МУТНОСТЬ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ КОГЕРЕНТНОГО

МУТНОСТЬ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ КОГЕРЕНТНОГО
ПРИЕМА ВЧ СИГНАЛОВ
П.Ф. ДЕНИСЕНКО, Г.И. КУЛЕШОВ, А.И. СКАЗИК
НИИ физики Ростовского государственного университета
344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки 194, НИИФ РГУ
E-mail [email protected]
Дано описание новой методики определения параметра  2 (коэффициент мутности, или соотношение “сигнал/шум”). Приведены экспериментальные данные, свидетельствующие о доминировании в вертикально отраженном сигнале некогерентной составляющей излучения.
P.F. DENISENKO, G.I. KULESHOV, A.I. SKAZIK
TURBIDITY OF IONOSPHERE ACCORDING TO THE COHERENT
REGISTRATION OF HF SIGNALS
New method of the parameter  2 (“signal/noise”) determination description is given. Experimental data
showing the prevalence of the noncoherent radiation component in vertical reflected signal are presented.
Введение
Существование мелких неоднородностей в ионосферной плазме является причиной рассеяния энергии распространяющегося в ней радиосигнала. Как правило, в качестве характеристики рассеяния используется параметр  2 [1]:
2 
I0
,
Is
(1)
где I0 – интенсивность зеркально отражённой от ионосферы составляющей сигнала, <IS> –
средняя интенсивность приходящего рассеянного сигнала.
Наиболее часто применяемым способом получения оценок степени рассеяния является аппроксимация экспериментальных распределений флуктуаций амплитуд отраженных ионосферной плазмой радиоволн теоретическими моделями. Такой подход требует выбора гипотезы о
статистическом законе распределения амплитуд, а оценки параметра  2, полученные для различных статистических моделей, значительно различаются [1, 2]. Помимо этого, статистические методики очень чувствительны к различного рода нестационарностям в экспериментальных данных.
Цель работы
Получение новых оценок параметра  2, свободных от недостатков статистических методов.
Решаемые задачи
Развитие нового метода определения параметра  2 и его экспериментальные оценки на основе данных вертикального зондирования с применением техники когерентного приема.
Методика определения параметра  2 и его экспериментальные оценки
Отраженный от ионосферы сигнал вертикального зондирования, принимаемый на антенну
линейной поляризации, можно представить в виде суперпозиции гармонических зеркально отраженных компонент (лучей) и рассеянной составляющей, трактуемой в качестве “случайного
шума”. Как показывает практика, при приёме на подобные антенны разделить зеркальные лучи
не представляется возможным. Поэтому сумму по ним можно рассматривать как единственный
зеркальный луч. Тогда мгновенное значение регистрируемого сигнала можно представить в виде:
(2)
Ex (t )  E0 cos(0t  0 )  Es (t ) cos s (t ) ,
где первое слагаемое соответствует зеркально отраженной компоненте с амплитудой E0, доплеровским смещением частоты 0 и начальной фазой 0. Второе слагаемое описывает рассеянную составляющую сигнала со случайными амплитудой ES(t) и фазой S(t). При когерентном
приёме в нашей задаче совместно с (2) регистрируется вторая квадратурная компонента
(3)
E x' (t )  E0 sin(  0t  0 )  Es (t ) sin  s (t ) .
Применение к временным последовательностям квадратур гармонического анализа позволяет построить функцию спектральной мощности. Считая, что максимум этой функции соответствует зеркальной компоненте, можно определить величину доплеровского смещения частоты 0 и начальную фазу 0. Тогда, проводя сдвиг по частоте обеих квадратурных компонент
(2,3) на величину доплеровского смещения частоты и усредняя результат, получим
 Ex (t ) T  E0 cos  0    s T  E0 cos  0 ,
 Ex (t ) T  E0 sin  0    s T  E0 sin  0 ,
где  s  E s cos  s ,
мул находим
 s  Es sin  s , T – временной период усреднения. Из последних фор-
I 0  E02  E x T2   E x T2 .
Для того чтобы определить интенсивность рассеянного сигнала <IS>, воспользуемся формулой для средней интенсивности принимаемого сигнала <I>, которая дает
 I  I 0   I s  .
Т.к. квадрат амплитуды сигнала вдоль оси Ox может быть представлен в виде:
Ax2 (t )  Ex2 (t )  [ Ex (t )]2 ,
то его среднее значение есть
 Ax2  I  E02   Es2  .
Отсюда
 I s  I   I 0  E x2 (t )  [ E x (t )] 2  ( E x T2   E x T2 ) ,
и окончательно, из (1) получаем
1
  E x2 (t )  [ E x (t )] 2  
 E x T2   E x T2

 

 1 .
 E x2 (t )  [ E x (t )] 2  ( E x T2   E x T2 )   E x T2   E x T2

2
(4)
Для оценки доверительных интервалов параметра β2 использовался метод Монте-Карло.
Предполагалось, что интервал усреднения содержит достаточное количество независимых отсчётов. Тогда, согласно центральной предельной теореме (ЦПТ), можно считать средние значения  E x T ,  E x T и  E x2 (t )  [ E x (t )]2  распределёнными по нормальному закону с соответствующими дисперсиями и математическими ожиданиями.
В оценке параметра β2 и его доверительных интервалов ключевое значение имеет выбор
интервала усреднения. Требования ЦПТ об увеличении интервала усреднения вступает в противоречие с фактом нестационарности экспериментальных данных на длительных интервалах.
Как показала обработка эксперимента, оптимальным для усреднения следует принять временные интервалы от 10 до 30 с.
Изложенная методика использовалась для обработки экспериментальных данных, полученных в п. Ростов ( 4713 N , 3914 E ) за период с ноября 1997 по ноябрь 2001 г. Измерения
производились с помощью ионозонда “Парус”, реализующего технику когерентного приема, в
различное время суток на разных частотах с использованием обыкновенной (о) и необыкновенной (х) волн. Для расчетов использовались выборки сигналов, отраженных от F области ионосферы. Длительность регистрации временных рядов квадратурных составляющих сигнала составляла 180 – 200 сек. Период следования экспериментов около 7 мин. На рис. 1 приведён
пример расчётов параметра β2 в течение нескольких последовательных экспериментов за
30.11.2001г. Измерения проводились на частоте 9.1 МГц для разделённых по времени о- и хкомпонент в условиях невозмущённой ионосферы.
Результаты применения разработанной методики
Применение изложенной методики к данным зондирования F слоя ионосферы дало следующие результаты:
1. Полученные оценки параметра β2 лежат в интервале от 0.15 до 0.55, что свидетельствует
о преобладании рассеянной компоненты в суммарном, отраженном от F – слоя, сигнале.
Рис. 1. Пример временных зависимостей оценок параметра β2. 30.11.2001г. f = 9.1 МГц.
2. Ширина доверительного интервала по уровню 95% составляет от 0.05 до 0.15 единиц
определённого значения β2.
3. Рассчитанные временные изменения оценок параметра β2для о- и х- компонент отражённого сигнала при совпадающей частоте зондирования коррелируют.
4. При измерениях на одной частоте значение параметра β2для о- компоненты оказывается
в среднем меньше соответствующего значения для х- компоненты сигнала. Этот факт свидетельствует о большем по сравнению с х- волнами рассеянии о- волн.
Заключение
Результаты работы свидетельствуют о преобладании рассеянной компоненты в отражённом от ионосферы сигнале при вертикальном зондировании. Устойчивость предложенной методики к нестационарности эксперимента позволяет считать её основой для создания нового
способа диагностики спектров неоднородностей электронной концентрации ионосферной
плазмы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука, 1972.
563 с.
2. Денисенко П.Ф., Соцкий В.В., Фаер Ю.Н. и др. Описание плотности вероятности амплитуд, вертикально отраженных областью F ионосферы декаметровых сигналов// Геомагнетизм и аэрономия. - 1993. - Т.33. №1. - С. 169-171.