Способ определения эффективной высоты и проводимости Д-слоя ионосферы Советский патент 1991 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при исследовании физических свойств и динамики ионосферы, прогнозирования характера .распространения радиоволн в волноводе Земля-ионосфера.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности.

На фиг. 1 показан график зависимости амплитуды отраженного ионосферой сигнала от частоты излучения; на фиг. 2 - график зависимости амплитуды одной из тангенциальных компонент магнитного поля в точке приема от частоты излучения; на фиг. 3 - функциональная электрическая схема передающего устройства; на фиг. 4 - то же. при- емно-регистрирую.щего устройства.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из звукового генератора (3Q 1. усилителя тока (УТ), передающей антенны (А), приемных антенн А 1 и А 2,

первого и второго антенных усилителей АУ1 и АУ2, первого и второго предварительных усилителей ПУ1 и ПУ2, первого и второго режекторных фильтров РФ1 и РФ2, первого и второго синхронно-избирательных фильтров СИФ1 и СИФ2, первого и второго блоков измерения амплитуд БИА1 и БИА2, измерителя разности фаз ИРФ, второго звукового генератора ЗГ2, блока определения функции F(f) БОР, блока анализа БА, регистратора.

Устройство работает следующим образом.

Задающий генератор с перестраиваемой частотой генерации (ЗГ1) и усилитель тока (УТ), нагруженный на петлевую излучающую антенну в виде рамки (плоскость рамки вертикальна), излучают радиосигнал требуемой частоты.

Приемо-регистрирующее устройство располагается на расстоянии 5-10 км от пео

01

Ю

чО

со

редающего. В качестве приемных антенн используются две скрещенные рамочные антенны А1 и А2 с антенными усилителями АУ1 и АУ2, с помощью экранированного кабеля антенны выносятся на расстояние порядка 100 м от остальной части приемного устройства. Через экранированный кабель сигнал поступает на предварительные усилители ПУ1 и ПУ2, приводящие сигнал к необходимому уровню. Режекторные фильтры РФ1 и РФ2 осуществляют подавление гармоник сети.

Синхронно-избирательные фильтры СИФ1 и СИФ2 осуществляют узкополосное выделение сигнала на частоте, задаваемой генератором ЗГ2. Частоты ЗП и ЗГ2 должны совпадать во время проведения измерений. Амплитуды сигнала по I и II каналам определяются блоками измерения амплитуд БИА1 и БИА2, разность фаз компонент поля определяется измерителем фаз ИРФ. Результаты измерений (амплитуды сигнала по I и II каналам и разность фаз между I и II каналами) записываются на регистратор (самописец, магнитный накопитель) и подаются на блок определения функции F (f) (БОР), затем на блок анализа (БА), определяющего искомые параметры модельного профиля проводимости, и на регистратор.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании эффекта поперечногорезонансаполостиЗемля-ионосфера, имеющего место для волн с частотами, близкими к гт cm/2h (где ,2,... - порядок резонанса; с - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме; h 60-90 км - характерная высота полости Земля - ионосфера для волн данного диапазона частот). Выражение rm cm/2h является точным резонансным условием для полости с резкими идеально проводя- - щими границами, при этом на высоте L (равной в этом случае расстоянию м.ежду плоскостями) укладывается целое число полуволн. В общем же случае для вертикально неоднородной канизотропной модели ионосферы резонансное условие имеет вид

г (m,f СЕП 2.Н

(hU,lAb ,

np

где (5d - проводимость Земли;

Ojj (h ) - элементы тензора проводимости ионосферы, отнесенные к высоте;

Li, La - характерные1 масштабы изменения с высотой электронной концентрации и

частоты соударений ионосферной плазмы соответственно.

Для анизотропной модели ионосферы резонансные частоты - парные;

I, (m,0 ,(rn,2b cm / ft л / , (w.p) ma/ pe%

соответствующие нормальным квазипоперечным магнитной () и электрической () модам волновода Земля-ионосфера; в изотропном случае имеет место вырождение пар.

Частоты поперечных резонансов достаточно чувствительны к состоянию нижней ионосферы. Следовательно, если обеспечить достаточно надежное выделение из прижимаемого сигнала относительного вклада полезного сигнала - переотражений

в полости Земля-ионосфера в данном частотном диапазоне, измеряя и анализируя определенные характеристики полезного сигнала, можно в рамках модельных представлений определять профиль проводимости Д-области ионосферы.

Излучение радиоволн производят с помощью горизонтального магнитного диполя. Выбор указанного типа излучателя обусловлен его техническими характеристиками, а именно диаграммой направленности в вертикальной плоскости. Точнее, поскольку длина волны не мала по сравнению с высотой полости Земля-ионосфера, в пространственном спектре горизонтального диполя в отличие от вертикального в достаточной мере представлены плоские, волны с поперечным волновым числом ReK|- О, которые и приводят к резонансному усилению отдельных компонент поля при f-

fpe3(m p).

Частоту излучения изменяют в диапазоне 1,5-8 кГц. Указанный диапазон изменения частоты определен из следующих соображений: для возможности сопоставления ре5 зультатов измерений на .резонансных частотах диапазон должен включать не менее двух первых пар частот поперечных ре- зонансов полости Земля-ионосфера. Значения первой пары резонансных частот

0 fpea р могут изменяться в пределах 1,5- 2,5 кГц, частоты резонансов высших порядков трез(т р) т трез(1 р), ,3... Верхняя граница диапазона изменения частоты может быть принята равной 8 кГц, посколь5 ку резонансы более высоких порядков (т I 5) выражены слабее и включение их в анализ повлечет снижение достоверности результатов.

Требование по обеспечению наибольшего относительного вклада полезного сигнала - переотражений в полости Земля- ионосфера может быть выполнено выбором оптимального места приема сигнала по отношению к излучателю. Расстояние р от излучателя должно удовлетворять следующим 5 неравенствам:

, Ј0c/ k0«p «4h/k

о )

где a - характерный размер излучающей антенны (а Я) м;

А- длина волны излучения в вакууме, м;

-1.

Ј0 -диэлектрическая постоянная, Ф м

I-

с - скорость распространения электро магнитных волн в вакууме, м с ;

dd - проводимость Земли, См

л/А - волновое число в вакууме;

h - характерная высота полости Земля - ионосфера, м.

Исходя из того, что в реальных условиях проведения измерений можно принять а (10-1(Г)мД 40-200км, (ЗсГЮ - Смм 1, h 60-90 км, получаем 5 р 15 км.

Направления оптимального приема от- носительно направления магнитного диполя, соответствующие минимуму амплитуды прямой волны для данного диапазона частот, а следовательно, и наибольшему вкладу

полезного сигнала, характеризуются углами

представлений определяют параметры профиля проводимости D-области ионосферы. В частности, отношение локальных максимумов функции /F(f) /суть

(«1,

(D/ fee

SuP(kl/FU1/ ier

CnH-e

- f MSfffil

-л)4теоЈ 0((Г;

Bn

Lpe

(4)

10

15

20

гдеОе (1,5 кГц, 8 кГц),

m, , .

Частоты fpea , соответствуют локальным минимумам функции /ImF(f)/ .Отличие последних от нуля обусловлено опущенными относительно малыми членами в (4). При f Fmpe3 их влияние в (4) минимально (менее 10% по модулю для I резонанса, менее 5% - для II резонанса, и т. д.), что оправдывает использование соотношения (4) для определения о . При этом

(р1

cm

(ml Ре%

2.{

ь

21Гт V

(m) Ре.

G,

(5)

Таким образом, в результате измерения компонент поля Н р и Ну резонансные частоты fpea , определяются из условия

/ImF(iЈh/ ini{/ImF(i) или

±ei

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для диагностирования условий распространения радиоволн в волноводе Земли-ионосфера, Цель изобретения - повышение разрешающей способности. Сущностью способа является излучение радиоволн диапазона очень низкой частоты и приема отраженного ионосферой сигнала, для которого выполняются резонансные условия в полости Земля- ионосфера. При этом по амплитуде и разности фаз двух ортогональных компонент магнитного поля, принятых на расстоянии 5-15 км от точки излучения, определяется в рамках модельных представлений эффективная высота и проводимость D-слоя ионосферы. 4 ил.

-±|-±ar°v4

(2)

2 При приеме измеряют две тангенциальные ориентированные вдоль ( Н р) и попе- рек (Н#) выбранного направления компоненты магнитного поля, представляющие собой суперпозицию прямой волны и переотражений в полости Земля-ионосфера. Затем анализируют комплексную функ- цию

(«.

н

(

-p + 4THtf

Н,

к р2+з;и0р-з

зД0р

,

(3)

где верхние знаки соответствуют направлениям, определяемым углами

(ffi- ±TJ -farctg , а нижние - углами

р ± -п +arctg 1Л/2 . При этом положения

локальных максимумов функции /F (f) / , либо локальных минимумов функции / ImF (f) / указывают значения резонансных час- тот fpes , полости Земля-ионосфера, а по значениям fpes 1 . и парным (по индексу т) отношениям локальных максимумов функции / F( fpea / в рамках модельных

5

5

0

5

/F(iЈh/-5up/FU)/

fee

находится из выражения (4), ЬЭф дается выражением (5).

Пусть, например, в результате измерений тангенциальных компонент поля Нр и Н р в указанном диапазоне частот и составления из них выражения (3) получен график нормированной функции / F (f) / , изображенный на фиг 2 Локальные максимумы функции / F Ш / имеют место при fpes

1,94 кГц, fpea 3,93 (3) 5,85 кГц. Соответствующие им значения функции / F (fpe3(3))/--Sup/F(f) равны

/ F /f рез(1) / 1,0 /F(fpe3(2))/ 0,83, /F(fpe3)(3),73.

Беря попарные отношения этих величин, из выражения (4) находим значрнмя пповоди- мостио), равные и,; 7,9 10 s/m,Oi2 7,Ох s/m,,1 .откуда среднее значение а, /3-7,0 s/m .Подставляя а и трез{гп)(,2,3) в выражение (5), получаем Ьэф1 75,2 км, Г1Эф2 -74,8 км, Ьэфэ 75,7 км, осредняя, находим 75.2 км.

Формула изооретения

Способ определения эффективной высоты и проводимости D-слоя ионосферы, за- клкачающийся в том, что излучают и принимают радиоволны километрового-мегаметрового диапазона, определяют эффективную высоту и проводимость D-слоя ионосферы, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, излучение радиоволн производят с помощью горизонтально ориентированного магнитного диполя в диапазоне частот от нижней части резонанса полости Земля- ионосфера до частоты, соответствующей верхней границе выраженных резонансов полости Земля-ионосфера, прием радиоволн осуществляют в ближней зоне поля магнитного диполя в одном из направлений, определяемых углами

- - ± я/2 ± arctg 1 /V5T

3

с

S.

2 3 Ч 5 в Частота излучения f (кГц)

Ф(12.1

/,0 -0,8 -0,6

-ДО -42

О

2 3 it 5 6 Частота излучения f (кГц)

Физ.2

0

относительно направления продольной оси диполя, измеряют амплитуды и разности фаз двух тангенциальных ориентированных вдоль и поперек указанного направления компонент магнитного поля, а определение эффективной высоты и проводимости D- слоя ионосферы осуществляют путем сопоставления измеренных амплитуды и разности фаз двух тангенциальных ориентированных вдоль и поперек указанного направления компонент магнитного поля с табличными данными,

кюО

Фиг. 3

Фиг. 4