Способ измерения критической частоты слоя ионосферной плазмы Советский патент 1981 года по МПК G01N22/00 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ СЛОЯ : 1 Предлагаемое изобретение относится к области дистанционной диагности ки неоднородной ионосферной плазмы и предназначено для измерения критической частоты ионосферного слоя. Известны способы вертикального, наклонного и вертикально-наклеенного зондирования ионосферы, по которым ионосферу зондируют радиосигналами и измеряют высотно-частотную или дис танционно-частотную характеристику 1. Известные способы не позволяют надежно определять критическую часто ту слоя ионосферной плазмы. Ближайшим техническим решением к предлагаемому яаляется способ изме рения критической частоты слоя ионосферной плазмь, включающий зондирова ние ионосферы радиоимпульсом на изменяющейся несущей частоте 21. По этому способу регистрируют вре мя группового запаздывания импульса IPP как функцию частоты зондирования {, Результаты измерения представляют в виде ионограммы (высотно-частотной характеристики ионосферы), выражаю 5 дай зОйВйШсТь Т ёЙсё35 5 отрзжёния импульса Хд - Ct-pp от- частоты frp. Далее .ш ионограмме2() ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ определяют параметры ионосферных слоев. Одним из основных параметров является критическая частота слоя р, знание которой необходимо для выбора оптимальной рабочей частоты радиосистем различного назначения (радиосвязь, радиолокация, радионавигация и др.) в диапазоне коротких волн, а также для уточнения прогноза условий радиосвязи. Величину цр ионосферного слоя в известном способе определяют по вертикальному участку ионограммы. Недостатками известного способа определения цр является относительно невысокая точность измерения, связанная со сложностью четкой регистрации вертикального участка ионограмкы на индикаторе. Погрешности регистрации определяются различными аппаратурными особенностями ионозондов (например, зависят от коэффициента усиления аппаратуры и яркости пятна на индикаторе), а также в значительной степени определяются опытом исследователя и его субъективным восприятием. Кроме невысокой точности йзмёрения йзйестному способу присущи погрешности, которые возникают при интерпретации результатов измерения. так как при расшифровке ионограммы делается ряд упрощающих предположений, как например, экстраполяция lioHorpSMWH при нечеткой видимости е вертикального участка. Все это затрудняет разработку обоснованных оценок определения параметров ионосферных рлоев с помощью ионограмм. Целью изобретения является повы,шенйе точности измерения критическо частоты путем исключения ошибок,свя занных с аппаратурншли особенностями ионозондов и с субъективны / восприятием наблюдателя, Указанная цель достигается тем, что регистрируют форму отраженного сигнала и фиксируют частоту зондиру щего сигнала, на которой происходит скачкообразное.искажение формы отра женного сигнала. Можно определять частоту, на которой Происходит резк в 3-7 раз уменьшение амплитуды отра женного сигнала, либо максимальное уДйМ-Гёние отраженного сигнала по сравнению с зондирующим. На фиг. 1 изображена форма отраженного сигнала, когда отношение не сущей частоты fj, к критической равно 0,99, на фиг. 2 - форйа, соот ветствующая условию 0 кр 5 на. фиг. Зр - форма соответствующая, условию | 1,005, на фиг. 4 - форма о раженного сигнала при 1, 001, на фиг. 5 - изменение амплитуды (A/Af/icSKca ) длительности (Т) отраже ного сигнала в зависимости от отнош Нйя разности ме)ду несущей и крити-ческой частотами к ширине спектра сигнала 6 . Для практической реализации пред лагаемого способа измерения может быть использован стандартный ионозонд и не требуется создания специальной аппаратуры. Искажения формы импульса в ионосферной плазме обусловлено тем, чт плазма является средой с частотной дисперсией, т.е. относительная диэлектрическая проницаемость плазмы, зависит от частоты: t - 80,9 где N - электронная концентрация, м, - рабочая частота, Гц. Вследствие зависимости Е от-f , раз личные . компоненты спектра сигнала распространяются по-р.азному и от рая аются от разных высот, что вызыв ет с:кй.жёния. фазового спектра. Вбли зи кр Управляются также искажения ам плйТудногоспектра сигнала. Указан™ .ные. искажения спектра приводят к ис кажёниям формы отраженного импульса Характе:р искажение формы импуль Ш ЖвйСйтотпй аметров сигнала (ширины его спектра),а также от вы сотного распредёлё ния электронной концентрации Н(п1 . Зав исимость N(1i) имеет немонотонный вид, и наибольшие искажения наблюдаются вблизи максимума слоя Р , т.е.. когда to {цр где$ ргУбо, N,fl значение элект-. ронной концентрации в максимуме слоя) Если несущая частота о ,p, то все спектральные составляющие сигнала отражаются от ионосферы,приблизительно одинаково, и сигнал, практически, не претерпевает дисперсионных искажений. На фиг. 1 для иллюстрации показана форма прямоугольного импульса длительности Т , отраженного от ионосферного слоя полутолщиной Vly , в зависимости от отношения Если несущая частота о приближается к р , то появляются сильные искажения фазового спектра и, кроме того, часть спектральных составляющих,для которых выполняется условиеf €« / проходит через ионосферный слой практически без отражения (от слоя отралсаются только компоненты спектра с (ср ) В результате из-за такой потери высокочастотных компонентов спектра -отраженный импульс.- при сильно расплывается,претерпевая при этом сложные дисперсионные искажения (см. фиг. 1, 2). И наконец, при некоторой частоте , превосходящей цр на величину порядка ширины спектра сигнала air , наблюдается резкое, скачкообразное разрушение отражённого импульса (см. фиг.З, 4), соответственно резко увеличивается длительность и уменьшается его амплитуда (см. фиг. 5). При дальЕ1ейшем увеличенш частоты зондирования fg происходит медленное уменьшение амплитуды. Для прямоугольного зондирующего импульса длительнос.тью Т 400 мкс расчетные зависимости aмплитyд л А и длительности Т отраженного импульса от частоты зондирования о вблизи приведены на фиг. 5. А1мплитуда отразкениого импульса резко изменяется, уменьшаясь в пять раз, вблизи ир при изменении частоты сигнала ,, на величину порядка ширины спектра сигнала uf . .Это уменьшение амплитуды А связано с эффектом разрушения формы импульса вблизи р, который качественно выше. Длительность., отраженного импульса (фиг. 5) соответственно увеличивается в три раЗа и достигает наибольшего значения при превышении Сцр на величинуй с Имлульс длительности Т 400 мкс, дли кЬторой проводились расчеты,имеет ширину спектра 1/Т 2,5 кГц. Поэтому погрешность измерения предлагаеьым спйсоб-ом равна uPs/p . 2,5 кГц. В известном способе, согласно руководству УРСИ. по .интерпретации и обработке ионограмм, погрешность определения . по ионограмме оценивается величиной порядка 0,1. МГц 100 кГц, т.е. в предлагаемом способе точность измерения в несколько десятков раз выше, чем в из вестном способе. Следует отметить, что предлагаемый способ можно Использовать для измерения критической (максимальной плазменной) частоты не только йоносфе-рного слоя, но и любого неоднород ного плазменного слоя. .В качестве примера реализации спо соба можно рассмотреть следующие про цедуры. С помощью стандартной ионосферной станции вертикального зондирования, на которой обычно получают ионограмму, проводят зондирование ,ионосферы радиосигналом заданной фор мы. Плавно изменяя несущую частоту зондирующего сигнала, от 2 МГц до 15 МГц и фиксируя момент резкого искажения (развала) отраженного от ионо.сферь импульса с резким уменьшением его амплитуды, по крайней мере в 3-7 раз, и/или увеличением длитель ности в раза, регистрируго± несущую частоту, которая соответствует критической частоте ионосферного слоя. Погрешность измерения критичес кой частоты приближенно равна-полосе спектра сигнала ( ) и, прак тически, не зависит от то.тацины ионосферного слоя. Для зондирующего импульса длительностью 400 мкс погрёшность измерения равнаа кр 2,5 кГц. Использование изобретения дает возможность более точного измерения критической частоты ионосферного сло с заранее заданной погрешностью.Данный способ позволяет исключить сшибки, связанные с аппаратурнвлми особен ностями ионозондов и с субъективным восприятием наблюдателя. Это повышает достоверность результатов измерёний, что имеет важное значение для изучения физических явлений в ионосфере и для повышения точности прогноэой условий радиосвязи. Кроме того, преимуществом способа является то, что дня его осуществления не требуется разработка специальной аппаратуры, а для измерения критической частоты может быть использованэ стандартная ионосферная станция. Формула изобретения 1.Способ измерения критической частоты слоя ионосферной плазмы, вклигчаюййй зондирование йЬнбсферь радиоимпульсом на изменяющейся несущей частоте, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения,- регистрируют форму отралсенного сигнала и фиксируют частоту зондируклдего сигнала, на которой происходит скачкообразное искажение формы отраженного сигнала. 2.Способ ПО.П.1, о т л и ч ающ и и с я - тем, что фиксируют частоту зондирующего импульса, на которой происходитскачкообразное в 3-7 раз уменьшение амплитуды отраженногб сигнала . 3.Способ по п. 1, отлича ющ и и с я тем, что фиксируют частоту зондирующего сигнала, на. которой отношение длительности отраженного к длительности зондирующего сигнала максимально. . Источники информацки, принятые во внимание при экспертизе 1.Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. М., Сов. радио, 1972, с. 21-25. 2.Галкин А.И. и др. Ионосферные измерения. М., Наука, 1961, с,15 .(прототип) .

% , ,v- j.

(t) Т ООмксея ,0МГц . .,jA/iy ( 200 mo фиг. 2 1200 ЛЙЙ5 2600 Mffcenjtlo i.OOOS fffp f o-fffp c 20SO Ci ffcgHjt (Риг. 5 ffffdffff/200J600 WOO фиг. c . 1,001 f-fifp 2J Pc ШС МКсек} t