Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE \* MERGEFORMAT4
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКИ
На правах рукописи
УДК 537.86: 550.388.2: 621.396.6
Медведев Андрей Всеволодович
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ И АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ
РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
НА ИРКУТСКОМ РАДАРЕ НЕКОГЕРЕНТНОГО РАССЕЯНИЯ
01.04.03 – радиофизика
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук
Иркутск – 2014
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук
|
Официальные оппоненты: |
Куницын Вячеслав Евгеньевич, доктор физико-математических наук, профессор, Московский государственный университет, заведующий кафедрой физики атмосферы. Лукин Дмитрий Сергеевич, доктор физико-математических наук, профессор, Московский физико-технический институт, заведующий кафедрой физико-математических проблем волновых процессов. Иванов Дмитрий Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор, Поволжский государственный технический университет, заведующий кафедрой высшей математики. |
|
Ведущая организация: |
Федеральное государственное бюджетное учреждение Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург |
Защита диссертации состоится ___27 июня 2014 г. в 9_ часов на заседании диссертационного совета Д.003.034.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук (664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 126 а, а/я 291).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук
Автореферат разослан ______________ 2014 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат физико-математических наук Поляков В.И.
Актуальность темы исследования. В современных исследованиях верхняя атмосфера (ВА) Земли рассматривается как сложная открытая физическая система. Процессы в ВА крайне разнообразны по своей природе, они обусловлены поглощением и переработкой пространственно неоднородных потоков энергии, поступающих от различных источников, и протекают в виде сотен химических реакций, столкновительных явлений и электромагнитных взаимодействий.
Исследования верхней атмосферы важны для получения новых фундаментальных знаний о среде обитания и жизнедеятельности человека. Они необходимы и для решения важных практических задач, круг которых непрерывно нарастает в связи с процессом освоения приполярных территорий и околоземного космического пространства (ОКП). Неблагоприятные изменения космической погоды влияют на надежность работы космических аппаратов, различных систем связи, навигации, энергетических линий и пр. Важнейшей задачей является предсказание и смягчение эффектов воздействия космической погоды на техносферу. Сложность и многофакторность изучаемых явлений определяет высокий современный уровень требований к организации исследований верхней атмосферы и подразумевает комплексный подход к этой задаче.
Исследования верхней атмосферы базируются на данных широкого круга инструментов, осуществляющих экспериментальные наблюдения. Возрастающие требования к уровню экспериментальных исследований в области физики ВА постоянно стимулируют создания новых и совершенствования имеющихся инструментов, требуют развития новых методов диагностики и обработки данных.
В исследованиях ионосферы и термосферы наиболее информативным наземным средством их диагностики является метод некогерентного рассеяния (НР). Уже более пяти десятилетий радары некогерентного рассеяния (РНР) остаются наиболее совершенными наземными средствами диагностики верхней атмосферы, так как позволяют получать в диапазоне высот 90-1000 км, с высоким дистанционно-временным разрешением (до единиц километров и десятков секунд), пространственно-временные распределения сразу нескольких параметров ионосферной плазмы (электронную концентрацию, температуры электронов и ионов, скорость дрейфа и др.). Вклад метода некогерентного рассеяния в современную физику ВА трудно представить в коротком обзоре. Информация, полученная на РНР, послужила основой для разработки глобальных и региональных моделей верхней атмосферы и является источником их постоянного совершенствования. Радары НР играют важнейшую роль в исследованиях отклика системы термосфера/ионосфера на геомагнитные бури – одной из центральных проблем солнечно-земной физики. Их широкие диагностические возможности позволяют одновременно проводить диагностику возмущений в структуре, динамическом и тепловом режимах ионосферы и термосферы. Активно используются радары НР в исследованиях такого относительно редкого явления как среднеширотное когерентное эхо (радиоаврора) – сигнал, рассеянный в E слое на неоднородностях, вытянутых вдоль линий магнитного поля. Незаменимы данные РНР в исследованиях характеристик перемещающихся ионосферных неоднородностей, определении их высотной и горизонтальной структуры, физической природы и возможных источников. Определяющую роль играют РНР и в диагностике результатов экспериментов по искусственным воздействиям на ионосферу, проводимых на мощных нагревных установках, поэтому все современные зарубежные коротковолновые нагревные стенды расположены вблизи радаров НР. Применяются РНР также и для изучения эффектов модификации ионосферной плазмы в результате выброса веществ с космических аппаратов, работы двигателей ракет и космических аппаратов. Некоторые РНР привлекаются для исследований эффектов воздействия верхней атмосферы на динамику полета и состояние низкоорбитальных космических аппаратов (КА) и для наблюдений крупных фрагментов «космического мусора». В последнее время возможности метода НР существенно расширяются за счет развития интерференционных радарных технологий. Благодаря теоретическим успехам в развитии интерферометрических методов, современным аппаратным решениям, возросшим вычислительным мощностям стало возможным исследовать тонкую структуру ВА и ее быструю динамику. В 2015 году должен начать измерения крупнейший комплекс инструментов на базе пространственно разнесенных отдельных радаров НР Северной Европы EISCAT - 3D, реализующий идею интерферометрических измерений в большом географическом масштабе.
Значение новых знаний о ВА, получаемых с помощью радаров НР, со временем только растет, как растет и мировая сеть этих дорогостоящих инструментов. В настоящее время имеется лишь 11 обсерваторий, оснащенных такими радарами. На Рис.1 изображена карта, показывающая распределение действующих в настоящее время радаров НР по земному шару (мировая сеть радаров НР).
Радары НР строились в разное время, начиная с 60-х годов, и каждый из 11–ти существующих ныне радаров по-своему уникален. При их строительстве на каждом этапе использовались современные радиолокационные, системотехнические и компьютерные технологии. Существующие установки непрерывно совершенствуются и модернизируются, чтобы соответствовать требованию времени.
|
Рисунок 1 - Мировая сеть действующих радаров некогерентного рассеяния |
Основными направлениями развития РНР являются: повышение чувствительности и расширение динамического диапазона приемного тракта, совершенствование антенных систем, применение сложных зондирующих сигналов, использование новейших методик цифровой обработки сигналов, повышение быстродействия вычислительного оборудования. Постоянное развитие методов и аппаратных средств экспериментальных исследований верхней атмосферы Земли на радарах некогерентного рассеяния является одной из актуальных задач современной радиофизики.
Иркутский радар НР (ИРНР) уникален для России и занимает важное географическое положение в мировой сети радаров. Он расположен в регионе, имеющем ряд важных особенностей с точки зрения физики процессов в ВА. В восточно-азиатском долготном секторе имеет место наибольшее смещение географических координат относительно геомагнитных и формирование основных крупномасштабных структур ионосферы происходит на фоне самых низких по земному шару значений электронной концентрации. Регион характеризуется высоким уровнем сейсмической активности. Сложный характер рельефа местности с чередованием горных хребтов и равнин обуславливает повышенный уровень возмущенности верхней атмосферы за счет орографического эффекта. Кроме того, в непосредственной близости от ИРНР расположены важные инфраструктурные гражданские и оборонные объекты, на функционирование которых прямое воздействие оказывают неблагоприятные гелио-геофизические факторы.
Развитие диагностических возможностей ИРНР необходимо с точки зрения решения фундаментальных проблемы физики атмосферы и потребностей практической деятельности в регионе. Комплексное техническое и методологическое решение этой задачи вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.
Целью работы являлось расширение диагностических возможностей ИРНР путем:
- глубокой модернизации на основе применения современных цифровых технологий приемного, регистрирующего, обрабатывающего и управляющего оборудования ИРНР, позволяющей наиболее эффективно использовать конструктивные особенности радара для радиофизических исследований верхней атмосферы Земли и проведения специальных космических экспериментов;
- разработки с учетом особенностей ИРНР новых информативных методов радиофизической диагностики верхней атмосферы Земли, позволяющих расширить набор измеряемых параметров среды, улучшить точность измерения базовых параметров околоземной плазмы и радиолокационных характеристик космических аппаратов, повысить коэффициент использования уникального оборудования.
Основные задачи, которые были решены в рамках этой работы:
1. Определены направления глубокой модернизации основного оборудования ИРНР. Составлен проект и разработана структура нового аппаратно-программного комплекса ИРНР. Создан и внедрен цифровой, многоканальный, управляющий и приемно-регистрирующий комплекс, расширяющий диагностические возможности ИРНР по следующим направлениям:
- Расширенный до 70 ДБ линейный динамический диапазон сквозного приемного тракта ИРНР позволяет проводить без амплитудных искажений одновременные измерения мощных сигналов от космических аппаратов (КА) или когерентного эха (КЭ) на фоне слабых сигналов некогерентного рассеяния;
- Полная сквозная когерентность приемо-передающего и многоканальность приемного трактов позволяет полностью реализовать конструктивные особенности антенной системы ИРНР, осуществлять управление формой диаграммы направленности (ДН) радара и проводить интерферометрические измерения;
- Программно-управляемые цифровые устройства синтеза частот позволяют осуществлять быстрое сканирование ДН ИРНР по заданному алгоритму для изучения пространственно неоднородной структуры ионосферы, исследования фонового космического радиоизлучения или сопровождения космических объектов, проводить специальные эксперименты по исследованию воздействия мощного двухчастотного радиоизлучения на ионосферу;
- Быстродействующие цифровые устройства обработки сигналов в сочетании с цифровыми устройствами синтеза частот позволяют использовать сложные последовательности специальных зондирующих сигналов для повышения пространственного разрешения и расширения высотного диапазона ионосферных измерений, уточнения характеристик движения КА;
- Современные устройства регистрации позволяют сохранять на электронных носителях полный объем первичной информации зондирования для обеспечения гибкого выбора адекватных меняющимся задачам и природным условиям способов вторичной обработки;
- Распределенный вычислительный комплекс позволяет проводить обработку первичной информации зондирования в реальном масштабе времени, обеспечивает возможность автоматического изменения режимов зондирования в соответствии с меняющимися условиями.
2. С использованием новых диагностических возможностей ИРНР разработаны оригинальные методы радиофизической диагностики верхней атмосферы Земли, позволяющие улучшить точность измерения базовых параметров околоземной плазмы, расширить набор измеряемых параметров среды, повысить коэффициент использования уникального оборудования, в частности:
- Новый метод определения скорости дрейфа плазмы, учитывающий особенности ИРНР, позволяет в несколько раз повысить точность определения этой важной характеристики среды;
- Новый комплексный метод исследования пространственно-временной структуры и характеристик распространения перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) позволяет на основе совместного анализа данных ИРНР и других радиофизических средств ИСЗФ СО РАН изучать трехмерную картину волновых возмущений, измерять полный вектор скорости ПИВ;
- Новый метод автоматического выделения волновых возмущений на основе анализа высотных профилей вариаций электронной концентрации, полученных на различных установках радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН, позволяет проводить статистический анализ длинных непрерывных рядов данных, выявлять суточные, сезонные и долговременные закономерности проявления волновых возмущений в верхней атмосфере;
- Новый вид измерений – пассивные наблюдения в режиме непрерывного сканирования неба дает возможность использовать ИРНР как эффективный радиоастрономический инструмент, позволяющий исследовать динамику и степень пространственной неоднородности солнечного радиоизлучения в диапазоне длин волн около 2 метров, на основе регистрации мерцаний радиосигналов от дискретных космических источников определять параметры мелкомасштабных ионосферных неоднородностей.
Научная новизна.
Практическая ценность работы состоит в расширении диагностических возможностей уникальной установки - Иркутского радара некогерентного рассеяния для проведения фундаментальных научных исследований и выполнению договорных работ в интересах различных отечественных и международных организаций и ведомств. Результаты работы использованы при выполнении ряда крупных федеральных и ведомственных программ:
- Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
- Федеральная целевая программа «Создание и развитие системы мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации на 2008-2015 годы».
- Федеральная космическая программа на 2006-2015 годы.
На различных этапах результаты исследований использовались при выполнении работ по грантам РФФИ, в которых автор являлся руководителем:
- № 06-05-64577, «Исследование пространственно-временной структуры акустико-гравитационных волн на базе комплекса радиофизических инструментов ИСЗФ СО РАН»;
- № 11-05-00698, «Исследование динамических процессов в ионосфере в период низкой солнечной активности по данным радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН».
Достоверность полученных результатов определяется использованием современных методов и средств анализа и обработки сигналов; представительной статистикой экспериментальных данных; проверкой экспериментальных данных с помощью численного моделирования; качественным и количественным согласием с результатами теоретических и экспериментальных исследований, выполненных ранее другими авторами.
Личный вклад автора.
Решение задач, поставленных и выполненных в диссертации, получено автором лично или при его определяющем участии. Автором определены основные направления глубокой модернизации основного оборудования ИРНР, составлен проект и разработана структура нового аппаратно-программного комплекса ИРНР. Под руководством автора новый аппаратно-программный комплекс создан и внедрен на ИРНР. Автор лично участвовал в разработке представленных к защите методов, проведении экспериментов и анализе экспериментальных данных.
Апробация работы.
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:
XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (Харьков, 1990); Научно-техническая конференция "Направление развития систем и средств радиосвязи", (Воронеж, 1995); Первая международная научно-практическая конференция «Информационные технологии и радиосети-96», (Омск, 1996); XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн, (Санкт-Петербург, 1996); VII международная конференция "Радиолокация, навигация, связь", (Воронеж, 2001); VIII Joint International Symposium «Atmospheric and ocean optics. Atmospheric Physics», (Irkutsk, 2001); Международная конференция «Околоземная астрофизика XXI века», (Звенигород, 2001); XX всероссийская конференция по распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002).; IX Международной конференции "Радиолокация, навигация, связь", (Воронеж, 2003); Всероссийская конференция «Дистанционное зондирование поверхности Земли и атмосферы» (Иркутск, 2003); Байкальская международная научная школа по фундаментальной физике (Иркутск, 2004-2006); XXI Всероссийская научная конференция по распространению радиоволн, (Йошкар-Ола, 2005); 6-th US-Russian Space Surveillance Workshop (Санкт-Петербург, 2005); Международная научная конференция “Излучение и рассеяние волн”, (Таганрог, 2005); 36-th COSPAR Scientific Assembly, (Пекин, 2006); International Heliophysical Year Symposium, (Звенигород, 2007); XV Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», (Красноярск, 2008); XXII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн», (пос. Лоо Краснодарского края, 2008); 37-th COSPAR Scientific Assembly, (Монреаль, 2008 г); XVI Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», (Томск, 2009); PIERS-2009 in Moscow. Progress in Electromagnetics Research Symposium, (Москва, 2009); 14-th International EISCAT Workshop, (Tromsø, Norway 2009); Восьмая Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», (Москва, 2010); 15-th International EISCAT Workshop, (Qingdao, China, 2011); XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн», (Йошкар-Ола. 2011), Международная конференция «Iinternational living with a Star: ILWS-2013», (Иркутск, 2013), Международная конференция «EISCAT-2013», (Великобритания, Ланкастер, 2013).
Положения выносимые на защиту:
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав основного материала, заключения и списка цитируемой литературы с общим объемом в 225 страниц.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, дается краткий обзор современного состояния исследований верхней атмосферы, место и значение метода некогерентного рассеяния в этих исследованиях, формулируются цели работы, приводится ее краткая характеристика и содержание.
В первой главе рассмотрены возможности и особенности современных действующих радаров НР, входящих в мировую сеть. Проведен обзор методов модернизации этих уникальных установок, расширяющих их диагностический потенциал. На основе анализа мирового опыта развития метода НР определены основные перспективные направления совершенствования алгоритмов и аппаратных средств при модернизации Иркутского радара.
Этими направлениями являются:
Во второй главе на основе проведенного анализа сформулированы задачи модернизации ИРНР с учетом его индивидуальных конструктивных особенностей.
ИРНР создан на базе оборудования радиолокационной станции (РЛС) «Днепр» системы предупреждения о ракетном нападении. В 90-е годы XX века ИРНР стал редким примером успешной крупномасштабной конверсии сложного военного оборудования и превращения его в эффективное средство научных исследований. Уже на этапе конверсии была осуществлена замена всех регистрирующих, управляющих систем радара и его вычислительных средств. Оборудование, созданное на этапе конверсии и становления ИРНР, выполнило свою задачу. Были отработаны алгоритмы измерения параметров ионосферы, выполнены первые длительные измерения характеристик ионосферной плазмы в различных гелио-геофизических условиях, проведено сопоставление получаемых экспериментальных данных с данными других инструментов и моделями. При этом были установлены и основные недостатки оборудования ИРНР, ограничивающие его диагностические возможности. К таковым относились:
- Недостаточный диапазон линейности приемного тракта (~ 40 дБ);
- Недостаточное количество каналов приема (2);
- Отсутствие возможностей автоматического программного управления режимами излучения и приема;
- Излучение только гладких, немодулированных импульсов;
- Отсутствие фазовой когерентности сквозного канала прием – передача;
- Ограниченные возможности устройств обработки сигналов (производительность сигнального процессора ~30 Мфлопс);
- Ограниченные возможности устройств регистрации и сохранения данных, невозможность сохранения полной информации зондирования.
Развитие диагностических возможностей ИРНР на новом этапе стало целью коренной модернизации всего комплекса управляющих, приемных, регистрирующих устройств и средств обработки сигналов, с целью наиболее полного использования потенциала радара и особенностей конструкции его антенны.
Основными задачами модернизации стало обеспечение следующих возможностей радара:
В главе приведены необходимые структура и состав нового управляющего приемно-регистрирующего комплекса (УПРК), призванного реализовать эти задачи, в который вошли (см. Рис.2):
- многоканальное приемное устройство (ПИР);
- цифровая система синхронизации и формирования рабочих частот;
- система автоматического фазирования передатчиков;
- система регистрации формы излученного импульса;
- быстродействующее устройство регистрации сигналов и управления радаром;
- распределенная вычислительная система вторичной обработки данных зондирования в реальном масштабе времени.
|
Рисунок 2 - Структурная схема Иркутского радара НР. |
Система приема ИРНР имеет два идентичных и конструктивно независи мых приемных устройства для обслуживания северного и южного терминалов антенны (ПИР-1 и ПИР-2). Каждое приемное устройство, в свою очередь, должно иметь два физических тракта: ПИР-1 – тракты А1 и В1 для выходов полурупоров северного терминала антенны, ПИР-2 – А2 и В2 для выходов южного терминала. Каждый тракт включает в себя два частотных канала, один – узкополосный (А1У), другой широкополосный (А1Ш). Конструктивно приемник выполнен в виде двух модулей – выносного устройства приема (ВУП), осуществляющего перенос принятого сигнала на первую промежуточную частоту, и управляющего приемного модуля (УПМ). Блок ВУП находится непосредственно в помещении антенных коммутаторов.
УПМ состоит из блока основной селекции, который осуществляет перенос входного сигнала на вторую промежуточную частоту, и блока управления. Блок управления, в свою очередь, обеспечивает управление параметрами модулей приемника, сбором телеметрии и связь с ЭВМ. Данные о состоянии каналов приема и их параметров передаются в ЭВМ по последовательному интерфейсу.
Приемные устройства ИРНР имеют шумовую температуру ~150 К и широкий сквозной линейный динамический диапазон (70 дБ).
Система синхронизации и формирования рабочих частот в составе нового УПРК выполняет задачу синхронизации работы всех устройств ИРНР, управление синтезаторами прямого синтеза для формирования рабочих частот и осуществление привязки к внешнему тактовому сигналу, обеспечивая сквозную когерентность всего приемо-передающего тракта радара.
Система фазирования обеспечивает управление формой ДН радара при работе на излучение. Во всех экспериментах, проводимых на ИРНР, используются два передатчика, запитывающие два независимых полурупора антенны. Формирование ДН требуемой формы во всем диапазоне рабочих частот радара осуществляется при помощи автоматической системы управления программируемыми фазовращателями. Система осуществляет динамическую подстройку разности фаз между передатчиками во время каждого цикла излучения, в зависимости от излучаемой частоты.
Система регистрации полной формы излучаемых импульсов необходима, например, для решения задачи прецизионных измерений малых искажений радиолокационных сигналов при отражении от КО. В этой системе применяется отдельная ЭВМ, подключенная к локальной сети ИРНР, с установленной, высокоскоростной платой АЦП для оцифровки сигналов на несущей частоте. Входы двухканального АЦП подключены непосредственно к выходам передатчиков, через специальные делители. Данные системы записываются в файлы для последующей обработки. Система позволяет регистрировать точную форму излучаемого сигнала, контролировать стабильность фазы и мощности излучения.
Устройство регистрации сигналов обеспечивает сохранение полной информации зондирования. После предварительной обработки, полученные квадратурные компоненты сигнала сохраняются на дисковом массиве файлового сервера. При записи в дисковый массив, производится автоматическая сортировка данных. В разные файлы записываются чистые данные некогерентного рассеяния и радиолокационные развертки с когерентными сигналами и помехами. Подробно система регистрации сигналов во взаимодействии с другими элементами УПРК описана в главе 3.
В дальнейшем обработка информации зондирования производится раздельно и параллельно в распределенной вычислительной системе: данные широкополосных каналов проходят согласованную обработку для вычисления и построения профиля мощности, а из данных узкополосных каналов вычисляются спектры и корреляционные матрицы. В то же время, файлы с когерентными сигналами анализируются на наличие в них сигналов от известных КА и не каталогизированных обломков. Все данные, за исключением радиолокационных разверток с высоким уровнем помех, регулярно переписываются на DVD-диски для архивации и длительного хранения.
Разработанные структура и состав нового управляющего и приемно-регистрирующего комплекса ИРНР полностью соответствую поставленным задачам модернизации ИРНР [Потехин и др., 2008 ].
Третья глава посвящена описанию взаимодействия элементов нового УПРК в различных режимах работы ИРНР, системы регистрации и принципов управления радаром. Обсуждается выбор способа регистрации сигналов, частоты дискретизации в различных каналах, методы выделения низкочастотных квадратурных составляющих принятого сигнала. Приводится полная схема цифровой регистрации узкополосных и широкополосных каналов приемного тракта нового УПРК.
Дано описание основных режимов работы ИРНР, принципов согласованного автоматического управления изменениям структуры излучения и приема в каждом из них.
Основными режимами работы ИРНР являются:
- регулярные ионосферные наблюдения;
- наблюдения космических объектов (КО);
- режим радиоастрономических наблюдений;
- специальные режимы работы.
В регулярных ионосферных наблюдениях используется два передатчика с суммарной мощностью не менее 2.4 МВт и два вида сигналов — УП и ШП. С 2005 года в этих наблюдениях используется две частоты излучения, таким образом, чтобы сформировать две диаграммы направленности в двух направлениях, разница между этими направлениями составляет от 15 до 20 градусов. Это необходимо для изучения пространственных градиентов параметров плазмы в ВА. После приема двух видов сигналов (УП и ШП) с обоих полурупоров антенны производится вторичная обработка — сигналы УП-каналов используются для получения спектров и корреляционных функций рассеянного сигнала, а сигналы ШП-каналов после согласованной обработки служат основой для реконструкции профилей электронной концентрации. Последовательность излучения и приема в этом режиме изображена на Рис. 3.
Радиолокация КО осуществляется в автоматическом режиме в трех вариантах:
1. Во время режима НР;
2. По заранее подготовленным таблицам с частотами;
3. В режиме «захват-сопровождение».
В первом варианте, во время стандартных измерений в режиме НР производится анализ каждой развертки, в каждом канале на наличие сигналов, отраженных от КО, или помех по алгоритму, подробно описанному в [Лебедев и др. 2012а].
|
Рисунок 3 - Временная диаграмма формирования зондирующих импульсов и приема отраженного сигнала в одном цикле зондирования в режиме ионосферных наблюдений. |
Выделенные таким образом реализации записываются в отдельные от основных файлы данных — типа IST. В дальнейшем IST-файлы обрабатываются на других ЭВМ в локальной сети радара.
Во втором варианте, заранее подготавливается файл с данными для наблюдения КА, в этом файле содержатся такие параметры, как время входа КА в ДН ИРНР, время выхода из ДН, дальность в километрах, начальная и конечная частоты и количество частот. В таком режиме, при наступлении времени наблюдения КА программа управления отключает текущий режим НР, создает новый файл данных типа SPU, составляет равномерную сетку частот, устанавливает заданную задержку и начинает циклически сканировать в соответствии с этой сеткой направлений. После завершения времени наблюдения программа снова возвращается в режим НР.
Режим «захват-сопровождение» используется для поиска КО по всему сектору обзора ИРНР. При обнаружении КО, радар переводится в режим сопровождения этого КО «вилкой» из пяти частот, сопровождение производится вплоть до выхода этого КО из сектора наблюдения.
Режим радиоастрономических наблюдений введен на ИРНР с мая 2011 г. Наблюдения осуществляются круглосуточно в перерывах между активными экспериментами. Режим заключается в обычной процедуре регистрации сигналов без посылки зондирующего импульса. Он используется для наблюдения космического радиошума и его вариаций, отражающих поведение ионосферной плазмы. Также в этом режиме проводится регистрация активности Солнца в радиодиапазоне. Частота, на которой ведётся регистрация сигналов, изменяется в каждом такте приёма. В пассивном режиме диапазон рабочих частот радара расширен до 149—163 МГц, это увеличивает сектор обзора на ~15°. Весь диапазон разбит на 88 частот, отстоящих друг от друга на 164 кГц (0.5°). Однократное сканирование сектора обзора осуществляется за время 88×(1/24) = 3.67 секунд. УПРК ИРНР осуществляет смену частоты приёма таким образом, чтобы организовать непрерывное циклическое сканирование сектора обзора [Васильев и др. 2012].
Специальные режимы работы предназначены для проведения на ИРНР широкого класса радиофизических экспериментов. Новый УПРК ИРНР обеспечивает для этого необходимую гибкость программного управления режимами излучения и приема. В частности, особые режимы работы применяются для локации дальних космических объектов (Луна и Солнце), в которых могут использоваться длинные кодовые последовательности (от 1 секунды до нескольких минут) [Лебедев и Медведев, 2002]. При проведении серии активных космических экспериментов с использованием транспортного грузового космического корабля «Прогресс» применяется сложный режим работы с излучением составной последовательности из гладких импульсов, фазоманипулированных импульсов и импульсов с непрерывной линейной частотной модуляцией [Хахинов и др., 2011]. Эти последовательности могут излучаться на переменной сетке частот, зависящей от конкретной геометрии эксперимента.
Сравнение технических характеристик нового УПРК и предыдущего приемно-регистрирующего комплекса ИРНР приведено в Таблице 1.
В главе также показываются принципы организации системы хранения данных для разных видов наблюдений, описывается структура сохраняемых данных.
Таблица 1. Сравнение основных параметров УПРК.
|
Технические характеристики |
Предыдущий комплекс |
Новый УПРК |
|
Число регистрирующих каналов |
2 |
4 (с возможностью расширения до 8) |
|
Динамический диапазон, дБ |
~40 |
~70 |
|
Разрядность АЦП, бит |
8 |
16 |
|
Автоматическое управление ДН |
нет |
есть |
|
Регистрация сигналов из раздельных полурупоров |
нет |
есть |
|
Излучение и прием сигналов сложной формы |
нет |
есть |
|
Автоматическое фазирование передатчиков |
нет |
есть |
|
Регистрация полной формы принятого сигнала |
кратковременно |
постоянно |
|
Регистрируемая дальность вдоль луча, км |
1200 |
до 1200 в стандартном режиме НР, до 4500 в специальных режимах |
|
Полоса пропускания приемного тракта, кГц |
5, 15, 40 |
25, 50, 100, 300 |
В целом, функциональные параметры нового УПРК соответствуют поставленной задаче модернизации ИРНР. Его технические возможности позволяют реализовать необходимые режимы работы и обеспечивают сохранение полного объема данных зондирования.
В четвертой главе изложено описание новых радиофизических методов диагностики ВА и контроля ОКП, разработанных на основе расширенных возможностей нового УПРК ИРНР. Показано, что возможности нового УПРК по электронному сканированию, формированию и приему сложных сигналов позволяют повысить точность и информативность ИРНР при диагностике параметров ионосферной плазмы (электронной концентрации, ионных и электронных температур). В частности, использование сложных зондирующих сигналов позволило повысить устойчивость определения высотного профиля электронной концентрации. Критическим элементом, определяющим устойчивость метода восстановления профиля электронной концентрации по данным зондирования, является процедура обращения свертки профиля мощности сигнала НР с зондирующим сигналом. Процедура некорректна, и устойчивость ее в условиях высокого шума не всегда достаточна. Применительно к ИРНР этой процедуры можно избежать, если обеспечить высотное разрешение не хуже 5 км. Такое разрешение обеспечивается при использовании немодулированного импульса длительностью около 33 мкс, но этой длительности недостаточно с энергетической точки зрения. Традиционные для радиолокации методы разрешения этого противоречия путем использования широкополосных сигналов имеют в методе НР существенные ограничения, главным из которых является конечное время корреляции исследуемого объекта – ионосферной плазмы. Время корреляции можно оценить из ширины спектра сигнала НР как , и оно существенно меняется в зависимости от сезона, высоты и времени суток. Это обстоятельство определяет невозможность выбора одной оптимальной кодовой последовательности, а, следовательно, и аппаратной реализации способа согласованной обработки. Проблема была решена с внедрением на Иркутском радаре нового УПРК, способного формировать сигналы с заданным видом модуляции, регистрировать полную форму принятого сигнала, проводить «отложенную» согласованную обработку сигналов с использованием цифровых аппаратных и программных средств. Математическое моделирование реакции ионосферы с реалистичными параметрами на кодированные сигналы различной формы позволило определить основные типы сигналов, обеспечивающих наилучшую точность восстановления профиля концентрации в различных геофизических условиях, разработать методы автоматического выбора типа зондирующего сигнала и способа его обработки. Итогом этой работы стала автоматизированная процедура определения высотного профиля концентрации электронов в реальном времени, устойчиво работающая в диапазоне значений NmF2 от 2*105 эл/см3 до 2*106 эл/см3 [Alsatkin et al. 2009].
Пример результатов работы процедуры за период с 12 по 15 января 2013 года приведен на Рис.4.
|
Рисунок 4а - Высотные профили мощности сигналов НР, измеренные с использованием 11-ти элементной кодовой последовательности с общей длительностью 150 мкс. |
|
Рисунок 4б - Высотные профили электронной концентрации, полученные в результате работы автоматизированной процедуры. |
|
Рисунок 4 в - Временная динамика концентрации электронов на высотах 250 км (черная линия) и 325 км (серая линия), полученная в результате работы автоматизированной процедуры. |
На верхней панели рисунка приведены профили мощности сигналов НР, измеренные с использованием 11-ти элементной кодовой последовательности с общей длительностью 150 мкс после согласованной обработки. Следует отметить отчетливое разделение максимумов и минимумов, не требующее дополнительной процедуры обращения свертки с зондирующим сигналом. На средней панели Рис. 4 приведены соответствующие этим измерениям профили электронной концентрации, полученные в результате работы автоматизированной процедуры.
Временная динамика концентрации электронов на высотах 250 км (черная линия) и 325 км (серая линия), примерно соответствующих высотам дневного и ночного максимумов ионизации, показана на нижней панели.
Предложен новый метод определения скорости плазмы, учитывающий особенности ИРНР. Метод основан на углубленном анализе корреляционных свойств сигналов НР. Обозначим как симметричный спектр с доплеровским сдвигом , тогда его преобразование Фурье будет иметь вид , где - аргумент автокорреляционной функции (АКФ), а - доплеровский сдвиг частоты. Тогда фаза АКФ - линейная функция с углом наклона, определяемым скоростью движения плазмы. Отметим, что в этом случае в выражение для скорости дрейфа не входит собственно форма АКФи, следовательно, лучевая скорость движения плазмы может быть определена независимо от других параметров плазмы. Это свойство АКФ с успехом используется на среднеширотных радарах НР, где других источников асимметрии спектра, кроме доплеровского сдвига, быть не должно. На ИРНР такой метод определения скорости дает недопустимо высокую дисперсию. На Рис. 5 приведены характерные экспериментальные АКФ, полученные на Иркутском радаре НР.
|
Рисунок 5 - Экспериментальные АКФ сигналов НР, модуль (слева) и фаза (справа) для высоты 250 км (сплошная линия) и 500 км (пунктир). |
Можно отметить, что в основном фазовая характеристика АКФ имеет линейный характер. Однако, источником серьезных искажений при определении ее угла наклона на ИРНР являются характерные пики в областях близких к нулям модуля АКФ. Анализ экспериментальных данных показал, что эти пики присутствуют в АКФ постоянно, их амплитуда и знак носят квазирегулярный характер, меняющийся с высотой и временем суток. Природа пиков связана с несдвиговой асимметрией спектра. Действительно, обозначим асимметричный спектр как , где - коэффициент несдвиговой асимметрии (перекос) спектра. Тогда, согласно свойствам преобразования Фурье, получим и выражение для фазы АКФ может быть записано следующими образом .
В выражении для фазы появляется явный вид функции и ее производной. Это вновь увязывает дрейф со всеми остальными параметрами плазмы и означает включение процедуры определения скорости в общий процесс многопараметрической подгонки. Суть предложенного в работе метода заключается в том, чтобы на этапе определения скорости дрейфа плазмы заменить функции и, соответственно, некоторым их приближением, обеспечивающим аналитическое решение этой задачи, например двумя функциями Гаусса [Потехин и др., 2008В]:
,
где - дисперсия нормального Гауссова процесса, - симметричные резонансные частоты спектра, - общий доплеровский сдвиг спектра, , - максимальные значения энергетического спектра сигнала на резонансных частотах. В работе показано, что в таком случае выражение для фазы АКФ может быть получено в виде:
,
где - малый параметр, характеризующий асимметрию спектра.
В приближении малых значений коэффициента асимметрии и доплеровского смещения частоты спектра величины и могут быть успешно разделены аналитически, например, методом наименьших квадратов. Процедура действий в рамках этого метода заключается в минимизации функционала вида:
,
где - отсчеты экспериментальной фазы АКФ сигнала НР. Решением этой задачи являются выражения для искомых величин:
Разработанный метод определения скорости дрейфа ионосферной плазмы, учитывающий особенности работы ИРНР, реализован в виде одного из основных элементов программного комплекса обработки данных зондирования ионосферы в реальном масштабе времени. Путем моделирования определены границы применимости метода по диапазону предельных величин измеряемых параметров (- до 200 м/с; - до 10 %) [Shcherbakov et al., 2009], проведена калибровка его по известным космическим аппаратам. Новый метод позволяет понизить дисперсию определения скорости дрейфа ионосферной плазмы в несколько раз [Медведев и др., 2011].
Интерферометрические наблюдения. Основным условием для таких наблюдений является возможность установки изучать объект с разных углов зрения, то есть - принимать рассеянный исследуемой областью сигнал на антенны, имеющие некоторое пространственное разнесение. В результате проведенной модернизации на ИРНР появилась возможность регистрировать сигналы от двух раздельных полурупоров антенны, соблюдая при этом полную когерентность приемо-передающего тракта.
Теоретическое обоснование использования интерференционного метода на ИРНР проведено в работе [Лебедев и др., 2012б]. Вдоль направления сканирования (по углу при =) сечение ДН приведено одинаково для двух полурупоров в режиме приема и излучения. В угломестной плоскости (по углу при =) два полурупора имеют существенно разные ДН, и именно эта особенность позволяет реализовать интерферометрические измерения на ИРНР. Суммарная ДН антенны на излучение и прием определяется разностью фаз сигналов в двух полурупорах. Из Рис. 6а видно, что при изменении разности фаз в пределах (-90°; 90°) максимум ДН смещается от центрального направления в пределах (-5°; 5°), причем ДН остается однолепестковой. Дальнейшее увеличение разности фаз приводит к росту бокового лепестка ДН, и при разности фаз 180° формируется симметричная двухлепестковая ДН. Связь разности фаз между сигналами от верхнего и нижнего полурупоров с антенным углом места определяется фазово-угломестной характеристикой ИРНР .Фазово-угломестная характеристика антенны измерялась экспериментально специально разработанным методом [Medvedev et al., 2001; Лебедев и др., 2006], путем наблюдения мощного космического источника радиоизлучения «Лебедь-А» в пассивном режиме циклического сканирования. Полученная фазовая характеристика изображена на Рис. 6б. Крутизна фазовой характеристики антенны ИРНР составляет около 17 электрических градусов на один градус угла места.
|
Рисунок 6а - Форма ДН антенны ИРНР в зависимости от разницы фаз между полурупорами. |
Рисунок 6б - Фазовая характеристика антенны РНР. |
Объектом анализа является нормализованная комплексная кросс-корреляционная функция или, как ее еще называют, комплексная функция когерентности, определяемая следующим образом:
, (1)
где Uu,d - комплексные амплитуды сигналов в верхнем (восточном) и нижнем (западном) полурупорах соответственно. Если задать флуктуации плотности рассеивателя в гауссовом виде как
с центром и шириной в направлении , то выражение для функции когерентности можно представить в виде:
.
Таким образом в эксперименте, для каждой задержки (дальности) могут быть определены модуль коэффициента корреляции и его фаза , а также могут быть получены угол места центра цели и характерный размер рассеивателя вдоль угломестного направления в антенной системе координат ИРНР:
,
.
Показано, что ИРНР может рассматриваться как интерферометр с базой 5 метров и эффективной полушириной гауссовой ДН передатчика и приемников 4.56 градусов.
Методы наблюдения космических объектов на Иркутском радаре НР. В период с 2006 по 2012 годы среднее время работы радара в режиме ионосферных наблюдений составило около полутора тысяч часов в год. Высокая плотность космических аппаратов и фрагментов космического мусора приводит к тому, что каждый час через ДН антенны ИРНР проходит несколько десятков КО. С одной стороны, поток КО достаточно велик и является существенным фактором дополнительных помех и искажений при анализе параметров космической плазмы. С другой, стороны информация о параметрах наблюдаемых КО представляет самостоятельный интерес во многих фундаментальных и прикладных задачах. В результате проведенной модернизации, на ИРНР появилась возможность реализовать специальный программный модуль, в рутинном порядке и в реальном масштабе времени осуществляющий селекцию данных зондирования с отбором реализаций, в которых присутствует сигнал от КО, и сохранением их в отдельном файле. Пример результата работы модуля приведен на Рис. 7.
|
Рисунок 7а - Суточный ход профиля мощности сигнала НР без селекции КО |
Рисунок 7б - Суточный ход профиля мощности сигнала НР после процедуры селекции КО |
За месяц ионосферных измерений в автоматическом режиме на ИРНР регистрируются десятки тысяч пролетов КО. Данные с сигналами от них обрабатываются с получением следующих характеристик: дальности, лучевой скорости, азимута, угла места и отношения сигнал-шум. Полученные данные координатной и некоординатной информации о наблюдаемых КО заносятся в соответствующую базу данных (БД).
Обработка радиолокационных данных от КО проводится по оригинальной методике, позволяющей в полном объеме использовать особенности и достоинства антенной системы ИРНР и существенно повышающей точность определения параметров движения КО. При достаточно высоком соотношении сигнал-шум (S/N > 10), применение методики на ИРНР обеспечивает скреднеквадратичные отклонения измеряемых параметров не хуже чем: для - 100 м, для - 10 м/с, для - 5 уг.мин., для - 5 уг.мин [Лебедев и др., 2012а].
Статистика наблюдаемых пролетов КО во время ионосферных измерений ИРНР достаточно представительна. Общая гистограмма распределения зарегистрированных пролетов КО по высоте представлена на Рис. 8. Данные ИРНР могут быть интересны для понимания эволюции космического мусора на низкой околоземной орбите.
|
Рисунок 8 - Распределение по высоте пролетов КО на ИРНР за 2007 – 2010г. Общее число зарегистрированных пролетов более 350000. |
Точность определения параметров движения КО важна, в частности, при сопоставлении данных ИРНР с известными каталогами космических объектов. Идентификация известных КА или фрагментов космического мусора позволяет выделить из данных ИРНР сигналы, принадлежащие незарегистрированным до сих пор КО, определить параметры их движения для дальнейшего уточнения их орбит и каталогизации.
Новый вид измерений на ИРНР – радиоастрономические наблюдения. Высокие затраты при эксплуатации радаров НР приводят к тому, что обычно они работают только несколько дней в месяц. Основной вклад в стоимость эксперимента вносит использование мощных передающих устройств, потребляющих многие сотни киловатт электроэнергии. Загруженность ИРНР на проведение регулярных ионосферных исследований и специальных экспериментов - около ста дней в году, в остальное время существует возможность использовать его приемное оборудование и антенную систему в пассивном режиме и организовать при помощи ИРНР наблюдения фонового космического радиоизлучения и радиоизлучения Солнца [Vasilyev et al., 2013]. В новом режиме программа управления ИРНР осуществляет смену частоты приёма таким образом, чтобы организовать непрерывное циклическое сканирование сектора обзора, как это описано в главе 3. Регистрируются мощности сигналов раздельно в каждом полурупоре антенны и вычисляется комплексный коэффициент корреляции в соответствии с выражением (1) (см. Рис. 9)
|
Рисунок 9 - Динамика комплексного коэффициента корреляции космического шума в течение суток: a) – модуль, б) – фаза коэффициента корреляции. |
Прохождение дискретных радиоисточников через ДН антенны ИРНР регистрируется в виде квазипараболических непрерывных гладких треков. В поведении фазы коэффициента корреляции (Рис. 9б) отчетливо проявляется в виде наклонной линии c ~16 до 19 UT прохождение через ДН ИРНР источника со значительными угловыми размерами – галактического диска.
Полученные данные используются в двух основных направлениях – исследовании мерцания дискретных точечных радиоисточников и в изучении вариаций солнечного радиоизлучения в диапазоне длин волн от 1.85 до 2 метров.
Явление мерцания дискретных космических радиоисточников на плазменных неоднородностях широко используется для диагностики верхней атмосферы. Треки дискретных радиоисточников, наблюдаемых на ИРНР, хорошо аппроксимируется аналитической кривой, что позволяет провести селекцию сигнала радиоисточника походящего через сектор обзора ИРНР на фоне распределённого космического радиошума [Васильев и др., 2013].
Выделенная таким образом мощность сигнала от дискретного радиоисточника выглядит как квазипериодическая кривая (Рис.10а), отражающая прохождение радиоисточника через различные лучи диаграммы направленности. Таким же образом может быть построена и величина наименее подверженная влиянию диаграммы направленности это коэффициент вариации (Рис.10б), который определяется как:
,
где Pu,d - мощности сигналов в верхнем и нижнем полурупорах, соответственно.
|
а) |
б) |
|
Рисунок 10 - Поведение наблюдаемой мощности радиоисточника (а) и коэффициента вариации (б) в течение двух различных дней. Чёрная линия спокойный день, серая – день с усиленными мерцаниями радиоисточника. |
Другим интересным радиоисточником доступным для наблюдений на ИРНР с мая по сентябрь является Солнце. Большая апертура антенны ИРНР (~3000 м2) и линейный динамический диапазон регистрирующей аппаратуры (70 дБ) позволяют проводить наблюдения потока солнечного радиоизлучения с высокой чувствительностью, а также обеспечивают абсолютную калибровку потока по известным постоянным космическим радиоисточникам.
Одним из солнечных явлений, которые возможно наблюдать на ИРНР, являются радиовсплески II типа, которые генерируются корональными выбросами массы. На Рис. 11 приведено сравнение данных полученных на ИРНР и в обсерватории Culgoora (Австралия) во время солнечной вспышки 7 июня 2011 г, сопровождавшейся мощным корональным выбросом массы типа гало. Наблюдается хорошее согласие полученных данных, за исключением поздней стадии вспышки. Это различие может возникать как следствие того, что в описываемых инструментах регистрируются радиоволны различной поляризации.
|
Рисунок 11. Сравнение динамики солнечной вспышки 06.07.2011 по данным ИРНР (серая кривая) и Culgoora (чёрная кривая). |
Еще одним солнечным явлением, доступным для исследования, являются шумовые радиобури I-го типа, которые наблюдаются в диапазоне 50 - 300 МГц в виде повышенного фонового радиоизлучения продолжительностью от нескольких часов до нескольких недель. Их связывают с плазменными волнами, которые возбуждаются потоками быстрых электронов, ускоренных ударными волнами в магнитном поле. Шумовые бури часто возникают без солнечных вспышек, а в тех случаях, когда они порождаются вспышками, длительность бури превосходит время жизни этих вспышек. В период с мая по сентябрь 2011 года на ИРНР было выявлено квазипериодическое увеличение потока солнечного радиоизлучения в диапазоне ~150 МГц (Рис.12).
|
Рисунок 12 - Квазипериодические вариации потока солнечного радиоизлучения в диапазоне ~150 МГц. Время наблюдения май-сентябрь 2011. |
Сравнение полученных данных с данными радиогелиографа Nancay, работающем на частоте 150.9 МГц показывает, что полученный результат не является артефактом, а отражает, скорее всего, присутствие шумовой бури I-го типа.
Проведённое сравнение информации о Солнце и ионосфере Земли, получаемой на ИРНР с такими же характеристиками, получаемыми на существующих научно-исследовательских установках, говорит о том, что режим радиоастрономических наблюдений на Иркутском радаре НР может быть использован в качестве средства, способного предоставить дополнительную полезную информацию о процессах, происходящих в земной ионосфере и на Солнце.
Пятая глава посвящена исследованиям распространения ВГВ в верхней атмосфере на основе данных, полученных на ИРНР с использованием возможностей нового УПРК, и данных вспомогательных инструментов радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН.
С сентября 2005 г. регулярные ионосферные измерения на ИРНР проводятся в двулучевом режиме. Этот режим заключается в излучении последовательностей зондирующих сигналов попеременно, через такт, на двух частотах, соответствующих двум направлениям с разницей от 15 до 20 градусов. Учитывая, что время накопления сигналов НР в каждом из направлений обычно составляет от 1 до 10 минут, этот режим открывает практическую возможность получения двух независимых и одновременных профилей параметров ионосферной плазмы в каждом направлении. Новые функциональные возможности ИРНР позволяют измерять пространственные градиенты параметров ионосферы, и они могут быть использованы, в частности, для разработки радиофизических методов реконструкции трехмерной структуры перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) и исследования условий распространения в ВА внутренних гравитационных волн. В главе изложены теоретические основы нового комплексного метода исследования трехмерной структуры и полного вектора скорости распространения ПИВ на основе совместного анализа данных ИРНР и ионозонда [Медведев и др., 2009]. Геометрия эксперимента приведена на Рис 13. ИРНР расположен в 98 км к северо-западу от Иркутска (52.9N, 103.25E). Частота излучения 154 МГц соответствует наклону луча радара ~10 от зенита в азимутальном направлении 263 от севера по часовой стрелке. Частота 158 МГц соответствует наклону луча радара ~16 от зенита с азимутом 211. Ионозонд вертикального зондирования DPS-4 расположен непосредственно в Иркутске (52.3N, 104.3E). Взаимное расположение инструментов образует базис с характерным масштабом порядка 100 км. На рисунке показаны проекции на землю диаграммы направленности радара НР на двух частотах и характерные треугольники, в которых измеряется электронная концентрация для высот 200, 300 и 400 км.
Алгоритм реконструкции трехмерной пространственно-временной структуры ПИВ состоит из процедур подготовки данных с приведением их к одному моменту времени и одному временному шагу, выделения возмущений и расчета динамических характеристик ПИВ. В основу метода определения характеристик распространения ПИВ было положено измерение времени распространения возмущений в горизонтальных и вертикальном направлениях.
|
Рисунок 13 - Проекции на землю ДН ИРНР на разных высотах. |
В зависимости от характера возмущения применялись два способа действий. Кросскорреляционный способ состоит в определении задержек между ПИВ, наблюдаемых в пространственно разнесенных точках с помощью корреляционного анализа. Задержкой при этом считается минимальный временной сдвиг между возмущениями, обеспечивающий локальный максимум коэффициента корреляции. Фазоразностный способ определения параметров движения ПИВ может быть применен при выделении из всего спектра ПИВ одной главной гармоники. Он заключается в определении разности фаз гармоники, наблюдаемой в разных точках пространства. Два способа действий во многом похожи, поэтому детально рассмотрим метод в рамках кросскорреляционного анализа.
Предполагается, что в любой момент, в каждой точке пространства, ПИВ имеет форму плоской волны:
,
где ∆N0(z) - высотный профиль ПИВ в начале координат, A(t) описывает временную зависимость характеристики распространения, - задержка, определяемая как:
.
В свою очередь - радиус-вектор точки наблюдения, - единичный вектор, определяющий направление распространения волны, а V - модуль скорости распространения волны.
Была выбрана декартова система координат с нулем в точке расположения радара НР. Ось Z направлена в зенит, ось X - на север и ось Y - на восток. В этой системе вектор имеет координаты {coscos, cossin, sin}, где - угол возвышения над горизонтом ( положителен для волнового вектора, направленного вверх, и отрицателен для волнового вектора, направленного вниз), - азимут, отсчитываемый от направления на север по часовой стрелке.
Задержка между N - ПИВ, наблюдаемыми в точках с радиус-векторами и в каждый момент времени, определяется по формуле:
,
где . Используя задержки между Ne, наблюдаемыми на двух лучах радара НР и ионозонде DPS-4, на каждой высоте получаем систему линейных уравнений для определения qx и qy :
,
где (x1, y1), (x2, y2) и (x3, y3), — координаты точек наблюдения в плоскости XY.
С помощью задержки z между Ne, наблюдаемыми ионозондом DPS-4 на различных высотах, определяем . Зная полный вектор , можно вычислить характеристики ПИВ (V, , ) для всех высот наблюдения, согласно известным выражениям преобразования координат:
; ; .
Отметим, что qz можно определить и по наклонным лучам радара, тогда общая система уравнений становится избыточной, и избыточность эту можно использовать для уменьшения погрешности измерений с помощью усреднения результатов или для введения критерия достоверности измерений.
Работу описанных выше методов можно рассмотреть на примере мощных возмущений 11 сентября 2005 (Рис. 14). Результаты определения параметров движения ПИВ приведены на Рис.15. Из рисунка видно, что в целом два способа действий дают удовлетворительное совпадение результатов. Обобщенные результаты измерений можно усреднить по высотам и представить в итоге следующим образом:
- первое возмущение, наблюдаемое с 2:30 до 5:30 UT (9:30-12:30 LT), имело харак терный период T1 ~ 1,5 часа, модуль фазовой скорости V1 составлял 458 м/с, наклон фазового фронта 1 составил -4514 и азимут 1 имел значение 2016 (знак “” указывает вариативность характеристик по высоте);
|
Рисунок 14 - Вариации электронной концентрации 11 сентября 2005 г.: Левая панель - исходные профили электронной концентрации, Правая панель – профили возмущений после полосовой фильтрации в полосе периодов 1-4 часа. После фильтрации в полосе периодов 1—4 часа наиболее высокий коэффициент корреляции данных (0,9 и выше) на всех трех лучах наблюдался в интервалы времени 2—4 UT в диапазоне высот 230—370 км и в 10—12 UT на высотах 280—380 км. |
- для второго возмущения, наблюдаемого с 7:00 до 12:30 UT (14:00-19:30 LT), сделаны следующие оценки: T2 ~ 2.8 часа, V2 = 4414 м/с, 2 = -7010, 2 = 21025.
|
а) |
|
|
б) |
|
|
Рисунок 15 - Высотные профили параметров распространения ПИВ, вычисленные кросскорреляционным (пунктир) и фазоразностным (сплошная) методом: а) 2-4 UT; б) 10-12 UT |
На начальном этапе исследований, предложенным методом были проанализированы данные более 30 суток наблюдений в периоды сентября 2005, марта 2006, июня 2007 гг. Кратко обобщить результаты обработки можно следующими выводами. Возмущения Ne амплитудой от 5 до 10 % присутствуют в каждых из рассмотренных суток, достигая в магнито-возмущенные дни амплитуды в 30% и более от фонового содержания. В магнито-спокойные периоды марта 2006 г. и июня 2007 картина ионосферных возмущений имеет сложную пространственно–временную структуру, сформированную интерференцией волн от различных источников, и восстановленные динамические характеристики возмущений демонстрируют очень высокую высотно-временную вариативность.
Статистические исследования характеристик ВГВ на базе совместного анализа данных ИРНР и DPS-4. Для организации исследования не только отдельных событий движения мощных ВГВ в верхней атмосфере, но для систематического и долговременного изучения свойств волновой активности на ионосферных высотах, их суточной, сезонной зависимости, связи с уровнем солнечной и геомагнитной активности был разработан автоматизированный процесс выделения волновых возмущений [Medvedev et al., 2013]. В основу автоматического программного метода выделения ПИВ было положено предположение, о том, что из всего спектра волнового возмущения можно выделить доминирующую гармонику в которой сосредоточена большая часть энергии. Существование локального максимума в спектре на данной частоте, как минимум на трех соседних высотах на каждом инструменте (ионозонд и два луча радара) являлось критерием наличия волнового возмущения. Анализ данных осуществлялся с использованием скользящего 12-часового окна Блэкмена. Внутри каждого окна определялось наличие возмущения, его дальнейший анализ осуществлялся по алгоритму, изложенному выше.
На основе совместных непрерывных измерений ионозонда вертикального зондирования DPS-4 и ИРНР был проведен статистический анализ характеристик перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) в периоды длительной работы ИРНР. Такими периодами стали события развития зимних стратосферных потеплений с 15 января по 17 февраля 2011 и с 1 по 21 января 2013 г, а также непрерывный продолжительный ряд наблюдений в летний период с 22 июня по 1 июля 2013 года.
Осуществлен анализ дисперсионных зависимостей характеристик ПИВ. На Рис.16 показано распределение характеристик общего числа наблюдаемых ПИВ в период январей 2011 и 2013 годов на фазовой плоскости «модуль фазовой скорости V – угол наклона волнового вектора относительно горизонта». Нижняя граница распределения, отражающая зависимость минимальных значений наблюдаемой скорости от угла наклона, может быть объяснена двумя факторами: (1) наличием минимальной длины волны λmin = 100 км, которая может быть однозначно определена на пространственной базе радар-ионозонд, составляющей около 50 км в направлении север-юг; и (2) дисперсионным соотношение для ВГВ. Особенностью распространения ВГВ, является то, что направленный вниз волновой вектор соответствует ВГВ, распространяющимся от источника, лежащего ниже F2-слоя ионосферы, а волновой вектор, направленный вверх, подразумевает наличие источника выше F2-слоя. Из Рис.16 видно, что положительные углы наклона наблюдаются значительно реже, чем отрицательные, но при этом характер распределения скоростей в этой области фазовой плоскости также удовлетворяет условиям распространения ВГВ.
|
Дневные условия |
Ночные условия |
|
Рисунок 16 - Распределения на фазовой плоскости модуль фазовой скорости – угол наклона волнового вектора относительно горизонта (положительные значения соответствуют распространению вверх, отрицательные вниз). |
Этот факт позволяет сделать заключение о том, что среди наблюдаемых нами волновых возмущений действительно существуют ВГВ, распространяющиеся сверху вниз. Возможным объяснением этого явления может служить возникновение условий для отражения волн на высотах выше области наблюдения. Условия отражения могут быть созданы ветровым сдвигом, при котором на некоторой высоте достигается такая скорость горизонтального ветра, которая обращает внутреннюю частоту и групповую скорость ВГВ в ноль. Таким образом, анализ дисперсионных зависимостей характеристик ПИВ показал, что основной массив наблюдаемых волновых возмущений соответствует существующим представлениям о законах распространения ВГВ, включая случаи распространения ВГВ сверху вниз.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Разработка новых методов и технологий прецизионной, многопараметрической диагностики верхней атмосферы Земли является актуальной задачей фундаментальных и прикладных исследований. Настоящая работа посвящена решению важной научно-прикладной проблемы – расширению информационных возможностей метода НР и, в частности, повышения эффективности уникальной исследовательской установки – Иркутского радара некогерентного рассеяния. Исходя из современных требований к инструментам подобного типа, с целью обеспечения комплексных исследований солнечно-земных связей, плазменных и аэрономических процессов в атмосфере Земли в диссертации определены направления глубокой модернизации основного оборудования ИРНР. Составлен проект и разработана структура нового аппаратно-программного комплекса ИРНР. Создан и внедрен цифровой, многоканальный, управляющий и приемно-регистрирующий комплекс, расширяющий диагностические возможности ИРНР.
В диссертации представлены оригинальные методы радиофизической диагностики верхней атмосферы Земли, разработанные на основе новых диагностических возможностей ИРНР. Показано, что новые методы позволяют улучшить точность измерения базовых параметров околоземной плазмы, расширить набор измеряемых параметров среды, повысить коэффициент использования уникального оборудования. В частности,
- Новый метод определения скорости дрейфа плазмы, учитывающий особенности ИРНР, позволяет в несколько раз повысить точность определения этой важной характеристики среды;
- Новый комплексный метод исследования пространственно-временной структуры и характеристик распространения перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) позволяет на основе совместного анализа данных ИРНР и других радиофизических средств ИСЗФ СО РАН изучать трехмерную картину волновых возмущений, измерять полный вектор скорости ПИВ;
- Новый метод автоматического выделения волновых возмущений на основе анализа высотных профилей вариаций электронной концентрации, полученных на различных установках радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН, позволяет проводить статистический анализ длинных непрерывных рядов данных, выявлять суточные, сезонные и долговременные закономерности проявления волновых возмущений в верхней атмосфере;
- Новый вид измерений – пассивные наблюдения в режиме непрерывного сканирования неба позволяет использовать ИРНР как эффективный радиоастрономический инструмент, позволяющий исследовать динамику и степень пространственной неоднородности солнечного радиоизлучения в диапазоне длин волн около 2 метров, на основе регистрации мерцаний радиосигналов от дискретных космических источников определять параметры мелкомасштабных ионосферных неоднородностей.
Результаты комплексных технических и методологических решений, изложенных в работе, обобщены в Таблице 2.
Таблица 2
|
Технические характеристики нового УПРК |
Новые возможности ИРНР |
Развитие радиофизических методов диагностики ВА и ОКП |
|
Многоканальность (четыре независимых приемных канала) с одновременной регистрацией двух типов сигналов (узкополосных и широкополосных) из раздельных полурупоров антенной системы. |
1. Возможность в одном такте зондирования принимать сигналы с высоким спектральным и временным разрешением. 2. Возможность проводить фазоразностные измерения. 3. Применение на ИРНР и интерферометрических методов исследования неоднородностей в ВА. |
1. Излучение и прием в одном такте зондирования сигналов разных типов позволяет в два раза повысить временное разрешение как при определении характеристик плазмы, извлекаемых из спектра обратного рассеяния, так и при определении параметров высотного профиля электронной концентрации. 2. Фазоразностные измерения повышают точность определения угловых координат КО более чем в 10 раз. 3. Комплексный коэффициент когерентности в интерферометрических измерениях позволяет оценивать угловые размеры ионосферных неоднородностей, отслеживать динамику их перемещения относительно фазового центра антенны ИРНР. |
|
Широкий линейный динамический диапазон сквозного приемного тракта (~70 дБ). |
1. Возможность проводить без амплитудных искажений одновременные измерения мощных сигналов от космических аппаратов на фоне слабых сигналов некогерентного рассеяния. 2. Регистрация в пассивном режиме космического радиоизлучения от уровня спокойного солнца до уровня мощных вспышек. |
1. Проведение активных экспериментов в ближнем космосе. Исследование влияния работы бортовых двигателей ТГК «Прогресс» на состояние ионосферы и радиооблик космического аппарата. 2. Исследование вариаций солнечного радиоизлучения в метровом диапазоне и получение данных о структуре и динамике явлений в солнечной короне (шумовые бури, радиовсплески II и III типа, корональные выбросы, корональные дыры). |
|
Регистрация полной формы принятого сигнала в каждом такте зондирования и последующее сохранение всей первичной информации зондирования. |
1. Отнесение затратных вычислительных процедур на «постпроцессорное» отложенное время. 2. Возможность изменения приемной ДН антенны ИРНР в процессе обработки данных в отложенном времени. 3. Возможность раздельной обработки данных, содержащих сигналы от КО и «чистых» сигналов обратного рассеяния от ионосферной плазмы. |
1. Повышение эффективности зондирования за счет возможности применения современных вычислительных методов для: а) устранения помех и выделения когерентных сигналов на радиолокационной развертке; б) согласованной обработки при использовании сложных составных последовательностей зондирующих импульсов; в) внедрения корреляционной методики обработки данных НР с гибким изменением процедур определения параметров плазмы в зависимости от текущих ионосферных условий. 2. Изменение формы приемной ДН антенны позволяет исследовать ракурсные зависимости мощности сигналов рассеяния от ионосферных неоднородностей. 3. Раздельная обработка данных позволяет регистрировать поток, определять координатные и некоординатные характеристики КО во время проведения ионосферных наблюдений. |
|
Автоматическое программное управление ДН антенны с изменением направления зондирования от такта к такту. |
Возможность быстрого сканирования пространства в секторе обзора ИРНР. |
1. Исследование пространственных градиентов ионосферных параметров. 2. Автоматическое сопровождение КО в секторе обзора ИРНР. |
|
Автоматическая система формирования зондирующих сигналов с произвольным видом модуляции |
Возможность автоматического или задаваемого оператором выбора типа сигналов, оптимального для задач и условий зондирования. |
1. Повышение точности определения координатных и некоординатных характеристик КО. 2. Повышение пространственного и временного разрешения при определении параметров ионосферной плазмы. |
|
Полная сквозная когерентность приемо-передающего тракта |
Стабильность начальной фазы излучения и всех гетеродинов приемного тракта во всем диапазоне частот и для всех типов сигналов. |
1. Возможность эффективного устранения с радиолокационной развертки сигналов от местных предметов. 2. Повышение эффективности когерентного накопления сигналов от малоразмерных КО. 3. Исследование комплексного коэффициента когерентности сигналов обратного рассеяния при интерференционных ионосферных измерениях. |
|
Распределенный вычислительный комплекс |
Трансляция данных зондирования во внутреннюю сеть ИРНР с распределением информационного потока по независимым вычислительным средствам. |
Параллельная обработка данных зондирования различного типа в реальном времени и получение предварительной информации о: а) высотном профиле электронной концентрации; б) высотном профиле температур ионов и электронов; в) лучевой скорости дрейфа плазмы в) потоке и характеристиках движения КО в секторе обзора ИРНР. |
|
Система удаленного доступа ИРНР |
Возможность контроля текущего состояния систем и режимов работы радара, дистанционное управление основными системами ИРНР. |
Повышение эффективности работы ИРНР за счет возможности быстрого изменения режимов работы в соответствии с текущими задачами и состоянием среды. |
В результате настоящей работы решена важная научная проблема в области экспериментальной радиофизики – расширение диагностических возможностей уникальной научной установки ИРНР, с целью получения новых физических характеристик верхней атмосферы Земли и преобразование ИРНР в современный многофункциональный исследовательский инструмент, способный решать широкий спектр фундаментальных и прикладных задач исследования околоземного космического пространства.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ
Статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов:
Статьи в других изданиях
Фаза между полурупорами (град)
Угол места (град)