Способ определения параметров нижней ионосферы и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиофизическим методам определения параметров ионосферы с использованием естественных сигналов, излучаемых молниевыми разрядами, и может быть использовано в радиотехнических системах для определения расстояния до источника электромагнитного излучения, прогноза погоды, обнаружения аномалий в D-слое ионосферы, связанных с метеоявлениями, получения информации о параметрах ионосферы вдоль трассы распространения атмосфери- ка.- /. . , -. ;.:

Целью изобретения является измерение концентрации электронов в ионосфере и частоты соударений с нейтральными частицами.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства для определения параметров нижней ионосферы; на фиг.2 - структурная электрическая схема детектора событий.

Устройство для определения параметров нижней ионосферы содержит первую вертикальную электрическую антенну 1, вторую и третью взаимно перпендикулярные магнитные антенны 2 и 3, блок 4 определения углов прихода, линию 5 задержки, сумматор 6, блок 7 измерения частоты, спектроанализатор 8, детектор 9 событий, вычислитель 10, регистратор 11; Детектор событий содержит фазовращатель 11, сумматор 2, вычитатель 13, первый и второй

00

(

детекторы 14 и 15, корректор 16, пороговый блок 17.

Сущность способа заключается в следующем... .

Принимают электромагнитное излучение грозовых разрядов, определяют угол прихода и расстояние до источника излучения путем измерения его электрической и двух взаимно ортогональных магнитных компонент, Ьыделяют,сигналы типа твик, имеющие правую поляризацию, проводят спектральный анализ выделенного сигнала, определяют его частотно-временную зависимость, а также вертикальный угол I падения.

Уравнение, описывающее распростра нения левополяризованной волны, имеет вид

; fsHovTr,-i--W.-yf

, т

е и)-частота.сигнала, рад/с;

с - скорость света в вакууме, 3- 105 км/с;

п - показатель преломления волны в ионосфере;

С .- Км Пг ау Эффективный показатель

преломления моды;.

Кг;- волновое число; ..

S - параметр гиротрогши нижней

ионосферы;

. Но - высота ионосферы, км.

Эффективный показатель преломления, в общем случае, является величиной комплексной и его можно представить как сумму.

,.. (2)

где N - фазовая задержка;

к -затуханиеэлектромагнитной волны

):

К,С КП, I

М- slrrl.

(3)

с КП , i

-- -slrvl.(4)

Частота соударений частица определяется тогда из соотношения

v |sln4l .(5)

где аж - критическая частота волновода с конечной проводимостью его верхней границы1.

о-яп).(6)

Концентрация электронов, в свою очередь, равна

Ne

ГГОХУн ГПе

(7)

4л: еГ Информацию о концентрации электронов по данным атмосфериков типа твик можно получить, имея данные о спектре сигнала. Для этого необходимо определить амплитуду двух частотных компонент, одна из которых распространяется с минимальным

Q затуханием, а вторая отстоит от нее на Аи) , причем . тогда амплитуда спектральных составляющих определяются

5.Etomrk e. - (8)

ЦМ+ДСР :

F IC

(&з№+дсо)ке

Взяв логарифм отношения амплитуд 0 Е(йъ) и Е(Угп ) спектральных компонент, получаем

(а п

5

фн

.п. Е() 1 Е(оот +Аш) 2 л

г 1

LNWr,

.1Л-Н1

N (Q)m +AtU)J 4

N -Njah,+A (w)i, где ft) (От + -к (й т

(9) частота максиму

к

с

30

35

40

45

50

55

ма в спектре твика).

Используя выражение (9), можно получить значение п, а затем с помощью (7) определить величину Ne, если известно рас- дтояние до источника и и критическая частота волновода й)« , значение которой определяется из дисперсного уравнения для твика.

(10}

1 Исходя из выражения (10) и анализируя

зависимость (т) принимаемого сигнала, всегда можно вычислить величины л и аж , что дает высоту нижнего слоя ионосферы

. (.11)

Устройство для определения параметров нижней ионосферы работает следующим образом.

Электромагнитные сигналы молниевых разрядов принимаются на наземной станции электрической 1 и магнитными 2 и 3 антеннами, поступают на блок 4 определения углов прихода волны и через линию 5 задержки - на первый вход блока 10 определения параметров среды. Сигналы с магнитных антенн 2 и 3 поступают также на детектор 9 событий и через сумматор 6- на входы блока 7 измерения частоты сигнала и спектроанализатора 8.

Если входной сигнал превышает заданный пороговый уровень и имеет левую поляризацию волны, то детектор 9 событий вырабатывает сигнал, разрешающий работу блокам 7,8,1.0. Информация о частотно-временной характеристике сигнала, а также его спектральном составе поступает с блоков 7 и 8 в блок 10 определения параметров среды.

Макет устройства для .осуществления способа определения параметров ионосферы реализован следующим образом.

Блок 4 определение углов прихода волны состоит из фазовращателей, корреляторов и ФНЧ.

В этом блоке определяются корреляционные коэффициенты

а 2.3;

уЗ 3.1;

.1;

5 2.1;

. А-3,1,

где 1,2,3 - сигналы с выходов соответствующих антенн 2 и 3 (сигнал с соответствующей антенны сдвинут на 90° с помощью фазовращателя).

Значения корреляционных коэффициентов через линию 5 задержки поступают на блок 10 определения параметров среды, где с помощью этих коэффициентов вычисляются углы прихода волны.

Детектор 9 событий реализован на основе фазовращателя 11, сумматора 12, в ы- ч лгзгепя 13, детекторов . 14 и 15, коррелятора 16 и порогового блока 17.

Формула изобретения

1. Способ определения параметров нижней ионосферы, заключающийся в том, что принимают электромагнитное излучение грозовых разрядов, регистрируют временную форму принятого сигнала,, определяют спектр принятого сигнала, после чего рассчитывают по нижней частоте принятого сигнала высоту нижней границы ионосферы, Отличающийся тем, что, с целью измерения концентрации электронов в ионосфере и .частоты соударения с нейтральными частицами, дополнительно после приема электромагнитного излучения, грозовых разрядов выделяют сигнал левой поляризации, измеряют комплексные амплитуды широтной меридиональной и вертикальной компонент принятого сигнала, по отношению комплексных амплитуд широтной и меридиональной компонент принятого сигнала определяют азимутальный угол прихода электромагнитного излучения грозовых разрядов по отношению комплексных амплитудвертикальной,

меридиональной и широтной компонент принятого сигнала, определяют мгновенный вертикальный угол I прихода электромагнитного излучения грозовых разрядов,

5 определяют зависимость мгновенной частоты принятого сигнала от времени, по этой зависимости определяют высоту нижней границы ионосферы и дальность до источника электромагнитного излучения грозового

0 разряда, по величине вертикального угла I прихода в максимуме огибающей принятого сигнала определяют частоту v соударений

частиц по формуле -/ о

5 V.sin41 -«УН ,

где со - гирочастота электронов, концентрацию Ne частиц на высоте, соответствующей нижней границе ионосферы, определяют по формуле

0

0

n ftjftvrne

Me ,

4яе где me-масса электрона;

е - заряд электрона;

5 п - показатель преломления, определяемый из соотношения

Е((Ит) UJ П

In

E(#m +Да)

2 л п е

1т . 1 .

N(cOm +Auj)J 4

))}

где . Ecom - амплитуда сигнала в максимуме

огибающей;

5E( +Aw) .-амплитуда сигнала на

частоте, смещенной относительно частоты принимаемого сигнала на частотный интервал До , меньший ширины спектра принятого сигнала;

0 N - параметр, характеризующий фазовую задержку на соответствующей частоте;

О) - частота сигнала; S - параметр гиротропии нижней ионос5 Феры.

2. Устройство для определения параметров нижней ионосферы, содержащее первую электрическую антенну, вторую и третью взаимно перпендикулярные магнитQ ные антенны, блок определения углов прихода, сумматор, вычислитель, регистратор, блок управления, формирователь импульсов, два умножителя, три блока памяти, блок дифференцирования и преобразователь

5 сигналов, отличающееся тем, что в него дополнительно введены линия задержки, блок измерения частоты сигнала, спект- роанализатор и детектор событий, причем . выходы второй и третьей магнитных антенн соединены соответственно с первыми и вторыми входами блока определения углов прихода сумматора и детектора событий, выход сумматора подключен к первым входам блока измерения частоты сигнала и спектроанализатора, к вторым входам которых подключен выход детектора событий, первый вход вычислителей соединен через линию задержки с блоком определения углов прихода, второй вход вычислителя соединен с выходом блока измерения частоты сигналов, третий вход вычислителя соединен с выходом спектроанализатора, четвертый вход вычислителя соединен с выходом детектора событий, а выход вычислителя подключен к входу регистратора.

ЕНхНу 1 23

3. Устройство по п,2, от л и ч а ю щ е е- с я тем, что детектор событий содержит фазовращатель, вход которого является первым входом детектора событий, а выход подключен к первым входам сумматора, и вычитатель, параллельно объединенные вторые входы которых образуют второй вход детектора событий, выходы сумматора и вычитателя через детекторы подключены к первому и.второму входам коррелятора, выход которого подключен к входу порогового блока, выход которого явяется выходом детектора событий.

Изобретение позволяет получить параметры нижней кромки ионосферы (концентрация частиц, частота соударений, высота D-области ионосферы), а также определять координаты источника излучения с помощью регистрации и обработки сигнала типа твик. Для получения данных параметров ионосферы производится регистрация двух магнитных и одной электрической компонент электромагнитных волн в диапазоне 1,6...2 кГц. Измерение спектра сигнала, изменение частоты сигнала от времени, а также угла падения фронта волны относительно вертикали и азимутального угла позволяют определить параметры ионосферы по трассе распространения радиоволн. Устройство содержит электрическую и две вза- имно перпендикулярные магнитные антенны, блок определения углов прихода, спектроанализатор, детектор событий, блок измерения частоты сигнала, вычислитель и регистратор. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Вх,2

Вых.