Развитие метода спектрально поляризационных измерений декаметрового радиосигнала

Актуальность задачи.

Исследованию ионосферы, части средней и верхней атмосферы Земли, уделялось с момента её открытия довольно много внимания, однако с развитием новых средств связи, например, спутниковой, интерес к ионосфере начал уменьшаться. В настоящее время вследствие необходимости обеспечения высокого качества связи, актуальность исследования процессов, протекающих в ионосфере как в среде распространения радиоволн, возрастает. Современная исследовательская и связная техника позволяют изучать ионосферу на качественно новом уровне. Объектами исследования при этом выступают не только ионосфера как среда распространения радиоволн, но и собственные процессы, происходящие внутри ионосферной плазмы. Вследствие своего расположения и внутренней структуры ионосфера очень чувствительна к магнитным и электрическим полям, воздействию корпускулярных потоков, например, солнечных, то есть обладает хорошими диагностическими возможностями для наблюдения и мониторинга не только внешних космических воздействий, но и внутренних, имеющих земную природу (включая антропогенное воздействие).

Ионосфера вносит различные искажения в передаваемый радиосигнал. Наиболее эффективно это воздействие проявляется для волн коротковолнового (KB) диапазона (3−30 МГц). В зависимости от параметров ионосферы коротковолновые радиоволны могут быть переданы на дальние, а иногда и сверхдальние расстояния, включая кругосветное распространение. Но основным недостатком ионосферной связи является многолучевость сигнала, приводящая к замираниям или к полному разрушению канала связи. То есть радиолуч, излученный передатчиком, после прохождения слоистой пространственно неоднородной ионосферы будет создавать на приёмной антенне сложную интерференционную картину, динамически меняющуюся во времени. Несмотря на эти недостатки, коротковолновая связь не теряет свою важность и в настоящее время, являясь порой единственным широкодоступным каналом дальней радиосвязи. Кроме того, она до сих пор является запасным каналом связи для различных служб. Эффективность современных цифровых систем связи напрямую зависит от качества канала радиосвязи, которое, в свою, очередь неразрывно связанно с состоянием ионосферы.

Основными методами получения информации об ионосфере являются радиофизические методы наблюдения. Использование классических средств диагностики — импульсных вертикальных ионозондов, не всегда возможно, так как необходимо располагать ионозонд непосредственно под точкой наблюдения, что может быть невозможно по различным причинам. Использование комплексов наклонного зондирования решает эту проблему. Ставшие классическими системы пространственно разнесенного приёма позволяют исследовать характеристики коротковолнового радиосигнала, но при этом характерные размеры антенного поля таких радиосистем составляют до нескольких километров. Одним из способов избавиться^ от громоздкой антенной системы является использование метода частотно-пространственно разнесённого приёма (ЧПРП). Это позволяет уменьшить количество радиоприёмных каналов до трёх-четырёх, уменьшить габариты приёмной антенной системы до размеров, сравнимых с длиной принимаемой радиоволны, равной единицам десятков метров. При использовании этого метода разделение различных мод радиосигнала происходит в частотной области на основе спектральных параметров. Основным недостатком, метода является необходимость длительных измерений для достижения высокого спектрального разрешения, что не всегда возможно из-за постоянного изменения состояния ионосферной плазмы, которое обусловлено различными факторами. Выбор времени наблюдения определяется средним временем стационарности принимаемого радиосигнала, максимальное значение которого для средних широт изменяется от 20 до 300 секунд, то есть наихудшее спектральное разрешение составляет порядка 0,05 Гц. Такое разрешение не всегда удовлетворяет требованиям разделения мод сигнала, так как в случае спокойной ионосферы разница между ними может быть менее 0,01 Гц. Это приводит к ухудшению точности спектрального разрешения и определения углов прихода радиолуча. Но основной вклад в точностные параметры вносят поляризационные затухания, которые обуславливают интерференцию нескольких мод сигнала, не разделимых в спектральной области.

Одним из методов разделения мод является спектрально-поляризационный метод. Использование спектрально-поляризационного метода позволяет разделять составляющие сигнала неразличимые по доплеровскому сдвигу частоты. Но при этом к недостаткам этого метода можно отнести существенные ограничения на приёмную аппаратуру, например, необходимость использовать антенны, размеры которых существенно меньше длины волны, что ведет к повышению требований к чувствительности приёмников. Изложенное выше свидетельствует о насущной проблеме модернизации спектрально-поляризационного метода в плане расширения возможностей его применения в системах с реальными электрическими антеннами и приёмными устройствами.

Цели и основные задачи диссертационной работы. Цель данной диссертационной работы заключается в развитии спектрально-поляризационного метода путем повышения точности определения углов прихода радиоволн при наклонном зондировании ионосферы для задач изучения радиосвязи и дистанционного мониторинга динамических процессов в ионосфере.

В соответствии с поставленной целью в настоящей работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Развитие спектрально-поляризационного метода исследования радиоволн на основе методики учета изменения фазы радиоволны вдоль полотна антенны, характерные размеры которой сопоставимы с длиной волны. Оценка точности определения углов прихода радиоволны, сравнение полученных результатов с результатами моделирования с использованием модели IRI-90 для проверки адекватности проведенных расчетов.

2. Разработка аппаратных и программных средств, реализующих приём и последующую обработку декаметрового радиосигнала спектрально-поляризационным методом. Разработка поляризационной антенной системы для доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр» с характерными размерами, сопоставимыми с длиной принимаемой радиоволны (то есть конечными размерами).

3. Экспериментальные исследования вариаций углов прихода радиоволны (азимутального угла и угла места) и эллипса поляризации принимаемого радиосигнала от различных вещательных коротковолновых передатчиков.

Объект исследования. Спектрально-поляризационный метод исследования динамических процессов в ионосфере.

Предмет исследования. Методика определения углов прихода радиоволны на основе спектрально-поляризационного метода и практическая реализация в виде экспериментальных исследований.

Методы исследования. Сформулированные в диссертации научные положения и выводы базируются на методах теории поля для приближения геометрической оптики, методах математического моделирования, методах математической статистики, т. е. методах с хорошо изученными границами применимости. Эксперимент был произведен с применением метода наклонного зондирования ионосферы с использованием доплеровского фазоугломерного комплекса «Спектр». При обработке экспериментальных данных использовались спектральные, поляризационные и статистические методы обработки данных.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы определяется использованием адекватного математического аппарата при расчетах, повторяемостью результатов, сопоставлением модельных реализаций с экспериментальными измерениями, а также проверкой на соответствие выводам других авторов.

Научная новизна результатов диссертационной работы определяется тем, что в ней впервые:

1). разработана методика спектрально-поляризационных измерений радиосигнала, решающая обратную задачу по определению направления прихода радиолуча и восстановлению эллипса поляризации, на основе учета изменения фазы радиоволны вдоль элемента антенн. Метод применён для реальной четырёхканальной приёмной антенной системы с конечной длиной элементов;

2). разработан и реализован автоматический комплекс непрерывного наклонного мониторинга ионосферы с системой оперативной калибровки принимаемого сигнала и поляризационной антенной системой с характерными размерами, сравнимыми с длиной принимаемой радиоволны;

3). создана методика анализа пространственно-временных вариаций ионосферных возмущений на основе поляризационных параметров радиосигнала. Исследованы вариации параметров эллипса поляризации сигналов вещательных радиостанций спектрально-поляризационным методом, в результате которых обнаружены вариации обратного коэффициента эллиптичности с периодами 10—100 мин.

Научная и практическая значимость. Проведенная работа расширяет возможности как исследования ионосферы, так и исследования распространения радиоволн на радиотрассах коротковолнового диапазона. Разработаны математические модели определения оптимальной конфигурации антенной системы, вычисления суммарной ошибки измерения углов прихода радиоволны. Создана методика, позволяющая осуществлять непрерывную калибровку сигнала.

Предложенный в работе метод позволяет получать на компактной антенной системе, размеры которой сравнимы с длиной принимаемой радиоволны, направление прихода радиолуча, поляризационные характеристики принимаемого радиосигнала. На основе этих параметров возможно разделить магнитоионные компоненты принимаемого радиосигнала в спектральной области. Кроме того, при использовании спектрально-поляризационного метода автоматически появляется возможность совместного исследования вариаций амплитуды и доплеровского сдвига частоты принимаемого радиосигнала.

Экспериментально подтверждена возможность использования поляризационной антенной системы с характерными размерами антенных элементов, сравнимых с длиной волны (без использования при расчете приближения точечной антенны) в угломерных измерениях ионосферного сигнала с высокой точностью.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Модифицированный спектрально-поляризационный метод и разработанная на его основе методика определения углов прихода радиоволны различной поляризации, применённая к коротковолновому диапазону, для случая антенной системы, сравнимой с длиной волны. Оценка точностных характеристик углов прихода радиоволны в предложенной методике.

2. Автоматический угломерный комплекс (аппаратная и программная части) с возможностью измерения поляризационных характеристик радиосигнала. Поляризационная антенная система комплекса, размеры которых сравнимы с длиной принимаемой радиоволны. Алгоритмы удаленного управления и контроля созданного автоматического комплекса.

3. Закономерности, полученные в результате спектрально поляризационных измерений, в числе которых углы прихода радиолуча, с учетом поляризационного разделения, вариации обратного коэффициента эллиптичности и направления большой полуоси эллипса поляризации.

Личный вклад. Учитывая, что экспериментальные исследования со значительным объемом получаемых данных невозможно провести единолично, роль диссертанта в них заключалась в следующем:

• модификации совместно с В. В. Бочкаревым спектрально-поляризационного метода, в котором осуществлён переход от идеализированной точечной антенной системы к системе с конечной длиной радиоприёмной антенны, что позволяет корректировать получаемые угломерные данные;

• проведении расчета и проектировании поляризационной антенной системы комплекса, разработке блок-схемы алгоритма автоматического управления и независимого контроля угломерным комплексом;

• реализации на их основе: программного обеспечения, электрических принципиальных схем устройств удалённого управления и независимого контроля;

• разработке блок-схемы и схемы электрической принципиальной, программного кода для модуля цифрового приёма;

• активном участии в проведении нескольких длительных измерительных компаний в период с 2002 по 2008 гг.;

• обработке и анализе полученных экспериментальных данных;

• публикации научных результатов и написании отчетов.

По этой же причине публикации диссертанта имеют соавторство, однако результаты по указанным направлениям принадлежат лично автору диссертации.

Апробация результатов и публикации. Основные результаты работы были опубликованы в Российских реферируемых научных журналах и представлялись на конференциях: XXI Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2005), XXII Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Ростов-на-Дону, 2008), VII, IX, X Байкальских международных школах по фундаментальной физике (Иркутск, 2004; Иркутск, 2006; Иркутск, 2007), на III, IV, V международных конференциях «Излучение и рассеяние ЭМВ» (Таганрог, 2003; Таганрог, 2005; Таганрог, 2007), на XI Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 2004), YouthPhys'05 School-Workshop Tomsk (Томск, 2005), VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Казань, 2007) а также докладывались на научных семинарах и ежегодных отчетных конференциях Казанского государственного университета (2002 — 2007).

Всего автором по теме диссертации опубликовано 16 работ, из них одна — в издании, рекомендованном ВАК РФ («Ученые записки Казанского государственного университета»).

Реализация результатов. Результаты, полученные в диссертационной работе, использовались при выполнении грантов РФФИ: № 01−05−65 251-а (исполнитель), № 03−07−90 288-в (исполнитель), № 05−05−64 651-а, № 07−05−90 810-мобст (исполнитель), а так же госбюджетных тем Казанского государственного университета (КГУ): 1.7.06. «Исследование метеорно-ионосферных процессов и неоднородной структуры атмосферы земли»,.

1.6.08ц. «Развитие методов фазовых измерений для задач мониторинга и распространения радиоволн», 1.6.07ц. «Разработка информационных систем получения, обработки и хранения геофизической информации для исследования атмосферы Земли и околоземного пространства».

Результаты исследования используются в качестве лабораторных работ при чтении спецкурса «Радиофизические методы исследования природных сред».

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав и заключения, содержит 127 страниц основного текста, 36 рисунков, 1 таблицу и 116 источников библиографического списка.

Выводы к главе 4.

В результате проведенных длительных экспериментальных исследований был обработан массив экспериментальных данных для двух радиотрасс (Москва-Казань, Архангельск-Казань), и были получены следующие результаты:

1. Распределение обратного коэффициента эллиптичности эллипса поляризации падающей радиоволны от времени устойчиво во времени, и его вариации во времени обусловлены изменениями условий распространения радиоволны в ионосферной плазме, по-видимому, коэффициента поглощения.

2. В спектре угловых (азимутальные углы и углы места) и поляризационных (угол направления большой полуоси и коэффициент эллиптичности эллипса поляризации) характеристик обнаружено наличие вариаций с периодами 10 — 120 минут, характерными для внутренних гравитационных волн. Обнаружено, что в спектре угла направления большой полуоси эллипса поляризации энергии всех спектральных составляющих приблизительно равны, а в спектрах угловых параметров и обратного коэффициента эллиптичности наблюдается степенная зависимость, начиная с 8−10 минутного периодов. Таким образом, обратный коэффициент эллиптичности может быть использован как инструмент для исследования периодических процессов в неоднородной ионосфере.

Заключение

.

1. Разработан модифицированный спектрально-поляризационный метод исследования радиоволн. Данный метод позволяет выделять поляризационные компоненты радиосигнала, не разделяемые при использовании спектрально-доплеровского метода из-за невозможности разрешить их в спектральной области, что позволяет увеличить точность измерения углов прихода радиоволны и увеличить информативность регистрируемых параметров принимаемого радиосигнала. Это стало возможно на основе учёта изменения фазы принимаемой радиоволны на конечной длине приёмной антенны, в отличие от классического метода.

2. Разработана методика определения погрешности углов прихода радиоволны, как для классического, так и для модифицированного спектрально-поляризационного метода. Показано, что при использовании модифицированного спектрально-поляризационного метода, учитывающего конечные размеры антенны, СКО определения углов прихода в 2 раза ниже, чем при использовании классического, и составляют 2−3° и 4−5° соответственно.

3. Разработана методика определения углов прихода радиоволны для модифицированного спектрально-поляризационного метода, которая позволила получить параметры принимаемого радиосигнала не хуже, чем при использовании спектрально-доплеровского метода. К существенным преимуществам этой методики можно отнести то, что наряду с угловыми параметрами принимаемой радиоволны в результате обработки получаются и параметры поляризации радиоволны.

4. Создан автоматический программно-аппаратный угломерный комплекс для пассивного дистанционного мониторинга параметров ионосферы. Обработка принятого сигнала осуществляется модифицированным спектрально-поляризационным методом. В комплексе произведены следующие изменения:

• разработана и создана поляризационная антенная система, размеры которой сравнимы с длиной принимаемой радиоволны, представляющая собой четыре наклонных антенных луча, каждый из которых гальванически не связан с другими лучами и подсоединён к своему приёмному устройству;

• разработан многоканальный цифровой приёмный модуль, построенный на базе аналого-цифрового преобразователя и микросхемы программируемой логики. Данный приемный комплекс реализует квадратурную обработку сигнала, последующую фильтрацию и децимацию радиосигнала для каждого канала в отдельности, что позволяет исключить дополнительные фазовые искажения в приёмном тракте многоканальной радиоприёмной системы;

• разработана и внедрена методика удаленного управления комплексом, позволяющая осуществлять оперативный мониторинг и управление комплексом по двум независимым GSM/GPRS каналам. При этом управление комплексом дистанционно дало возможность: изменять схемы-сценарии работы комплекса, изменять частоту радиоприёма на конкретном радиоприёмном устройстве, перезагружать программное обеспечение комплекса и оперативно наблюдать за параметрами комплекса.

Показана возможность использования модифицированного спектрально-поляризационного метода для анализа происходящих в ионосфере процессов. Метод применен для обработки измерений, полученных в результате длительного дистанционного зондирования ионосферы сигналами вещательных радиопередающих станций. Это позволило получить следующие результаты: среднеквадратичное отклонение определения углов прихода радиолуча для азимутального угла и угла места не превышает 4° и 2° соответственно. Отклонение от расчетных углов прихода радиоволны составляет 5−7°, при этом следует обратить внимание на два фактора: модель ионосферы (IRI) не учитывает большого количества случайных параметров, а погрешность определения ориентировки измерительной приёмной антенны не превышает 5°. Метод был опробован для различных условий, как для спокойной ионосферы, так и неустойчивой — в восходно-заходные часы. В результате обработки данных поляризационной картины получены вариации обратного коэффициента эллиптичности и направления большой полуоси эллипса поляризации с периодами от 10−20 минут до 2-х часов. В спектре колебаний углов прихода радиоволны, коэффициента эллиптичности наблюдаются вариации с временами, характерными для внутренних гравитационных волн.

Благодарность.

Автор выражает огромную благодарность первому научному руководителю.

Теплову Вадиму Юрьевичу! за неоценимый практический опыт и знания, полученные под его руководством, а также научному коллективу лаборатории ионосферных исследований: руководителю О. Н. Шерстюкову, В. В. Бочкареву, И. Р. Петровой, а так же всем кто оказал помощь в работе над диссертацией.