Способ определения параметров неоднородностей электронной концентрации ионосферы Советский патент 1985 года по МПК G01N22/00 

)-if

efn Л- и м коУрб м .

р ) j)

и)т

р JlMJi

IX)

ммн

..н)к(Ч.о.кс)еоК.кс)

р«

Нс(кс)кК,„)е(и),„)

К«н.«.о,кс) ф««кс. минГ

.

.e-(l+2|3f. .

-п. mqi4C,«HH/ (Wjy ointj KH)

где с - скорость света в вакууме; Ы TFf, f - частота, при которой наблюдается максимум на частотной зависимости средней энергии рассеянной составляющей принятого сигнала

ллйКС.МИН М«КС,МИН

максимальное (и минимальное) значения диапазона изменений частоты зондирующих высокочастотных импульсов; ,макс ) - полуширина эффективности диаграммы направленности (произведение диаграмм направленности по мощности передающей и приемной

антенн) приы,,ш,„ ,кКин,м«.(интервал автокорреляции квадратов флуктуации амплитуд принятого сигнала

ПР м«кc /5 (мин мак отношение энергии отраженной составляющей к средней энергии рассеянной, составляющей принятого сигнала при Шмин лчакс

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 гори- зонтальный 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,,)

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 1адпульсы, рассеянные на неоднородностях электронной концентрации ионосферы сигналы принимают в первом наземном пункте, а также в других наземных пунктах (3-4), удаленных от первого на расстоянии до-2 Л, где Д- длина волны высокочастотных импульсов в вакууме, в каждом пункте регистрируют временные зависимости уктуаций амплитуд принятых сигналов с выбранной задержкой по отношению к излученному импульсу (которая соответствует выбранной высоте рассеяния) измеряют коэффициенты пространственноЙ корреляции флуктуации амплитуд принятых сигналов попарно всех пунктов (4-5 измерений), вычисляют радиус пространственной корреляции флуктуации амплитуд наземной дифракционной картины, обусловленной рассе- . янием зондирующих высокочастотных импульсов на неоднородностях элект-ройной концентрации ионосферы, вычисляют отношение горизонтального- и вертикального размеров неоднородностей электронной концентрации ионосферы

ГО.

Однако этот способ не позволяет определить 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 излучают зондирующие высокочастотные импульсы, рассеянные на неоднородностях электронной концентрации ионосферы сигналы принимают в первом и втором наземных пунктах, удаленных друг s от друга на расстоянии , .где - длина волны высокочастотных радиоимпульсов в вакуууме, в обоих пунктах регистрируют временные зависимости флуктуации амплитуд принятых 10 сигналов с выбранной задержкой по отношению к излученному импульсу (которая соответсвует выбранной высоте рассеяния), измеряют коэффициент пространственной корреляции флуктаций амплитуд- принятых сигналов в двух наземных пунктах, вычисляют радиус пространственной корреляции флуктуации амплитуд наземной дифрак- . цйбнной картины, вычисляют горизон- 20 тальный размер неоднородностей электронной концентрации ионосферы . Однако известньй способ не поззоляет определить отношение горизонтального и вертикального размеров 25 неоднородностей электронной концентрации ионосферы, а горизонтальный размер определяется с погрешностью 30% лишь только тогда, когда он в 2-5 раз превьшает вертикальный раз-зо мер. Цель изобретения - повышение точности. . Поставленная цель достигается тем,35 что согласно способу определения параметров неоднородностай электронной концентрации ионосферы, заключающемуся в том, что в направлении исследуемой области из наземного пункта 40 излучают зондир5тощие высокочастотные импульсы, рассеянные на неоднородностях электронной концентрации ио- носферы сигналы принимают в наземном пункте, регистрируют временные зави- 45 симости флуктуации 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 где нен где сел пор вет мак при ти инт дра уст ной и ве род ион в 6 я , А - среднее значение и средний квадрат флуктуации амплитуды.принятого сигнала;- модифицированные функции Беспервого рода нулевого и первого дков, определяют частоту, сооттвующую ее максимуму, находят имальную и минимальную частоты, которых значения этой зависимосще надежно определяются, измеряют рвал автокорреляции флуктуации кваов амплитуд принятого сигнала при новленных максимальной и минимальастотах, вычисляют горизонтальный тикальный размеры L и L неодноостей электронной концентрации сферы по формулам Н.Кс)кК«н)9К.и) (д,ин.) . .инГ fL.c,M.Hr.:..-V ( «О1кс.,мин) где С - скорость света в вакууме; U) 2/rfi f - частота, при которой наблюдается максимум на частотной зависимости средней энергии рассеянной составляющей принятого сигнала, мцкс.миН Aic(K,c,Mu« w.«KC.,Mvm 5 максимал ное и минимальное значения диапазона изменений частоты зондирующих высокочастотных импульсов; ,мaкc) полуширина эффективности диаграммы направленности аи- :. -п тени (произведение диaгpa м направ--леннсти по мощности передающей и при- емной антенн) jipii (л)-, мclкc MWKC интервал автокорреляции квадратов флуктуации амплитуд 25 принятого сигнала при U;, и ., А (io,,y „„..- ) - отношение энергии и I ЛА отраженной составляющей К средней энергии рассеянной составлк-ющей принятого сигнала при-ш и ш . о Способ основан на cл€i yющиx. положениях, Зондирующие в.ысокочастотные импульсы в ионосфере рассеиваются на . случайных мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации и (Когерентно отражаются от стационарных крупномасштабных неоднородностей. Поэтому среднюю энергию сигналов, принятых в первом или втором пунктах, можно представить в виде А2 115.+ |Ёк1 IE5J41+/3O, (iO где lEgHJ ( - энергии рассеянной и отраженной составляющих; чер та - знак усреднения, р |Ej, , Из уравнения (10) определяется уравнение, (1), необходимое для вычисления j-Eg). Величина /ь вычисляется подформуле (2). Величина связана с параметрами ионосферной плазмы и параметрами аппаратуры следзтащим соотнешением ,1, .,,,(-.„(1,,,,,,,, , М где от ст ча ных ти иб те ния зна тот клю лен час жел вае ти сов дов (ДН) - средняя интенсивность неоднородностей; h - высота их расположения; п, aJ - действительная и мнимая части коэффициента преломления:2бр,. 2бр- ширина эффективной диаграммы направленности антенн и индикатрисы рассеяния мелкомасштабных неоднородностей; Iun - длительность высокочастотньгх импульсов; 1, l горизонтальный и вертикальный радиусы корреляции флуктуации неоднород-костей электронной-концентрации ионосферы, горизонтальный Lвертикальный L размеры неоднородностей электронной концентрации определяются по формулам L 21, L2 R - сомножитель, зависящий только частотных импульсов и частоты лкновений : э тектронов с тяжелыми тицами. При изменении частоты высокочастотимпульсов при постоянной мощносизлучения величина (11) налее сильно изменяется в результачастотной зависимости произведе{ г.ч. expl- 1 I . (14) р ei Другие сомножители в уравнении (11) чительно меньше изменяются с часой и их влияние всегда можно исчить, используя высотные распредеия электронной концентрации и тоты столкновений электронов с тяыми частицами. Также легко учитытся возможная зависимость мощносизлученных высокочастотных импульот частоты. Максимум зависимости Р(и)), а слеательно, и наблюдается при 1ы ) При выводе этой формулы учтено, что в.реальных условиях 0 (f) const, &l f или Э сГ При помощи уравнения (15) определяются величины 1 и 1 Таким образом, для выбранной задержки (высоты) принятого сигнала по час тоте f , соотв етствующей максимуму зависимости |E5p(f), при помощи ура нения (15) возможно вычислить вертикальный радиус корреляции неоднородностей электронной концентрации ионо сферы. Выражение для горизонтального радиуса корреляции неоднородностей из уравнения (13) в виде 1 (1| При помощи уравнений (15) и (16) после простых преобразований получаем выражения для L (3) и L (4). В про.тотипе величина 9 (w) определяется по радиусу пространственной кор реляции Гц флуктуации. Для определекия Г требовалось принимать и pe-t гистрировать флуктуации амплитуд сигналов принятьйс в двух разнесенных по поверхности Земли измерительных пунк тах. Согласно предлагаемому способу величину 0 (w) определяют по из01 т мерениям интервалов автокорреляции : Тц. флуктуации принятого сигнала лишь в одном измерительном пункте на минимальной , и максимальной частотах его частотного диапазона. Это оказывается возможным благодаря тому, что б 1 связано с Тц формулой . СМ 0«.(w) .(17) u)v ..(и)) где V - скорость горизонтального дрейфа исследуемых неоднород ностей электронной концентра ции ионосферы; М - определяется формулой (9). Используя уравнение (17) длящ;. / г. чМЛНР л)., , уравнение (5) и уравнение для толучения полуширины -углового спектра рассеяния неоднородностей 8„ (W) (LVL| - 1)L| 5получаем уравнение для определения Bf () уравнение (7), уравнение (8) и затем при помощи уравнений (5) и (6) вычислить 0 (nil). Частоты uJflnoKC- и W|,н должны как можно больше отличаться друг отдруга ( для того, чтобы не было линейной зависимости уравнений) однако при этих частотах значения средней энергии принятых сигналов должны надежно определяться. Формула (6) для пересчета 81 (и g) в 0 (ю,) определяется при помощи уравнения (18). Таким образом, вьтолняя измерения только лишь в одном пункте величин интервалов автокорреляции Тц на двух частотах возможно с меньшими затратами средств определить 0 (w), а следовательно, и параметры неоднородностей электронной концентрации L и 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/Lj уменьшается на л. 13%, а L - на 3%. Кроме того, в отличие от прототипа, предлагаемый способ позволяет определить горизонтальный масштаб неоднородностей электронной концентрации при любом отношении L/L2,4TO при значениях L/L близких к единице L/L - 1,2... 1,5 уменьшает погрешность определения L на rtK. 83. . .66%, при больших значениях f- 5...iO величина к я 20... 10%. Z Способ осуществлется следующим 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 задерзкки среднюю по времени энергию пассеянной составляющей припятого сигнала. Определяют ее зависимость от ча.стоты 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/РЩ 1,5). Измеряют интервал

автокорреляции флуктуации квадратов амплитуд принятого сигнала на установленной минимальной частоте, а затем измеряют интервал автокорреляции флуктуации квадратов амплитуд принятого сигнала на установленной максимальной частоте. Вычисляют для выбранной задержки принятого сигнала (высоты) горизонтальный и вертикальный размеры неоднородностей электронной концентрации ионосферы.