Способ определения параметров нижней ионосферы и устройство для его осуществления

 

Изобретение позволяет получить параметры нижней кромки ионосферы (концентрация частиц, частота соударений, высота D-области ионосферы), а также определять координаты источника излучения с помощью регистрации и обработки сигнала типа твик. Для получения данных параметров ионосферы производится регистрация двух магнитных и одной электрической компонент электромагнитных волн в диапазоне 1,6...2 кГц. Измерение спектра сигнала , изменение частоты сигнала от времени, а также угла падения фронта волны относительно вертикали и азимутального угла позволяют определить параметры ионосферы по трассе распространения радиоволн. Устройство содержит электрическую и две взаимно перпендикулярные магнитные антенны, блок определения углов прихода, спектроанализатор, детектор событий, блок измерения частоты сигнала, вычислитель и регистратор. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РеспуБлИк (я)з G 01 $13/95

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4679560/09 (22) 14.04.89 (46) 07.03.92, Бюл. М 9 (71) Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР (72) А.Ю.Щекотов, Б.С.Рябов, Д.Е.Едемский и А.Н.Пукась (53) 621.396.96 (088.8) (56) Едемский Д,Е., Рябов Б.С., Тараненко

С.С. и др. Особенности распространения и структура поля и твиков. М, 1988, 30 с, Препринт ИЗМИРАН М. 46 (800).

Авторское свидетельство СССР

N 836661, кл, G 01 S 13/95, 1981. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение позволяет получить параметры нижней кромки ионосферы (концентИзобретение относится к радиофизическим методам определения параметров ионосферы с использованием естественных сигналов, излучаемых молниевыми разрядами, и может быть использовано в радиотехнических системах для определения расстояния до источника электромагнитного излучения, прогноза погоды. обнаруже.ния аномалий в 0-слое. ионосферы, связанных с метеоявлениями, получения информации о параметрах ионосферы вдоль трассы распространения атмосферика.

Целью изобретения является измерение концентрации электронов в ионосфере и частоты соударений с нейтральными частицами.

„, Ы„„1718164 А1 рация частиц, частота соударений, высота

0-области ионосферы), а также определять координаты источника излучения с помощью регистрации и обработки сигнала типа "твик". Для получения данных параметров ионосферы производится регистрация двух магнитных и одной электрической компонент электромагнитных волн в диапазоне 1,6...2 кГц. Измерение спектра сигнала, изменение частоты сигнала от времени, а также угла падения фронта волны относительно вертикали и азимутального угла позволяют определить параметры ионосферы

bio трассе распространения радиоволн. Устройство содержит электрическую и две взаимно перпендикулярные магнитные антенны, блок определения углов прихода, спектроанализатор, детектор событий, блок измерения частоты сигнала, вычислитель и регистратор. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства для определения параметров нижней ионосферы; на фиг.2— структурная электрическая схема детектора событий.

Устройство для определения параметров нижней ионосферы содержит первую вертикальную электрическую антенну 1, вторую и третью взаимно перпендикулярные магнитные антенны 2 и 3, блок 4 определения углов прихода, линию 5 задержки. сумматор 6, блок 7 измерения частоты, спектровнализатор 8, детектор 9 событий, вычислитель 10. регистратор 11; Детектор событий содержит фазовращатель 11, сумматор 2, вычитатель 13, первый и второй

1718164

" тают < +n > в 14 Se 1 3

С К

N= — @- = sin I. (4)

Частота соударений частиц v определяется тогда из соотношения

Р = 4 8)п вк, (5) где вк — критическая частота волновода с конечной проводимостью его верхней границь1 (1 -xn) (6)

Концентрация электронов, в свою очередь, равна (3) детекторы 14 и 15, корректор 16, пороговый блок 17, Сущность способа заключается в следующем.

Принимают электромагнитное излучение грозовых разрядов, определяют угол прихода и расстояние до источника излучения путем измерения его электрической и двух взаимно ортогональных магнитных компонент; выделяют сигналы типа "твик", имеющие правую поляризацию, проводят спектральный анализ выделейного сигнала, определяют его частотно-временную зависимость, а также вертикальный угол I падения.

Уравнение, описывающее распространения левополяризованной волны, имеет вид

4f (1) ту(е в — частота. сигнала, рад/с; с — скорость света в вакууме, 3 10 км/с;

n — показатель преломления волны в ионосфеРе;

С; К пд — эффективный показатель преломления моды;

Кд — волновое число;, V

S = — — параметр гиротропии нижней

N ионосферы:

Н вЂ” высота ионосферы, км. Эффективный показатель преломления, в общем случае, является величиной комплексной и его можно представить как сумму п — — И+ к. (2) где N — фазовая задержка; с — затухание электромагнитной волны и в т г (7)

4леИнформацию о концентрации электронов по данным атмосфериков типа "твик" можно получить, имея данные о спектре сигнала. Для этого необходимо определить амплитуду двух частотных компонент, одна из которых распространяется с минимальным

10 затуханием, а вторая отстоит от нее на Лв . причем Ьв < <вк, тогда амплитуда спектральных составляющих определяются как с

15 . Ь п1 ., (8)

63 + 6 Ci3

-М (Иу, ьса)

Взяв логарифм отношения амплитуд

Е(вв) и Е(в„, +Ьв) спектральных компонент, получаем

Е(й п

E(+Лв) 2 л и е

1 1 1 „

>5 5" ММв N COm+ й) 4 Й. — в. +Ли))3, (9)

Лв 1 где N, + — (вп1 — частота максиму-

t

30 ма в спектре "твика").

Используя выражение (9), можно получить значение и, а затем с помощью (7) определить величину N<, если известно расстояние до источника и и критическая частота волновода вк, значение которой определяется из дисперсного уравнения для "твика". т() — ™, (10) с

40 вг

Исходя из выражения (10) и анализируя зависимость f (т) принимаемого сигнала, всегда можно вычислить величины и и вк, / что дает высоту нижнего слоя ионосферы

Сл о= — ° вк (1 1)

Устройство для определения параметров нижней ионосферы работает следующим образом.

50 Электромагнитные сигналы молниевых разрядов принимаются на наземной станции электрической 1 и магнитными 2 и 3 антеннами, поступают на блок 4 определения углов прихода волны и через линию 5

55 задержки — на первый вход блока 10 опре° деления параметров. среды. Сигналы с магнитных антенн 2 и 3 поступают также на детектор 9 событий и через сумматор 6- на входы блока 7 измерения частоты сигнала и спектроанализатора 8.

1718164

cu-, частота сигнала; е

S- параметр гиротропии нижней ионос45 Феры

2. Устройство для определения парас метров нижней ионосферы, содержащее о первую электрическую антенну, вторую и третью взаимно перпендикулярные магнитя

50 ные антенны, блок определения углов прихода, сумматор, вычислитель, регистратор, блок управления, формирователь импульо сов, два умножителя, три блока памяти, блок дифференцирования и преобразователь

55 сигналов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него дополнительно введены линия задержл ки, блок измерения частоты сигнала, спектроанализатор и детектор событий, причем выходы второй и третьей магнитных антенн соединены соответственно с первыми и втоЕсли. входной сигнал превышает заданный пороговый уровень и имеет левую поляризацию волны, то детектор 9 событий вырабатывает сигнал, разрешающий работу блокам 7, 8, 10, Информация о частотно-временной характеристике сигнала, а также его спектральном составе поступает с блоков 7 и 8 в блок 10 определения параметров среды.

Макет устройства для .осуществления способа определения параметров ионосферы реализован следующим образом. блок 4 определение углов прихода волны состоит из фазовращателей, корреляторов и ФНЧ.

В этом блоке определяются корреляционные коэффициенты а = 2.3;

P =-3.1; у= 2.1; д=2,1;

Л= 3.1, где 1, 2, 3 — сигналы с выходов соответствующих антенн 2 и 3 (сигнал с соответствующей антенны сдвинут на 90 с помощью фазовращателя).

Значения корреляционных коэффициентов через линию 5 задержки поступают на блок 10 определения параметров среды, где с помощью этих коэффициентов вычисляются углы прихода волны.

Детектор 9 событий реализован на основе фазовращателя 11, сумматора 12, вычитателя 13, детекторов . 14 и 15, коррелятора 16 и порогового блока 17.

Формула изобретения

1. Способ определения параметров нижней ионосферы, заключающийся в том, что принимают электромагнитное излучение грозовых разрядов, регистрируют временную форму принятого сигнала„ определяют спектр принятого сигнала, по сле чего рассчитывают по нижней частот принятого сигнала высоту нижней границы ионосферы, о. т л.и ч а ю шийся тем, что с целью измерения концентрации электро нов в. ионосфере и .частоты соударения нейтральными частицами, дополнительн после приема электромагнитного излучени грозовых разрядов выделяют сигнал лево поляризации, измеряют. комплексные амп литуды широтной меридианальной и верти кальной компонент принятого сигйала, и . отношению комплексных амплитуд широт ной и меридиональной компонент принято го сигнала определяют азимутальный уго прихода электромагнитного излучения гро зовых разрядов по отношению комплекс ных амплитуд вертикальной меридиональной и широтной кбмпонент принятого сигнала, определяют мгновенный вертикальный угол прихода электромагнитного излучения грозовых разрядов, 5 определяют зависимость мгновенной частоты принятого сигнала от времени, по этой зависимости определяют высоту нижней границы ионосферы и дальность до источника электромагнитного излучения грозового

10 разряда, по величине вертикального угла прихода в максимуме огибающей принятого сигнала определяют частоту v соударений частиц по формуле

v д $!Л Щ где вн — гирочастота электронов, концентрацию N< частиц на высоте, соответствующей нижней границе ионосферы, определяют по формуле и швн п е

Йе =, 4ле где m+ — масса электрона; е — заряд электрона;

n — показатель преломления, определяемый из соотношения в и

Е(в +Да} - 2 л ° и ° е

4 н

1 1

+ к

30 (Кап N Мп+ и . 4 . (N4, — фъ + ли)) ) где . Есо — амплитуда сигнала в максимуме огибающей;

35 E(+Дгл) — амплитуда сигнала на и частоте, смещенной относительно частоты принимаемого сигнала на частотный интервал Дго, меньший ширины спектра принятого сигнала;

40 N — параметр, характеризующий фазовую задержку на соответствующей частоте;

1718164

Составитель А. Кочин

Техред M.Mîðãåíòàë

Редактор С. Пекарь

Корректор И. Муска

Заказ 879 Тираж Подписное, ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 рыми входами блока определения углов прихода сумматора и детектора событий, выход сумматора подключен к первым входам блока измерения частоты сигнала и спектроанализатора, к вторым входам которых подключен выход детектора событий, первый вход вычислителей соединен через линию задержки с блоком определения углов прихода, второй вход вычислителя соединен с выходом блока измерения частоты сигналов, третий вход вычислителя соединен с выходом спектроанализатора, четвертый вход вычислителя соединен с выходом детектора событий, а выход вычислителя подключен к входу регистратора. н,н„

3. Устройство по п,2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что детектор событий содержит фазовращатель, вход которого является первым входом детектора событий, а выход

5 подключен к первым входам сумматора, и вычитатель, параллельно обьединенные вторые входы которых образуют. второй вход детектора событий, выходы сумматора и вычитателя через детекторы подключенй

10 к первому и.второму входам коррелятора, выход которого подключен к входу порого.вого блока, выход которого явяется выходом детектора событий.