Способ определения плотности атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы Советский патент 1992 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к геофизике, в частности к дистанционным способам измерения плотности атмосферы на высотах Е- слоя ионосферы (h 100-130 км), и может быть использовано для изучения вариаций плотности и уточнения моделей атмосферы в данном высотном интервале.

Известны способы определения высотного распределения плотности атмосферы с помощью метеорологических ракет.

Недостатком таких способов является невозможность проведения большого объема однотипных исследований вследствие как высокой стоимости ракетных пусков, так и необходимости привязки к местонахождению ракетных полигонов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ некогерентного рассеяния радиоволн для определения параметров ионосферной плазмы.

По этому способу излучают зондирующие радиоимпульсы на достаточно высокой частоте и измеряют интенсивность обратно- рассеянных флуктуациями электронной концентрации радиоимпульсов и их частотный спектр.

На высотах Е-слоя (h 100 мкм) на спектр рассеянных сигналов влияют соударения заряженных и нейтральных частиц в объеме рассеяния. По изменению спектра может быть определена частота соударений ионов с молекулами ™ , а по ней и плотность нейтральной атмосферы.

Исходя из соотношения

V,m Am Nm,

где Nm - концентрация нейтральных молекул;

Am - численный коэффициент, пропорциональный сечению соударений, Ат 0,9хЮ 15м3с 1,

определяют плотность р атмосферы, равную

VJ со ю

CJ

о

р Nm m ( Vim/ Дт ) т,

где т - средний молекулярный вес на данной высоте.

Использование высоких частот ( 50- 1500 МГц), существенно превышающих ги- рочастоты и плазменные частоты, упрощает расчеты высоты рассеивающего объема и делает наблюдения надежными независимо от состояния ионосферы.

Однако применение известного спосо- ба связано с рядом затруднений. Очень небольшая величина рассеянного сигнала на высоких частотах требует применения радиолокаторов с высоким потенциалом. Необходимость увеличения отношения сигнал/шум приводит к сужению полосы приемной установки, которая в то же время не должна ограничивать спектральное разрешение ионно-звуковой линии. Эти проти- воречивые требования приводят к значительному усложнению измерительного комплекса и методики измерений. В частности, для получения хорошей точности ( 5-10%) измерений в F-области ионосферы требуется накопление в течение 10 мин и усреднение по десяткам тысяч реализаций. На высотах Е-слоя ионосферы электронная концентрация (а следовательно, и мощность принимаемых радиоимпульсов) на порядок меньше, чем в F-области, при этом среднеквадратичные ошибки определения температуры здесь возрастают до 30-100%. Для уменьшения статистических погрешностей измерений (до 10%) на высотах Е-слоя ионосферы способом не- когерентного рассеяния необходимо более длительное (до получаса) время накопления. Поэтому за исключением отдельных задач этот способ не получил широкого применения для диагностики атмосферы на высотах 100-130 км. Сложной является и методика обработки данных наблюдений, включающая решение многопараметрической обратной задачи для выделения влияния каждого из ионосферных параметров на ре- зультат измерений.

Цель изобретения - ускорение и упрощение процесса реализации способа при заданной точности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе опредения плотности атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы, включающем излучение в ионосферу последовательности зондирующих импульсов, прием обратно- рассеянных неоднородностями ионосфер- ной плазмы радиоимпульсов и измерение их параметров с последующим вычислением плотности атмосферы, формируют периодическую структуру неоднородностей

ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент, на частоте выше критической для Е-слоя, но ниже критической для F-слоя ионосферы, зондирующие радиоимпульсы излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, измеряют временную зависимость амплитуд сигналов, обратнорассеянных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на исследуемой высоте h.

По уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в I раз находят время релаксации г (h) на этой высоте, а плотность атмосферы р(п) на исследуемой высоте вычисляют по формуле

p(h)IrW,

где к 2 nl А;

А -длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме;

А:-постоянная Больцмана;

Т - температура атмосферы на исследуемой высоте,

Дт 0,9-10 15м3с 1.

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа определения плотности атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы; на фиг.2 - временные диаграммы работы при осуществлении предлагаемого способа.

Устройство содержит задающий генератор 1, передатчик 2 с антенной 3, передатчик 4 с антенной 5, приемник 6 с антенной 7, регистратор 8 и синхронизатор 9.

Способ осуществляют следующим образом.

Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент на частоте выше критической частоты Е-слоя, но ниже критической для F- слоя ионосферы, формируя тем самым в ионосфере периодическую структуру искусственных неоднородностей ионосферной плазмы.

Для этого с помощью задающего генератора 1 (фиг.1) формируют непрерывный синусоидальный сигнал на частоте fo. С помощью управляемого синхронизатором 9 передатчика 2 с антенной 3 излучают в зенит возмущающее радиоизлучение. Поскольку частота fo возмущающего радиоизлучения меньше критической частоты F2 слоя ионосферы, направленное в зенит радиоизлучение отражается от

ионосферы. За счет интерференции падающего и отраженного радиоизлучения во всем высотном интервале от уровня Земли до высоты отражения формируется стоячая волна, возмущающая ионосферную плазму. Возмущающее воздействие стоячей волны проявляется в перераспределении плазмы в поле этой волны и формировании за счет этого в указанном высотном интервале периоди- ческой структуры горизонтальных искусственных неоднородностей ионосферной плазмы с периодом L 0,5А , где А- длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме.

После окончания воздействия на ионос- феру возмущающего радиоизлучения, т.е. после выключения передатчика 2, на той же частоте fo излучают в зенит последовательность радиоимпульсов с поляризацией, соответствующей поляризации возмущающего радиоизлучения. Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность импульсов для управления передатчиком 4. Излучают в зенит с помощью передатчика 4 с антенной 5 последо- вательность радиоимпульсов на частоте fo, сформированную с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора 9.

Принимают с помощью приемника 6 с антенной 7 радиоимпульсы, обратнорассе- янные периодической структурой искусственных неоднородностей ионосферной плазмы. Поскольку частота и поляризация зондирующих радиоимпульсов совпадают с соответствующими характеристиками воз- мущающего радиоизлучения, то каждый зондирующий радиоимпульс рассеивается во всем интервале высот от нижней границы ионосферы Г1Мин до высоты Г1Макс отражения F-слоем (фиг.2).

При приеме измеряют временную зависимость амплитуд сигналов, обратнорассе- янных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на исследуемой высоте h.

Для этого с помощью синхронизатора 9 формируют последовательность стробиру- ющих импульсов для управления регистратором 8. С помощью регистратора 8 измеряют в моменты поступления строби- рующего импульса амплитуду рассеянного сигнала, соответствующего исследуемой высоте. Задержка стробирующего радиоимпульса относительно момента излучения зондирующего радиоимпульса обусловли- вает исследуемую высоту |1(фиг.2)„Зондирование продолжается несколько секунд. При этом интенсивность искусственных неоднородностей ионосферной плазмы уменьшается вследствие диффузии, и в соответствии

с этим уменьшается амплитуда обратнорас- сеянного сигнала.

При этом время релаксации обратно- рассеянных радиоимпульсов после окончания возмущающего воздействия обусловлено расплыванием искусственных неоднородностей в Е-слое ионосферы вследствие амбиполярной диффузии mi

4k2fc(Te+Ti)

А-длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме, м;

л - постоянная Больцмана, к 1,38 х10 23Дж-град 1;

Vim - частота соударений ионов с молекулами, с .

На этих высотах плазма находится в тепловом равновесии, т.е. температура электронов Те близка к температуре ионов Т| и молекул Т OV Tj Т), а средний молекулярный вес ионов mi близок к среднему молекулярному весу молекул (mi лп).

По уменьшению амплитуды обратно- рассеянного сигнала в е раз находят время релаксации r(h) на исследуемой высоте.

Плотность атмосферы р (h) на этой высоте вычисляют по формуле

ц 8 k2 к Т ,, )(h)

где Т - температура атмосферы на исследуемой высоте

/ftm 0,9-10 15м3с 1.

Температуру Т берут из соответствующих моделей атмосферы или данных других измерений.

Формулаизобретения

Способ определения плотности атмосферы на высотах Е-слоя ионосферы, включающий излучение в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, прием обратно рассеянных нео- днородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов и измерение их параметров с последующим вычислением плотности атмосферы, отличающийся тем, что, с целью ускорения и упрощения процесса реализации способа при заданной точности, формируют периодическую структуру неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением с поляризацией, соответствующей одной из магнитоионных компонент, на частоте выше критической для Е-слоя, но ниже критической для F-слоя ионосферы, зондирующие радиоимпульсы излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте и с той же поляризацией, измеряют временную зависимость амплитуд сигналов обратно рассеян- ных сформированной периодической структурой неоднородностей ионосферной плазмы на исследуемой высоте h, по уменьшению амплитуд обратно рассеянного сигнала в е раз находят время релаксации r(h) на этой высоте, плотность атмосферы /э(п) на исследуемой высоте вычисляют по формулеNX J

h)) где k 2 л/ А,

Я, -длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме;

к- постоянная Больцмана;

Т - температура атмосферы на исследуемой высоте, Дт

- Тк -ч 1

0,9-10 15м3с 1

V5

/7

Изобретение относится к способам исследования атмосферы, в частности к измерению ее плотности на высотах Е-слоя ионосферы. Цель изобретения - ускорение и упрощение реализации способа при заданной точности. Способ заключается в излучении в ионосферу последовательности зондирующих радиоимпульсов, приеме обратно рассеянных неоднородностями ионосферной плазмы радиоимпульсов-и измерении их параметров с последующим вычислением плотности атмосферы. Цель достигается за счет определения плотности атмосферы по результатам измерения высотной зависимости времени релаксации горизонтальных искусственных неоднород- ностей ионосферной плазмы. 2 ил. SMЈ

а

те

&

минп11макс

Последо&ателЬностЬ стросГцрихнцих импулЬсоВ

Фиг.1