СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИОНОГРАММ Российский патент 2015 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиотехнике, электросвязи, радиолокации; может быть использовано в системах диагностики плазменных явлений в ионосфере Земли.

Ионограммы получают при вертикальном (ВЗ), наклонном или возвратно наклонном зондировании ионосферы. Наиболее распространено ВЗ. При ВЗ ионосферы с помощью ионозондов регистрация ионограммы происходит за время около минуты. Ионограммы (дистанционно-частотные характеристики радиосигналов, отраженных от ионосферы при радиолокации ионосферы на частотах в диапазоне 0,3-20 МГц) дают сведения о высотном профиле электронной концентрации в ионосфере, которая рассматривается как квазистационарная среда с изменениями во времени порядка минуты и более. Способы получения ионограмм хорошо известны [1, 2, 3]. При ВЗ ближайший к поверхности Земли ионосферный E_s - слой, расположенный на высоте ~110 км, дает отраженный сигнал с задержкой ~700 мкс. Эта величина ограничивает длительность зондирующего сигнала τ_имп, например, в обычных аналоговых ионозондах величина τ_имп~50-100. В современных цифровых ионозондах для увеличения энергетического потенциала радиолокации применяют сложно манипулированные сигналы, например, в ионозонде DPS-4 [3] используется ФКМ сигнал с 16 элементным кодом Баркера, состоящий из элементов (импульсов) длительностью Δτ~33.33 мкс каждый с манипуляцией начальной фазой от импульса к импульсу; вся посылка имеет длительность τ_имп=NΔτ=533.3, длительность свернутого сигнала по уровню 0,5 33,33 мкс, энергетический выигрыш при свертке составляет 32 дБ.

Прототипом для предлагаемого способа получения ионограмм может быть выбран наиболее полно описанный в литературе ионозонд типа «Базис» [1, 2]. В прототипе для получения ионограммы производят следующие основные операции:

1. Излучение зондирующего радиоимпульса. Длительность импульса τ_имп (обычно около 100 мкс). Несущая радиочастота - f₀ находится в диапазоне 0.1-40 МГц. Начальная частота зондирования - f_мин (может выбираться от 0,1 до 1 МГц), конечная частота - f_макс (10-40 МГц). Частотный диапазон зондирования Δf=f_макс-f_мин. Частота посылок импульсов f_повт (обычно - 50 Гц).

2. Прием и регистрация отраженного от ионосферы радиосигнала на частоте зондирования f₀ и измерение параметров отраженного сигнала (интенсивности, групповой задержки, углов прихода, поляризации, доплеровского сдвига частоты) в течение времени распространения от излучателя к приемнику.

3. Перестройка частоты излучаемого радиоимпульса передатчика и приемника на новую радиочастоту зондирования (f₀+δf) и проведение операций 1÷2 на новой частоте (f₀+δf), Здесь δf - частотный шаг перестройки, который обычно выбирают в пределах 10÷100 кГц. Частоты выбираются из заданной сетки фиксированных частот зондирования.

4. Операцию 3 повторяют, начиная от начальной частоты f_мин до конечной частоты зондирования f_макс с полной переборкой частот зондирования за интервал времени ΔT. Частота повторения тактов зондирования f_повт=1/ΔT.

При ВЗ рабочий диапазон частот зондирования обычно устанавливают в пределах от 1 до 15 Мгц. При равномерном шаге δf изменения частоты для перекрытия заданного частотного диапазона зондирования необходимо произвести излучение и прием сигналов на M частотах (M при этом равно Δf/δf).

Максимальная групповая задержка однократно отраженного сигнала Δt находится в интервале 5÷7 мс, поэтому частоту посылок зондирующих импульсов f_повт можно выбирать, например, равной 50 Гц (максимальная задержка Δt=20 мс), если положить f_повт=100 Гц, то Δt=10 мс, при f_повт=200 Гц получим Δt=5 мс.

Общее время регистрации ионограммы при однократном зондировании на каждой частоте определяется формулой

$$\Delta T=M/f_{повт.}(1)$$

В практике зондирования ионосферы количество используемых частот M обычно составляет 400. Тогда, например, при частоте повторения импульсов f_повт=100 Гц минимальное время получения ионограммы по (1) будет ΔT=4 сек, при f_повт=200 Гц минимальное время получения ионограммы составит ΔT=2 сек, а для стандартной частоты повторения у большинства ионозондов f_повт=50 Гц и ΔT=8 сек.

В исследованиях ионосферных возмущений, связанных с быстрыми явлениями в ионосферной плазме, таких как, например, воздействие на ионосферу Земли солнечной вспышки, возникает необходимость регистрации процессов с характерным временем изменения ~1 сек и менее. Аналогичные времена развития имеют ионосферные эффекты магнитных бурь, а также эффекты искусственного возмущения ионосферы при нелинейном воздействии мощных радиоволн, которые развиваются в доли секунд. Особая ситуация возникает при ВЗ ионосферы сверху с борта ИСЗ, когда ионозонд перемещается по орбите со скоростью ~8 км/сек и ионограмма не может быть отнесена к географическим координатам с достаточной точностью.

Указанные причины делают важной для практики задачу регистрации ионограмм за период времени ΔT значительно меньше 1 секунды.

Решаемая техническая задача - получение ионограммы за интервал времени значительно меньше 1 секунды.

В предлагаемом способе получения ионограммы перечисленные в прототипе операции 1-4 модифицируются:

1. Первая операция (излучение радиоимпульса) в предлагаемом способе модифицируется следующим образом: на каждом такте зондирования предлагается излучать зондирующий радиоимпульс в виде пакета дискретно-частотного сигнала (ДЧС), представляющего собой последовательность из следующих непрерывно один за другим N радиоимпульсов (элементов) разной частоты, но одинаковой длительности Δτ. Частоты, составляющие пакет ДЧС, выбираются из заданной сетки фиксированных частот зондирования.

2. Вторая операция (прием отраженного сигнала на радиочастоте зондирования f₀) в предлагаемом способе модифицируется следующим образом: в каждом такте зондирования производится одновременный прием и измерение параметров отраженного радиосигнала независимо на каждой из N частот, составляющих пакет ДЧС. При равномерном распределении частот пакета ДЧС по частотному диапазону зондирования, частоты пакета ДЧС можно записать: f₀, f₀+Δf_n, f₀+2Δf_n, f₀+3Δf_n, … f₀+(N-1)Δf_n, где Δf_n=Δf/N. При этом параметры отраженного сигнала (интенсивность, углы прихода, поляризация, доплеровский сдвиг частоты), также как в прототипе, должны быть измерены в диапазоне задержек от 700 мкс до 1/f_повт.

3. Третья операция. Перестройка передатчика и каналов приемника на новый набор N частот нового пакета ДЧС. При равномерном распределении частот пакета ДЧС по частотному диапазону зондирования и одинаковой перестройке по частоте δf каждой составляющей нового пакета ДЧС, частоты нового пакета ДЧС можно записать: (f₀+δf), (f₀+δf)+Δf_n, (f₀+δf)+2Δf_n, (f₀+δf)+3Δf_n, … (f₀+δf)+NΔf_n. Затем операции 1 и 2 производятся для нового пакета ДЧС.

4. Четвертая операция. Операция 3 повторяется до полной переборки всех частот зондирования из заданной сетки фиксированных частот в пределах частотного диапазона зондирования Δf.

При использовании ДЧС время получения ионограммы определяется формулой

$$\Delta T_{дчс}=M/\left(f_{повт\text{}}N\right)=\Delta T/N(2)$$

Из сопоставления формул (1) и (2) можно заключить, что при одинаковых режимных параметрах регистрации ионограмы (Δf, δf ,f_повт, M) величина ΔT_дчс в N раз меньше времени ΔT, за которое стандартным способом получается аналогичная ионограмма.

Уменьшение времени получения ионограммы связано с тем, что фактически весь частотный диапазон ионограммы Δf предложено разбивать на N отдельных частотных поддиапазонов и одновременно производить зондирование в каждом из N поддиапазонов. При этом прием и измерение параметров осуществляют одновременно и независимо для каждой из N частот пакета ДЧС.

Обычно на практике при ВЗ используют радиоимпульсы с длительностью не менее 50 мкс. Так как максимальная длительность импульса зондирования ионосферы не может быть больше чем 700 мкс, то и длительность пакета ДЧС должна быть меньше 700 мкс, a N число частотных элементов в пакете ДЧС ограничено числом не более 14. Число 14 - это максимально возможная на практике кратность уменьшения времени получения ионограммы при использовании предлагаемого способа. Например, для получения ионограммы ВЗ на 400 частотах при частоте посылок импульсов f_повт=100 Гц минимально возможное время регистрации будет равно (4/14) сек., т.е. меньше чем 0,3 сек.

Предлагаемый способ иллюстрируется далее следующими графическими изображениями:

Фигура 1. Вид пакета ДЧС для случая N=5.

Фигура 2. Частотно-временная схема расположения сигналов при зондировании пакетом ДЧС.

Фигура 3. Функциональная блок-схема синтезатора передатчика для ДЧС с N=4.

Фигура 4. Функциональная блок-схема многоканального РПУ для приема и регистрации сигналов ДЧС.

Из представленной на фиг.1 эпюры излучаемого пакета ДЧС видно, что в течение одного такта зондирования за время τ_имп=ΔτN будет излучена широкополосная последовательность N импульсов на дискретных частотах. Например, при равномерном распределении отдельных элементов ДЧС по всему диапазону частот зондирования Δf, частоты ДЧС могут быть в виде ряда значений f₀, f₀+Δf_n, f₀+2Δf_n, f₀+3Δf_n, … f₀+(N-1)Δf_n, где Δf_n=Δf/N.

На фиг.2 показан график ионограммы для типичной дневной ионосферы, на фоне которой схематически иллюстрируется принцип получения ионограммы предложенным способом. Кривые "O"- и "X"- это «обыкновенная» и «необыкновенная» компоненты отраженных от ионосферы сигналов. Шкала слева - действующая высота, справа - шкала групповой задержки. В интервале задержек от 0 до 0,5 мсек показано положение зондирующих импульсов на рабочих частотах f₁, f₂, f₃, f₄, f₅ (залитые прямоугольники). Прямоугольники на кривых линиях показывают положение отраженных импульсов.

Положим, что частота повторения импульсов равна f_повт=100 Гц и на каждом такте зондирования излучаются различные пакеты ДЧС с неповторяющимися частотными элементами.

Тогда общее число рабочих частот можно рассчитать по формуле

$$M=N{f}_{повт}(3)$$

Например, при N=5 и f_повт=100 Гц ионограмма может быть получена за время ΔT_дчс=1 сек, при этом можно провести зондирование на 500 частотах.

Если, например, длительность излучаемого пакета ДЧС увеличить до τ_имп=600 мкс, и взять значение Δτ=60 мкс то число элементов ДЧС примет значение N=10, тогда общее число рабочих частот по (3) будет равно M=1000. Если число частот в пакетах ДЧС ограничить числом M=500, то ионограмму можно зарегистрировать согласно (2) за время ΔT_дчс=0,5 сек.

На фиг.2 видно, что сигналы, формирующие ионограмму, не выходят за пределы групповой задержки 4 мсек, поэтому можно увеличить тактовую частоту до f_повт=200 Гц (при этом диапазон дальности будет равен 750 км). Тогда при общем числе рабочих частот M=500 и однократном сканирование по этим частотам ионограмма будет получена за время ΔT_дчс=0,25 сек.

Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на примере, основанном на реконструкции ионосферного комплекса «Базис-2». При неизменном широкополосном передатчике комплекса необходимо модернизировать синтезатор когерентных сигналов для передатчика комплекса, чтобы он мог излучать пакеты ДЧС. Необходимо заменить систему управления и создать многоканальную радиоприемную систему.

За основу синтезатора сигналов ДЧС берем принцип работы многочастотного синтезатора, функциональная блок-схема которого приведена фиг.3. В ПЭВМ размещается ПО - программное обеспечение алгоритма зондирования ионосферы, которое выдает необходимые командные коды в блок синхронизации и управления (БСУ). В БСУ помимо кодов управления от ПЭВМ поступает также главная опорная частота f₀, которая генерируется высокостабильным вторичным стандартом частоты (например, рубидиевым генератором типа СЧВ-74). В 4-канальный блок синтеза сигналов поступают коды фиксированных рабочих частот зондирования, с выхода блока сигналы рабочих частот поступают в блок формирования ДЧС сигналов, в который также поступают коды ДЧС. Сформированные ДЧС сигналы с выхода синтезатора поступают в радиопередатчик (РПД).

Основная сложность создания многоканального радиоприемного устройства (МРПУ) для регистрации отраженных от ионосферы ДЧС сигналов связана с необходимостью обеспечения одновременного приема и регистрации сигналов на разных частотах с сохранением когерентных свойств принимаемых сигналов. Радиоприемным устройством с необходимыми свойствами может быть, например, N - канальное приемное устройство, каждый приемный канал которого на каждом такте зондирования независимо настраивается на одну из N фиксированных частот излучаемой дискретной последовательности импульсов пакета ДЧС. На следующем такте зондирования каждый из N каналов РПУ настраивается на новый пакет ДЧС: f, f+Δf_n, f+2Δf_n, f+3Δf_n, … f+NΔf_n, где f=(f₀+Lδf). Здесь L - номер такта зондирования. Традиционное решение задачи создания многоканальных РПУ состоит в использовании необходимого количества промышленно выпускаемых РПУ, составляющих каналы многочастотного РПУ (МРПУ). На фиг.4 показана функциональная блок-схема 4-канального МРПУ, предназначенная для приема 4-х элементных пакетов ДЧС. В ПЭВМ размещается программное обеспечение (ПО) алгоритма зондирования ионосферы, которое выдает необходимые командные коды в блок синхронизации и управления (БСУ), а также коды ДЧС для соответствующей настройки каналов МРПУ.

В рассматриваемом здесь случае импульсного зондирования сложность состоит в необходимости решать проблему влияния на входы МРПУ прямой («земной») волны ввиду того, что длительность пакета ДЧС может приближаться к максимально допустимой величине 700 мкс. Для решения такой задачи следует применить комплекс аппаратно-программных решений, включающий известные методы подавления прямой волны, например, как это сделано в ионозонде «Базис-2».

На каждом такте зондирования принимаемый радиосигнал из антенно-фидерной системы (АФС) поступает в широкополосный антенный усилитель, обладающий свойством ограничивать сигналы, превышающие заданный порог (например, ~5 B). Далее принимаемый сигнал с помощью ВЧ ключа блокируется на время действия запирающего (стробирующего) сигнала, при этом длительность строба определяется длительностью (Nτ_имп) излучаемого пакета ДЧС. С выхода ВЧ ключа сигнал поступает на вход МРПУ, с каждого из 4 выходов МРПУ сигналы поступают на вход 4-канального АЦП. Запуск АЦП происходит по синхроимпульсам СИ, которые вырабатываются в блоке синхронизации и управления (БСУ). Затем коды АЦП поступают в ПЭВМ, где накапливаются и обрабатываются данные радиозондирования. Поскольку при диагностике методом ВЗ передающая и приемная части зондирующей аппаратуры образуют единую систему, то блоки ОГ и ПЭВМ могут быть объединены, что обеспечит необходимую синхронность излучаемых и принимаемых радиосигналов.

Обработка данных зондирования для получения графика ионограммы не отличается от обработки сигналов в известных способах.

Предложенный выше способ получения ионограмм с помощью широкополосных ДЧС сигналов приводит к необходимости обработки зондирующих сигналов практически в режиме реального времени и хранению значительных объемов данных. Это предъявляет достаточно высокие требования к параметрам АЦП и ПЭВМ. Существующие в настоящее время многоядерные процессоры и высокоскоростные многоканальные модули АЦП с динамическим диапазоном до 14 разрядов позволяют аппаратно и программно реализовать предлагаемый способ.

В качестве радиоприемных устройств в каналах МРПУ можно использовать промышленно выпускаемые цифровые РПУ, например, приемник AR-ONE фирмы AOR (Япония) [4].

Предлагаемый способ был опробован на макете и подтвердил ожидаемые результаты по сокращению времени получения ионограммы до долей секунды. Это позволяет применить предложенный способ для исследования быстрых процессов в ионосферной плазме.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Погода Э.В. Диагностический ионосферный комплекс «Базис» и его модификации // Экспериментальные методы исследования ионосферы. - М.: ИЗМИРАН, 1981 г. С. 145-152.

2. Комплекс агрегатный ионосферный Базис-2. Технические условия. Бт 2.009.007 ТУ. СКБ ФП АН СССР. Москва. 1983. с.5-11.

3. Описание DPS-4: http://www.digisonde.com/dps-4dmanual.html.

4. http://www.aor.ru

Изобретение относится к радиотехнике, электросвязи, радиолокации и может быть использовано в системах диагностики плазменных явлений в ионосфере Земли. Достигаемый технический результат - получение ионограммы за интервал времени значительно меньше 1 секунды. Указанный результат достигается за счет того, что в способе получения ионограммы на каждом такте зондирования радиоимпульс излучают в виде пакета дискретно-частотного сигнала (ДЧС), представляющего собой последовательность N следующих непрерывно один за другим импульсов разной частоты и одинаковой длительности из заданной сетки фиксированных частот зондирования, далее принимают и измеряют параметры отраженного радиосигнала в течение времени распространения от излучателя к приемнику одновременно и независимо на каждой из N частот пакета ДЧС, затем производят перестройку частот ДЧС на новый пакет частот ДЧС из сетки фиксированных частот зондирования, и производят излучение и прием отраженного сигнала на новом пакете ДЧС, далее последовательно осуществляют переборку частот сетки фиксированных частот зондирования новыми пакетами ДЧС на каждом такте зондирования до полной переборки всех частот в сетке частот зондирования за интервал времени ΔT_ДЧС=ΔT/N, где ΔT - стандартное время получения ионограммы. 4 ил.

Способ получения ионограмм, состоящий в излучении радиоимпульсов с заданными частотным диапазоном зондирования, шагом изменения частоты для перекрытия частотного диапазона зондирования, частотой повторения радиоимпульсов, количеством используемых частот, приеме отраженного от ионосферы радиосигнала на частоте зондирования и измерение параметров отраженного радиосигнала, представляющих собой интенсивность радиосигнала, углы прихода, поляризацию, доплеровский сдвиг частоты, с последующей перестройкой частоты излучаемого радиоимпульса из заданной сетки фиксированных частот в пределах частотного диапазона зондирования с полной переборкой частот зондирования за интервал времени ΔТ, отличающийся тем, что на каждом такте зондирования радиоимпульс излучают в виде пакета дискретно-частотного сигнала (ДЧС), представляющего собой последовательность N следующих непрерывно один за другим импульсов разной частоты одинаковой длительности из заданной сетки фиксированных частот зондирования, далее принимают и измеряют параметры отраженного радиосигнала в течение времени распространения от излучателя к приемнику одновременно и независимо на каждой из N частот пакета ДЧС, затем производят перестройку частот ДЧС на новый пакет частот ДЧС из сетки фиксированных частот зондирования, и производит излучение и прием отраженного сигнала на новом пакете ДЧС, далее последовательно осуществляют переборку частот сетки фиксированных частот зондирования новыми пакетами ДЧС на каждом такте зондирования до полной переборки всех частот зондирования (в сетке частот зондирования) за интервал времени ΔТ_ДЧС=ΔT/N.