СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ЗАДАННОЙ ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к радиотехническим измерениям параметров ионосферы методом некогерентного рассеяния с использованием эффекта Фарадея, и может быть использовано для определения концентрации электронов в заданном тонком слое ионосферной плазмы.

Известно, что концентрация электронов в ионосфере может быть определена по измерениям приведенной разности фаз когерентных частот и/или углу поворота плоскости поляризации радиоволн (Г.К. Солодовников, В.М. Синельников, Е. Б. Крохмальников. Дистанционное зондирование ионосферы Земли с использованием радиомаяков космических аппаратов. М.: Наука, 1988, с., 191, с. 56-58). Для этих измерений используют эффекты Доплера или Фарадея (совместно или раздельно). Так, например, угол поворота плоскости поляризации, который определяется разной скоростью распространения обыкновенной и необыкновенной волн, находится из соотношения (Современная радиолокация. Пер. с англ./Под ред. Кобзаревой Ю.Б. М.; Советское радио, 1969, с. 353)
Ω= (ϕ₂-ϕ₁), (1) где ϕ₁ и ϕ₂ - фазовые запаздывания обыкновенной (вращение плоскости поляризации по часовой стрелке) и необыкновенной (вращение против часовой стрелки) волн соответственно.

Аналогом предлагаемого технического решения является устройство, описанное в статье Г.Н. Ткачева и В.Д. Карлова. Измерение разности фаз между обыкновенным и необыкновенным компонентами сигнала, рассеянного на тепловых флуктуациях электронной концентрации ионосферы. В сб. "Вестник ХПИ", N 183, г. Харьков, 1981, Исследование ионосферы методом некогерентного рассеяния, вып. 3, с. 18-27. Это устройство является двухканальным фазоизмерителем с учетом флуктуаций фазы и амплитуды принимаемых сигналов. В каждом канале имеется приемник соответствующей волны (обыкновенной или необыкновенной), два смесителя с квадратурными сигналами опорной частоты, два перемножителя выходных сигналов смесителей разноименных каналов, сумматор сигналов перемножителей и накопитель. Разность фаз вычисляется как арктангенс отношения сигналов на выходе накопителей каналов. Недостатком этого устройства является резкое увеличение ошибки измерения разности фаз при уменьшении коэффициента корреляции между обыкновенной и необыкновенной составляющими рассеянного сигнала.

Известен способ определения электронной концентрации ионосферы, описанный в статье В.И. Головина. Определение концентрации электронов по измерению глубины фарадеевской модуляции. В сб. "Вестник ХПИ", N 183, г. Харьков, 1981. Исследование ионосферы методом некогерентного рассеяния, вып.3, с. 12-17. Фарадеевская модуляция высотного профиля рассеянной мощности возникает вследствие того, что в процессе приема сигналов, рассеянных с различных высот, изменяется взаимная ориентация поляризационных эллипсов принимаемого сигнала и приемной антенны. Мощность достигает максимального значения, когда их большие оси совпадают, и минимального - когда они взаимно перпендикулярны. Глубина этой модуляции зависит от концентрации электронов в ионосфере и длительности зондирующего импульса. Недостаток этого способа состоит в том, что глубина фарадеевской модуляции определяется не только параметрами рассеивающей среды, но и параметрами аппаратуры, которые обязательно нужно определять и учитывать в процессе измерений. И самое главное - разрешающая способность измерения электронной концентрации по высоте зависит от самого значения электронной концентрации и оказывается довольно низкой при малых концентрациях, что усугубляется еще и малым соотношением сигнал/шум.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению - прототипом являются известные способ и устройство для определения электронной концентрации ионосферы, описанные, например, в статье Е.И. Григоренко. Исследование ионосферы по наблюдениям эффекта Фарадея при некогерентном рассеяния радиоволн. В сб. "Ионосферные исследования", N 27, М.; Советское радио, 1979, с. 60-73. Способ основан на том, что распространяющаяся вертикально в ионосфере плоская волна частоты f_o под действием геомагнитного поля испытывает вращение плоскости поляризации, которое вызывает изменение уровня сигнала при приеме его на плоскополяризованную антенну. Для вычисления электронной концентрации N_e(h) используются координаты, соответствующие высотам h_i экстремальных точек уровня мощности принимаемого сигнала, в которых происходит поворот плоскости поляризации на угол, кратный π /2.

При этом
N_e(h)= · = (2)
= , (3) где М(h) - заранее известная вертикальная составляющая геомагнитного поля; Δ h = =h_i - h_i-1 - разность высот смежных экстремальных точек (максимума и минимума). Естественно, что при зондировании в произвольном направлении высоту h следует заменить наклонной дальностью r, а М(h) - продольной составляющей М(.

Недостатком способа-прототипа является низкая разрешающая способность по высоте, связанная с усреднением электронной концентрации в довольно значительном интервале высот между соседними экстремумами. Чем меньше N_е, тем хуже разрешающая способность, и в отдельных случаях измерения просто невыполнимы, как это будет показано ниже.

В устройстве-прототипе передающее устройство импульсно излучает в вертикальном направлении линейно поляризованную волну. Изменение угла поворота плоскости поляризации на π /2 определяется по записям уровня мощности двух компонент рассеянного сигнала, которые принимаются на две ортогональные линейно-поляризованные антенны и поступают раздельно на два канала приемного устройства, с выходов приемников сигналы подаются на двухканальный анализатор мощностей сигналов, значения которых запоминаются. Радиолокационная задержка определяет высоту. По разности в мощности выборок "Сигнал-шум" и "Шум" (в конце радиолокационной развертки, где сигнал практически отсутствует) определяется мощность сигнала. По полученному профилю мощности и формуле (3) определяются значения электронной концентрации. Положение экстремальных точек на оси высот уточняется при обработке графически, при этом в качестве дополнительного измерения, уменьшающего ошибку определения h_i, используются записи уровня мощности ортогональной компоненты сигнала.

Недостатком устройства-прототипа является низкая разрешающая способность измерения N_e(h) по высоте. Так, при низком интегральном содержании электронов в ионосфере в условиях минимума солнечной активности построение N_e(h) профилей по экстремальным точкам становится невозможным, так как профиль оказывается представленным одной-двумя точками. Кроме этого, графоаналитическая обработка результатов измерения мощностей сигналов существенно удлиняет процесс измерения N_e(h).

Целью изобретения является повышение пространственной разрешающей способности по дальности.

Цель достигается тем, что при расчете N_e(r) по формуле (2) используется непосредственно измеренное значение производной d Ω (r)/dr, для чего с целью исключения неизвестной аддитивной постоянной фазового сдвига вводят первоначально в одну из компонент принимаемого сигнала, например в обыкновенную, корректируемый фазовый сдвиг ϕ₁, регулируют значение ϕ₁ так, чтобы разность фаз между компонентами для радиолокационной задержки t₁ стала удобной для измерений, равной, например, π /2, если сигналы перемножаются, и затем изменяют корректируемый фазовый сдвиг до значения ϕ₂ = ϕ₁ + Δ ϕ, при котором для задержки t₂ разность фаз между компонентами принимает прежнее значение, например π /2, и вычисляют N_e(r) по формуле (2), считая, что М(r) = const
dΩ(r)= ; dr= ; r= . где r₁ и r₂ - соответственно ближняя и дальняя границы заданной области; М(r) - заранее известная продольная составляющая магнитного поля Земли.

Так как в известных способах отсутствуют указанные отличительные признаки (непосредственные измерения d Ω /dr реализуемые введением корректируемого фазового сдвига), то предлагаемое изобретение соответствует критерию "существенные отличия".

Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.

Периодически импульсно в заданном направлении излучают плоскополяризованную волну. Из-за эффекта Фарадея сигнал испытывает вращение плоскости поляризации. В принимаемом сигнале некогерентного рассеяния выделяют обыкновенную и необыкновенную составляющие. Изменение приращения угла поворота плоскости поляризации принимаемого сигнала связано с изменением интегрального содержания электронов в заданной области ионосферы от дальности r₁ до r₂. Для измерения этого изменения в одну из составляющих, например в обыкновенную, вводят с помощью калиброванного фазовращателя регулируемый фазовый сдвиг ϕ₁ такого значения, чтобы разность фаз между обыкновенной и необыкновенной составляющими для радиолокационной задержки t₁, соответствующей сигналу от ближней границы r₁ заданной области, стала удобной для точного измерения, равной, например, π /2. (Такое значение разности фаз измеряется с минимальной погрешностью с помощью фазового детектора, перемножителя двух сигналов или коррелометра (см. Измерения в электронике: Cправочник (В.А. Кузнецов, В. А. Долгов, В.М. Коневских и др.; Под ред. В.А. Кузнецова, М.: Энергоатомиздат, 1987, - 512 с., с. 303-309). Затем фазовращатели для радиолокационной задержки t₂, соответствующей сигналу от дальней границы r₂ заданной области, устанавливают такой фазовый сдвиг ϕ₂, при котором разность фаз между обыкновенной и необыкновенной составляющими принимает прежнее значение.

При этом разность фазового запаздывания обыкновенной и необыкновенной волн ϕ₂ - ϕ₁ и, как следует из выражения (I), изменение угла поворота плоскости поляризации принимаемого сигнала в слое ионосферы на интервале дальности от r₁ до r₂ равны
ΔΩ= (4) Будем считать ионосферу и магнитное поле квазистационарными, т.е. за достаточно малое время, затраченное на измерение ϕ₂ - ϕ₁ , параметры ионосферы и магнитного поля не изменяются. Тогда в выражении (2) дифференциалы можно заменить соответствующими приращениями
d Ω ( h ) ≈ Δ Ω ;dh=r₂-r₁= (t₂-t₁), и вычислить значение электронной концентрации на дальности r
N_e(r)= · = · , (5) cчитая, что М(r) = const, так как в тонком слое Δ r геомагнитное поле практически неизменно. Входящая в формулу (5) разность t₂-t₁ есть удвоенное время прохождения волны в слое Δ r, которое может быть измерено любыми известными методами, применяемыми, например, в радиолокации.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Периодически импульсами излучают плоскополяризованную волну в заданном направлении.

Некогерентно рассеянный ионосферой сигнал принимают с разделением на обыкновенную и необыкновенную составляющие.

В одну из составляющих, например в обыкновенную, вводят регулируемый фазовый сдвиг ϕ.

Для радиолокационной задержки t₁, соответствующей сигналу от ближней границы заданной области ионосферы, измеряют разность фаз между обыкновенной и необыкновенной составляющими, причем установкой ϕ = ϕ₁добиваются, чтобы эта разность фаз приняла удобное для точного измерения значение, равное, например, π /2.

Для радиолокационной задержки t₂, соответствующей сигналу от дальней границы заданной области ионосферы, вновь измеряют разность фаз между теми же составляющими, причем установкой ϕ = ϕ₂ добиваются, чтобы эта разность фаз приняла ранее измеренное значение;
вычисляют электронную концентрацию как произведение постоянного для заданной дальности коэффициента 16.8· на отношение разностей ϕ₂ - ϕ₁ к t₂-t₁.

На чертеже приведена схема заявляемого устройства для осуществления заявляемого способа.

Устройство содержит радиопередающее устройство (РПУ) 1, блок 2 синхронизации, блок 3 калиброванной регулируемой временной задержки импульсов, приемник 4 обыкновенной составляющей и приемник 5 необыкновенной составляющей сигнала некогерентного рассеяния ионосферы, регулируемый фазовращатель 6, ключ 7, перемножитель 8 сигналов, фильтр 9 нижних частот, индикатор 10 нуля. Выход блока синхронизации соединен с модулирующим входом РПУ 1 и входом блока 3 временной задержки. Выход приемника 4 соединен с входом фазовращателя 6. Выход приемника 5 через ключ 7 и выход фазовращателя соединены с входами перемножителя 8. Управляющий вход ключа 7 соединен с выходом блока 3 временной задержки. Выход перемножителя 8 через фильтр 9 соединен с индикатором 10.

Рассмотрим работу устройства при определении электронной концентрации в заданной области ионосферы с центром на расстоянии r.

Блок 2 синхронизации создает стабильные прямоугольные видеоимпульсы с известным периодом следования Т и длительностью τ. Передающее устройство излучает радиоимпульсы длительностью τ с частотой заполнения f_o. Отраженный ионосферой сигнал принимается приемниками 4 и 5. Приемник 4 восприимчив только к сигналу с правой круговой поляризацией (обыкновенная составляющая), а приемник 5 - только к сигналу с левой круговой поляризацией (необыкновенная составляющая). Выходное напряжение приемника 4 в фазовращателе 6 получает добавочный калиброванный регулируемый сдвиг фазы ϕ. Фазы выходных напряжений приемника 5 и фазовращателя 6 сравниваются с помощью перемножителя 8, фильтра 9 и индикатора 10, которые по сути являются точным измерителем квадратурной (π /2) разности фаз. С помощью этого измерителя в совокупности с фазовращателем 6 осуществляется измерение разности фаз сигналов приемников 4 и 5 компенсационным методом - наиболее точным нулевым методом сравнения. Чтобы измеряемая разность фаз соответствовала заранее выбранной дальности, перемножитель 8 стробируется по времени с помощью ключа 7, на управляющий вход которого поступают короткие прямоугольные импульсы от блока 3. Временная задержка импульсов в блоке 3 определяется заданной дальностью. Так, например, для дальности r₁ временная задержка должна быть равна t₁ = 2r₁/с, а для r₂ cоответственно t₂ = 2r₂/с. Дальность, которой соответствуют проводимые измерения электронной концентрации, равна r= . Минимальная разность t₂-t₁ = τ₃, где τ₃ - длительность импульсов блока задержки. Это необходимо, чтобы принимаемые сигналы от границ r₁ и r₂ не перекрывались по времени. Максимальная разность t₂-t₁ определяется пределом значения ϕ_m и концентрацией электронов в измеряемом слое. Изменение угла плоскости поляризации Δ Ω между границами r₂ и r₁ не должно превышать ϕ_m/2, иначе Δ Ω будет определено с ошибкой, равной произвольному числу полных оборотов плоскости поляризации.

Для повышения разрешающей способности измерения электронной концентрации по дальности длительность импульсов τ₃ должна быть минимальной. Чем меньше τ₃, тем меньше абсолютная погрешность дальности, которой соответствует измеренное значение ϕ и, в конечном итоге, электронной концентрации. Наименьшее значение τ₃ определяется быстродействием ключа 7 и перемножителя 8. Практически τ₃ может составлять десятые доли микросекунды, а высотное разрешение Δr_min= при этом - десятки метров. Минимальное возможное значение разности ϕ₂ - ϕ₁определяется разрешающей способностью фазовращателя 6 (практически порядка десятых долей градуса). Следовательно, в предлагаемом техническом решении разрешающая способность измерений N_e по дальности определяется аппаратурными возможностями устройства и принципиально может быть значительно выше, чем в известных решениях. Этим определяется полезность предлагаемого решения.

Базовым объектом предлагаемого технического решения является прототип.

По сравнению с базовым объектом предлагаемое решение, кроме указанных выше существенных отличий, обладает еще рядом отличий и преимуществ.

Предлагаемое решение позволяет производить измерения электронной концентрации в конкретных наперед заданных границах, тогда как остальные способы почти всегда требуют измерения всего высотного профиля концентрации.

В прототипе для измерения угла поворота плоскости поляризации принимаемой волны используются свойства диаграммы направленности простого вибратора. Поэтому принципиально там достаточно одного приемника плоскополяризованной волны (применяемые два приемника позволяют лишь повысить точность измерений). В предлагаемом же решении измеряется не угол поворота плоскости поляризации, а его изменения на основе связи этого угла с разностью фаз между обыкновенной и необыкновенной составляющими принимаемой волны, поэтому принципиально необходимы два приемника.

Измерение приращения Δ Ω , а не самого угла Ω дает возможность избежать ошибок, связанных с различием траекторий распространения обыкновенной и необыкновенной составляющих, наиболее существенно проявляющихся при больших дискретных изменениях угла плоскости поляризации (при переходе от слоя к слою). В прототипе эта дискретность составляет π /2, в предлагаемом решении она существенно меньше. Для регистрации этой дискретности в прототипе используются экстремальные значения уровня мощности принимаемого сигнала за достаточно длительное время сеанса измерения всего высотного профиля электронной концентрации, так как для заданного высотного уровня положение экстремальных точек является случайным.

В силу указанных особенностей в прототипе высотное разрешение определяется профилем электронной концентрации ионосферы и практически, например, для N_e = 1,25 х 10⁶ эл/см³, составляет Δ h = 16 км (для частоты f_o = 150 МГ2 и магнитного поля на средних широтах); для N_e = 2 х 10⁵ эл/см³ разрешение Δ h = 100 км.

В предлагаемом решении разрешение по дальности определяется аппаратурными возможностями и, как показано выше, может быть значительно лучше и, во всяком случае, не хуже 10 км. По сравнению с прототипом в предлагаемом решении сокращается время измерения электронной концентрации на заданной дальности: фактически это время, затрачиваемое на измерение двух фазовых сдвигов ϕ₁ и ϕ₂, по сравнению со временем сеанса измерения высотного профиля.

С помощью предлагаемого решения путем последовательных измерений на различных высотах или использованием параллельных измерений можно определить профиль электронной концентрации ионосферы.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для исследования ионосферы методом некогерентного рассеяния радиоволн с использованием эффекта Фарадея. Способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы включает расчет по формуле, приведенной в описании. С целью исключения неизвестной аддитивной постоянной фазового сдвига вводят первоначально в одну из компонент принимаемого сигнала корректируемый фазовый сдвиг, регулируют значение так, чтобы разность фаз между компонентами стала удобной для измерений. Устройство содержит радиопередающее устройство, блок синхронизации, блок регулируемой временной задержки импульсов, приемник обыкновенной составляющей и приемник необыкновенной составляющей сигнала некогерентного рассеяния ионосферы, регулируемый фазовращатель, ключ, перемножитель сигналов, фильтр нижних частот, индикатор нуля. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы, включающий направленное импульсное излучение плоскополяризованной электромагнитной волны с несущей частотой f₀, прием обыкновенной и необыкновенной компонент сигнала некогерентного рассеяния ионосферы и вычисление электронной концентрации по формуле
N_e(r)= · ,
где M(r) - известная продольная составляющая геомагнитного поля;
Ω - угол поворота плоскости поляризации принимаемого сигнала,
r - дальность,
отличающийся тем, что, с целью повышения пространственной разрешающей способности по дальности, в одну из компонент принимаемого сигнала вводят корректируемый фазовый сдвиг и устанавливают его так, чтобы разность фаз ϕ₁ между компонентами принимаемого сигнала стала равной 90^o в момент времени t₁, соответствующий задержке сигнала, отраженного от передней границы ионосферы, изменяют корректируемый фазовый сдвиг ϕ₂ до значения, при котором в момент времени t₂ разность фаз между компонентами принимаемого сигнала стала равной 90^o, а производную d Ω / d r вычисляют по формуле
= ,
где c - скорость света;
t₂ соответствует задержке отраженного сигнала от дальней границы ионосферы. 2. Устройство для определения электронной концентрации в заданной области ионосферы, включающее последовательно соединенные синхронизатор, передатчик и передающую антенну плоскополяризованной волны, последовательно соединенные приемную антенну и приемник обыкновенной волны, последовательно соединенные вторую приемную антенну и приемник необыкновенной волны, последовательно соединенные перемножитель, фильтр нижних частот и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения пространственной разрешающей способности по дальности, введены ключ, включенный между выходом приемника необыкновенной волны и первым входом перемножителя, фазовращатель, включенный между выходом приемника и вторым входом перемножителя, блок временной задержки, включенный между вторым выходом синхронизатора и управляющим входом ключа.