН макС частотах его частотного диапазона. 40
Это оказывается возможным благодаря тому, что 8, связано с формулой .С M
8 (м) = — — —, (17) (av Ф„(ю) где v — скорость горизонтального 41 дрейфа исследуемых неоднород.ностей электронной концентрации ионосферы;
M — - определяется формулой (9).
Используя уравнение (17) дляОт: 50 мтгм4т уравнение (5) и уравнение для толучения полуширины -углового спектра рассеяния неоднородностей
9 г (Ь)
4 (18) (Ь /Ь вЂ” 1)Ь
2 .а сг получаем уравнение для определения
9 ð (М„„„ .) уравнение (7), уравнение (8) и затем при помощи уравнений (5) и (6) вычислить 9 „ (e„).
Частоты uJМ кс H ю щ„ дОлжны как можно больше отличаться друг от друга(для того, чтобы не быпо линейной зависимости уравнений); однако при этих частотах значения средней энергии принятых сигналов должны надежно определяться.
Формула (6) для пересчета g (м 1 в 13 (,) определяется при помощи г р дж«с уравненйя (18). Таким образом, выполняя измерения только лишь в одном пункте величин интервалов автокорреляции Гк на двух частотах и> и макс ж„„„, возможно с меньшими затратами средств определить 9г (Ш ) а
01 следовательно, и параметры неоднородностей электронной концентрации L u
Ь
Предлагаемый способ позволяет повысить точность определения параметров неоднородностей электронной концентрации ионосферы. Это достигается вследствие того, что в нем учитывается когерентная составляющая принятого сигнала. При этом погрешность определения L/L уменьшается на 13X, а L — на ЗХ. Кроме того, в отличие от прототипа, предлагаемый способ позволяет определить горизонтальный масштаб неоднородностей электронной концентрации при любом отношении
L/L,÷òî при значениях Ь/L близких к единице L/L> 1,2...1,5 уменьша1 ет погрешность определения L на 1,"- 83...66X, при больших значениях
5...10 величина и 20...10X. 2
Способ осуществлется спедующим образом.
Излучают из первого наземного пункта зондирующие. высокочастотные импульсы на нескольких частотах.
Принимают рассеянные и отраженные на неоднородностях электронной концентрации ионосферы сигналы в первом и втором наземных пунктах, удаленных друг от друга на расстояние до двух длин волн зондирующих высокочастотных импульсов в вакууме. Регистрируют для выбранной задержки временные зависимости флуктаций сигналов, принятых в первом и втором наземных пунктах. Определяют для выбранной задержки среднюю по времени энергию вассеянной составляющей при.1 182355
Составитель В.Васильев
Техред С.Мигунова Корректор В.Гирняк
Редактор С.Лисина т
Заказ 6096/40 Тираж 896
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Подписное
Филиал ППП "Пагент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 нятого сигнала. Определяют ее зависимость от частоты зондирующих высокочастотных импульсов. Находят частоту, соответствующую ее максимуму, и определяют на полученной частотной
-зависимости средней энергии рассеянной составляющей принятого сигнала максимальную и минимальную частоты, при которых значения этой зависимости еще надежно определяются (например, Рс /Р> 7 1,5). Измеряют интервал автокорреляции флуктуаций квадратов амплитуд принятого сигнала на установленной минимальной частоте, а затем измеряют интервал автокорреляции флуктуацйй квадратов амплитуд принятого сигнала на установленной максимальной частоте. Вычисляют для выбранной задержки принятого сигнала (вы1б соты). горизонтальный и вертикальный размеры неоднородностей электронной. концентрации ионосферы.
