Способ определения высотного профиля электронной концентрации в ионосфере Советский патент 1991 года по МПК G01S13/95 

задержки отраженных импульсов от частоты заполнения, по которой определяют профиль электронной концентрации в Е- и F-слоях ионосферы до высоты Z0, соответствующей максимуму электронной концент- рации F-слоя ионосферы, дополнительно принимают две взаимно ортогональные горизонтальные компоненты вектора магнитного поля регулярного грозового электромагнитного шума в диапазоне час- тот ниже второго шумановского резонанса, осуществляют спектральный анализ этих компонент, усреднение спектральных реализаций и для компоненты, имеющей резонансную структуру спектра, определяют набор частот, соответствующих максимумам резонансной структуры усредненной реализации, затем вычисляют наборы собственных частот ионосферных альвеновских резонаторов, соответствующих набору про- филей электронной концентрации, составленных из измеренного профиля на высотах ниже высоты Z0 и набора заданных профилей на высотах выше высоты Z0, и по наилучшему совпадению одного из вычисленных и измеренного наборов частот определяют соответствующий последнему профиль электронной концентрации ионосферы на высотах выше высоты Zo.

Структура спектра определяется суще- ствованием ионосферного альвеновского резонатора, обусловленного наличием в моносфере двух областей (по высоте) нарушения геометрической оптики для вышеука- занного диапазона частот : в нижней ионосфере на высотах 60-150 км над Землей (рост электронной концентрации) и в верхней ионосфере на высотах 500-1000 км над Землей (спад электронной концентрации). При этом собственные частоты ионос- ферного альвеновского резонатора соответствуют частотам максимумов резонансной структуры спектра горизонтальной компоненты магнитного поля регулярного грозового электромагнитного шума на поверхности Земли Это позволяет по наилучшему совпадению одного из вычисленных и измеренного наборов частот определить соответствующий последнему профиль электронной концентрации на высотах выше высоты Z0, соответствующей максимуму электронной концентрации F-слоя ионосферы

Собственные частоты Fn ионосферного альвеновского резонатора (ИАР) для экспо- менциальной модели профиля электронной концентрации на высотах выше Z0 (Z0 - высота, соответствующая максимуму электронной концентрации) определяются выражением

Fn

elnHk)

,

K(zeH+2 I Kftdz

где n - номер собственной частоты ИАР;

пд - текущее значение альвеновского показателя преломления ионосферной плазмы на высотах ниже высоты Z0:

А

WMjN Нп

где С - скорость света;

Mi - масса ионов;

N - текущее значение электронной концентрации на высотах ниже высоты 7-0

Но - напряженность магнитного поля Земли;

nA(Z0)- значение альвеновского показателя преломления ионосферной плазмы на высоте Z0;

Zi - высота нижней границы ионосферы;

Z0 - высота, соответствующая максиму- му электронной концентрации;

L - характерный масштаб спада электронной концентрации на высотах выше Z0.

Для экспоненциальной модели профиля электронной концентрации расстояния A Fn между собственными частотами ИАР эквидистантны; .сС

,4Fh.

4nR(z0)U2i nftdZ

z;

Поскольку собственные частоты ИАР соответствуют измеренным частотам максимумов резонансной структуры спектра горизонтальной компоненты магнитного поля регулярного грозового электромагнитного шума на поверхности Земли, для экспоненциальной модели профиль электронной концентрации N(Z) на высотах выше высоты Z0 определяется выражением

NUhNUje 1, где N(Zo) - значение электоонной концентрации на высоте Zp:

-2дРJ nftd2

U4п,

(ZolAF

A F - расстояние между измеренными частотами максимумов резонансной структуры усредненной реализации.

Устройство работает следующим образом.

Излучают в зенит радиоимпульсы на частоте ниже критической для F-слоя ионосферы (1-10 МГц) при изменении частоты заполнения от импульса к импульсу с помощью ионосферной станции 8. Принимают отраженный от ионосферы сигнал с последующим измерением зависимости времени задержки отраженных импульсов от частоты заполнения с помощью ионосферной станции 8 и индикатора 9 По этой зависимости по известной методике определяют профиль электронной концентрации в Е- и F-слоях ионосферы до высоты Z0, соответствующей максимуму электронной концентрации F-слоя ионосферы. Дополнительно принимают две взаимно ортогональные горизонтальные компоненты вектора магнитного поля регулярного грозового электромагнитного шума в диапазоне частот ниже второго шумановского резонанса (0,1-10 Гц) с помощью датчиков 3 каналов 1 и 2. После усиления с помощью усилителей 4 осуществляют спектральный анализ этих компонентов с помощью спектроанализато- ров 5 и усреднение спектральных реализаций с помощью блока 6 усреднения. Регистрируют усредненные реализации с помощью регистратора 7 и для компоненты, имеющей резонансную структуру спектра, определяют набор частот, соответствующих максимумам резонансной структуры усредненной реализации.

Затем вычисляют наборы собственных частот ионосферных альвеновских резонаторов, соответствующих набору профилей электронной концентрации, составленных из измеренного профиля на высотах ниже высоты Z0 и набора заданных профилей на высотах выше высоты 2 .

При различной ориентации электрических осей датчиков, измеряющих магнитное поле относительно источников электромагнитного шума (грозовые центры), меняется глубина модуляции спектра. Глубина модуляции максимальна для компоненты шума, измеряемой датчиком, ориентированным на наиболее интенсивный грозовой центр. Целесообразно вращать ортогональные датчики магнитного поля в плоскости Земли вокруг оси Z и для измерений ориентировать датчики так, чтобы глубина модуляции резонансной структуры спектра была максимальной.

Формула изобретения

1. Способ определения высотного профиля электронной концентрации в ионосф е- ре, заключающийся в том, что излучают вертикально вверх радиоимпульсы на частоте ниже критической для F-слоя ионосферы, увеличивают частоту радиоимпульсов от импульса к импульсу до критической частоты F-слоя ионосферы, принимают отраженные ионосферой радиоимпульсы, измеряют временную задержку отраженных ионосферой радиоимпульсов относительно излученных, по величине временной задержки

определяют вертикальный профиль электронной концентрации N(Z) в Е- и F-слоях ионосферы до высоты Z0, соответствующей максимуму электронной концентрации

ионосферы, отличающийся тем, что, с целью увеличения высоты зондирования, одновременно дополнительно принимают две взаимно ортогональные горизонтальные компоненты вектора магнитного поля

0 регулярного грозового шума в диапазоне частот, расположенного ниже частоты второго шумановского резонанса, осуществляют спектральный анализ этих компонентов с последующим усреднением спектральных

5 реализаций и для компоненты, имеющей резонансную структуру спектра, определяют частоты, соответствующие максимумам резонансной структуры усредненной реализации, определение профиля электронной

0 концентрации на высотах выше Ze осуществляют по значениям частот максимумов ре- зонансной структуры усредненной реализации.

2. Способ по п. 1,отличающийся

5 тем, что для частот, соответствующих максимумам резонансной структуры усредненной реализации, в котором максимумы резонан- сов находятся на эквидистантном расстоянии, профиль электронной концентрации

0 N(Z) на высотах выше высоты Z0 определяют из выражения

H(Z)-N

где N(Zo) -значение электронной концентрации на высоте Z0;

L - характерный масштаб спада электронной концентрации на высотах выше Z0: 2о

L c-2uFf nAdz/4nA(z0HF

z,

где с - скорость света:

Л F - расстояние между измеренными частотами максимумов резонансной структуры усредненной реализации;

Zi - высота нижней границы ионосферы;

ПА - текущее значение альвеновского показателя преломления ионосферной плазмы на высотах ниже высоты Z0:

5

0

5

50

А

: J ИГ W M

Н,

где Mi - масса ионов;

N - текущее значение электронной кон- центрации на высотах ниже высоты Z0:

Но - напряженность магнитного поля Земли;

n(Z0) - значение альвеновского показателя преломления ионосферной плазмы на высоте Z0.

Изобретение относится к радиолокации и связи, может быть использовано для прогнозирования условий распространения радиоволн. Цель изобретения - увеличение высоты зондирования. При определении профиля электронной концентрации на высотах ниже высоты Z₀, соответствующей максимуму электронной концентрации F-слоя ионосферы, дополнительно принимают две взаимно ортогональные горизонтальные компоненты вектора магнитного поля регулярного грозового электромагнитного шума в диапазоне частот ниже второго шумановского резонанса. Затем осуществляют спектральный анализ этих компонент, усреднение спектральных реализаций и для компоненты, имеющей резонансную структуру, определяют набор частот, соответствующих максимумам резонансной структуры усредненной реализации. Вычисляют наборы собственных частот ионовсферных альвеновских резонаторов, соответствующих набору профилей электронной концентрации, составленных из измеренного профиля на высотах ниже высоты Z₀ и набора заданных профилей на высотах выше высоты Z₀. По наилучшему совпадению одного из вычисленных и измеренного наборов частот определяют соответствующий последнему профиль электронной концентрации ионосферы на высотах выше высоты Z₀. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.