Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн
Описана методика выделения квазипериодических колебаний (цугов волн) из временных рядов значений доплеровского смещения частоты радиосигналов доплеровского высокочастотного радара вертикального зондирования. Для выделения колебаний из смеси сигнала и шума использовалась полосно-пропускающая фильтрац...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Радиофизика и радиоастрономия |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Радіоастрономічний інститут НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100071 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн / В.Ф. Пушин, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2012. — Т. 17, № 4. — С. 333-343. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860249104773283840 |
|---|---|
| author | Пушин, В.Ф. Черногор, Л.Ф. |
| author_facet | Пушин, В.Ф. Черногор, Л.Ф. |
| citation_txt | Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн / В.Ф. Пушин, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2012. — Т. 17, № 4. — С. 333-343. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Радиофизика и радиоастрономия |
| description | Описана методика выделения квазипериодических колебаний (цугов волн) из временных рядов значений доплеровского смещения частоты радиосигналов доплеровского высокочастотного радара вертикального зондирования. Для выделения колебаний из смеси сигнала и шума использовалась полосно-пропускающая фильтрация совместно со спектральным анализом. Показана эффективность выделения колебаний, соответствующих как акустическим, так и внутренним гравитационным волнам. Методика применена для выделения колебаний, генерируемых утренним солнечным терминатором. Продемонстрировано, что движение терминатора сопровождалось колебаниями с периодами 6÷7 и 20 мин и относительными амплитудами возмущений концентрации электронов около 0.2 и 2 % соответственно.
Описано методику виділення квазіперіодичних коливань (цугів хвиль) з часових рядів значень доплерівського зсуву частоти радіосигналів доплерівського високочастотного радара вертикального зондування. Для виділення коливань із суміші сигналу та шуму використовувалась смуго-пропускаюча фільтрація разом зі спектральним аналізом. Показано ефективність виділення коливань, що відповідають як акустичним, так і внутрішнім гравітаційним хвилям. Методика застосована для виділення коливань, генерованих ранковим сонячним термінатором. Продемонстровано, що рух термінатора супроводжувався коливаннями з періодами 6÷7 і 20 хв та відносними амплітудами збурень концентрації електронів близько 0.2 та 2 % відповідно.
A technique for estimating parameters of quasi-periodic oscillations (wave trains) in time series of Doppler shifts acquired by HF Doppler radar at vertical incidence is presented. The oscillations were extracted from the mixed signal and background noise by employing a bandpass filter together with spectral analysis. The efficiency of extracting oscillations has been shown for both acoustic and internal gravity waves. The technique has been used for extracting oscillations generated by the dawn terminator. The terminator has been demonstrated to be associated with oscillations of electron density with 6÷7 and 20-min periods and amplitudes of 0.2 and 2 %, respectively.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:41:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012 333
Радиофизика и радиоастрономия. 2012, Т. 17, № 4, c. 333–343
В. Ф. ПУШИН, Л. Ф. ЧЕРНОГОР
Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина,
пл. Свободы, 4, г. Харьков, 61022, Украина
E-mail: Leonid.F.Chernogor@univer.kharkov.ua
ÎÁÍÀÐÓÆÅÍÈÅ ÊÂÀÇÈÏÅÐÈÎÄÈ×ÅÑÊÈÕ ÏÐÎÖÅÑÑÎÂ
 ÈÎÍÎÑÔÅÐÅ Â ÄÈÀÏÀÇÎÍÅ ÀÊÓÑÒÈÊÎ-ÃÐÀÂÈÒÀÖÈÎÍÍÛÕ ÂÎËÍ
Описана методика выделения квазипериодических колебаний (цугов волн) из временных рядов значений доплеровского
смещения частоты радиосигналов доплеровского высокочастотного радара вертикального зондирования. Для выделе-
ния колебаний из смеси сигнала и шума использовалась полосно-пропускающая фильтрация совместно со спектральным
анализом. Показана эффективность выделения колебаний, соответствующих как акустическим, так и внутренним
гравитационным волнам. Методика применена для выделения колебаний, генерируемых утренним солнечным термина-
тором. Продемонстрировано, что движение терминатора сопровождалось колебаниями с периодами 6 7÷ и 20 мин
и относительными амплитудами возмущений концентрации электронов около 0.2 и 2 % соответственно.
Ключевые слова: ионосфера, колебания, полосно-пропускная фильтрация, спектральный анализ, солнечный терминатор,
акустические волны, внутренние гравитационные волны
УДК 550.388
© В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор, 2012
1. Ââåäåíèå
Волновые процессы в атмосфере играют значи-
тельную роль в глобальном балансе количества
движения (импульса силы) и энергии. Волны
возникают под действием приливов, солнечного
терминатора, термических процессов, при обте-
кании воздушными течениями препятствий и т. п.
Волны в атмосфере генерируются при геокосми-
ческих бурях, падениях метеоритов, землетрясе-
ниях, извержениях вулканов, мощных метеопро-
цессах, грозах и т. д. Целый ряд антропогенных
источников энерговыделения способен генериро-
вать волны в широком диапазоне периодов (от уль-
тразвука до внутренних гравитационных волн –
ВГВ). К таким источникам относятся сильные
взрывы, старты и полеты крупных космических
аппаратов, мощное радиоизлучение и др.
Исследованию волн в атмосфере и ионосфере
посвящен ряд монографий (см., например, [1–4]),
обзоров (см., например, [5–13]) и большое коли-
чество оригинальных статей. Несмотря на впе-
чатляющие достижения в изучении генерации
и распространения волн в околоземной среде, ак-
туальными остаются задачи разработки высоко-
чувствительных методов выявления волновых
(квазипериодических) процессов в ионосфере,
селекции заданного источника волн, определения
параметров источника, использования волн для
диагностики атмосферы и геокосмоса.
Как показано в работе [11], большинство ра-
диофизических методов позволяет обнаруживать
волновые возмущения (ВВ) концентрации элект-
ронов N в ионосфере с относительной амплиту-
дой 1 10 %Nδ ≥ ÷ и периодом 10T ≥ мин (диапа-
зон ВГВ). Несомненный интерес представляет
также выявление ВВ с ~ 0.1 1 %Nδ ÷ и перио-
дом 5 10T < ÷ мин (диапазон акустических волн
или инфразвука). Как показано ниже, для этого
может применяться метод вертикального допле-
ровского зондирования, сочетающий в себе вы-
сокую чувствительность к малым вариациям N
и высокое временное разрешение.
Для оценки периодов и амплитуд ВВ тради-
ционно применяется спектральный анализ (см.,
например, [14]), а в последнее время модифика-
ции преобразования Фурье [15], вейвлет-анализ
(см., например, [15, 16]), системный спектраль-
ный анализ [17]. Задача восстановления парамет-
ров ВВ решается в статистической и динамичес-
кой постановках [18].
Целью настоящей работы является описание
методов выделения достаточно слабых ( ~Nδ
0.1 1 %)÷ квазипериодических колебаний (цугов
волн) из временных вариаций доплеровского сме-
щения частоты (ДСЧ) радиосигналов доплеровс-
кого радара вертикального зондирования.
2. Ñðåäñòâà íàáëþäåíèÿ
è ìåòîäèêè îáðàáîòêè
Доплеровский радар предназначен для вертикаль-
ного зондирования ионосферы. В настоящей ра-
боте он использовался для регистрации ВВ в ионо-
сфере, вызванных движением солнечного терми-
натора. Радар расположен вблизи г. Харькова
334 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012
В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор
(Украина) на территории Радиофизической обсер-
ватории Харьковского национального университета
имени В. Н. Каразина, ее координаты: 49 38′° c. ш.,
36 20′° в. д. Основные параметры радара: диапа-
зон частот 1 24f = ÷ МГц, импульсная мощность
радиопередающего устройства – 1 кВт, длитель-
ность зондирующего импульса 500τ ≈ мкс, час-
тота повторения импульсов – 100 Гц, полоса про-
пускания фильтра радиоприемного устройства –
10 Гц. Антенная система представляет собой
вертикальный ромб с коэффициентом усиления
1 10G ≈ ÷ в зависимости от частоты зондирующей
волны. При таком потенциале радара отноше-
ние сигнал/помеха sq в ночное время достигает
5 610 10 .÷ В дневное время sq обычно на 1 2÷ по-
рядка меньше. Радар вместе с персональным ком-
пьютером образует программно-аппаратный ком-
плекс, проводящий измерения и предварительную
обработку отраженного от ионосферы сигнала
в реальном масштабе времени. Измерения выпол-
нены на частотах зондирования 3.2 и 4.2 МГц.
Высотная протяженность отраженного сигнала
существенно превышала величину 2 75cτ ≈ км
(с – скорость света в вакууме). Поэтому исполь-
зовалось стробирование по высоте с дискрет-
ностью 75zΔ = км в диапазоне действующих вы-
сот около 75 450z′ = ÷ км (им соответствовали
истинные высоты 75 300÷ км). В основном ка-
нале амплитуда сигнала принимала максималь-
ные значения, в других каналах она была замет-
но меньше. Обработке подлежал сигнал в основ-
ном канале.
Для общего контроля состояния ионосферы
использовался цифровой ионозонд, расположен-
ный рядом с доплеровским радаром.
Комплексная амплитуда биений колебаний опор-
ного генератора доплеровского радара и отражен-
ного сигнала в цифровом виде (частота опроса
10 Гц) записывалась на носитель информации,
а затем при помощи преобразования Фурье вы-
числялись доплеровские спектры в диапазоне воз-
можных доплеровских сдвигов от –2.5 до +2.5 Гц
на интервале времени 60 c (разрешение по час-
тоте ~ 17 мГц). Потенциальная погрешность
оценки ДСЧ, например при 3 210 10 ,sq = ÷ состав-
ляла 1.8 5.8÷ мГц. При бóльших значениях sq
она была еще меньше. Реальная погрешность
не превышала 8 мГц.
Далее осуществлялась фильтрация и спектраль-
ный анализ временной зависимости ДСЧ в задан-
ном диапазоне периодов. Обнаружению подлежа-
ли колебания с периодом от единиц до 60 мин.
3. Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ
3.1. Ìîäåëü âàðèàöèé ÄÑ×
âûñîêî÷àñòîòíîãî ñèãíàëà
Для основной моды отраженного сигнала в случае
отсутствия внутренней многолучевости предста-
вим вариации ДСЧ ( )df t на интервале наблюде-
ния в виде суперпозиции волновых пакетов (цугов):
( )0
1
( ) ( )cos ,
n
d i i i
i
f t E t t
=
= Ω + ψ∑
где ( )( ) ;{ } ,i j iE t E t= α ( );{ }jE t α – многопара-
метрическая модель огибающей цуга, i – номер
цуга, { }jα – вектор параметров огибающей;
2i iTΩ = π – частота заполнения цуга, iT – пе-
риод; 0iψ – начальная фаза.
В качестве модели огибающей выберем сле-
дующую 4-параметрическую функцию:
2
0
( ; , , , ) ,
21 ( )
c m
c
aE t a m t
t t
τ =
⎡ ⎤
+ −⎢ ⎥τ⎣ ⎦
где а – амплитуда; m – параметр, контролирующий
контрастность края возмущения; 0 2,c it t= + τ
0it – начало цуга; 0τ – длительность цуга. При
2ct t− = τ значение функции ( )E t уменьшается
в два раза относительно значения в точке .ct
Из наблюдений перемещающихся ионосфер-
ных возмущений известно (см., например, [19]),
что длительность возмущений 0τ при небольших
Т составляет несколько периодов, а при 1T ≈ ч
и более Т и 0τ одинаковы по порядку величины.
В качестве тестовой реализации вариации ДСЧ
рассмотрим модельную функцию ( )df t с пара-
метрами:
{ } (0.3;0.2;0.1;0.05;0.04;0.02), Гц;ia =
0{ } (0;320;0;250;100;300), мин;it =
{ } (4;4;4;4;4;4);im =
{ } (120;60;30;15;10;6), мин;iT =
0{ } (0;0;0;0;0;0);iψ =
{ } (2;3;4;5;7;10); 1, 2, ..., , 6;ik i n n= = =
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012 335
Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн
где .i i ik Tτ = Интервал наблюдения равен 7 ч.
На рис. 1, а приведена модельная реализация
( ).df t
В настоящей работе решаются две задачи:
обнаружение волновых (квазипериодических)
процессов (цуга с заданной частотой заполне-
ния) и оценка их параметров. От поставленной
задачи зависит выбор метода решения и его ха-
рактеристик. Если априори неизвестны спект-
ральный состав ДСЧ и его динамика, то на пер-
вом этапе рассчитывается временная последо-
вательность спектров (динамические спектры).
Далее выделяется исследуемая гармоника.
Для определения параметров соответствующе-
го цуга проводится полосно-пропускающая филь-
трация вариаций ДСЧ. Спектральный анализ
Рис. 1. Модельные вариации ДСЧ: без фильтрации и в отсутствие шума (а); после полосно-пропускающей фильтрации и в
отсутствие шума (б); после полосно-пропускающей фильтрации при наличии аддитивной помехи в виде нормального белого шума
с отношением сигнал/шум 2q = (в); 1q = (г) и 0.5q = (д). Параметры фильтра: центральная частота – 10 ч–1, полоса – 2 ч–1
336 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012
В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор
и полосно-пропускающая фильтрация в данном
случае не являются альтернативными метода-
ми обработки, а дополняют друг друга. Можно
говорить о системном подходе к решению задачи.
Рассмотрим это подробнее.
3.2. Ïîëîñîâàÿ ôèëüòðàöèÿ ñèãíàëà
При обработке сигнала будем использовать циф-
ровые базисные фильтры Баттеруорта [20]. Если
априори известна частота заполнения искомого
волнового пакета, то для его обнаружения можно
использовать прямую полосно-пропускающую
фильтрацию.
Пусть, например, частота заполнения искомого
цуга равна 110 ч .− На рис. 1, б приведены модель-
ные вариации ДСЧ после полосно-пропускающей
фильтрации 6-полюсным синусным фильтром Бат-
теруорта. Параметры фильтра следующие: цент-
ральная частота равна 110 ч ,− ширина полосы –
12 ч .− На рисунке четко виден цуг с началом
в момент времени 300t ≈ мин, что соответствует
цугу с частотой заполнения, равной 110 ч− и амп-
литудой около 20 мГц. Кроме того, при 0t ≈ появ-
ляется шум с амплитудой около 4 мГц. При этом
отношение сигнал/шум q (по мощности) состав-
ляет около 25, что свидетельствует об уверенном
выделении искомого колебания.
3. 3. Ñïåêòðàëüíûé àíàëèç ñèãíàëà
Если отсутствуют априорные сведения о спектре
сигнала, то предварительно проведем удаление
низкочастотного тренда вариаций ДСЧ в иссле-
дуемой полосе частот. Для этого пропустим ( )df t
через высокочастотный фильтр и выделим диа-
пазон частот, соответствующий акустическим
волнам c частотой 16 чF −> (период 10T < мин).
Положим частоту отсечки фильтра равной 16 ч .−
Полученные вариации ДСЧ подвергнем спект-
ральному анализу. Интервалы анализа динамичес-
ких спектров без перекрытия равны 30 мин.
На рис. 2, а приведены нормированные на
максимальное значение maxS динамические спек-
тры мощности S вариаций ДСЧ. На рис. 2, б при-
ведена зависимость максимумов амплитудных ДС
вариаций ДСЧ от времени.
В динамическом спектре с помером 3sN = появ-
ляется максимум на частоте 16 ч− ( 10T = мин).
Этот максимум наблюдается и на двух последую-
щих спектрах. В спектре с 8sN = обнаружи-
вается максимум на частоте 14 ч− ( 15T = мин).
Максимум на этой частоте наблюдается и на сле-
дующем спектре. В спектре с 10sN = появляет-
ся максимум на частоте 110 ч− ( 6T = мин). Срав-
нивая динамические спектры с параметрами
цугов, можно сделать вывод, что в рассматри-
ваемом диапазоне волн путем комбинирова-
ния процессов фильтрации и спектрального ана-
лиза обнаружены все смоделированные волно-
вые пакеты.
3.4. Âëèÿíèå ñëó÷àéíûõ âàðèàöèé ÄÑ×
Экспериментально полученные временные ва-
риации ДСЧ представляют собой наложение ква-
зипериодических и случайных вариаций ДСЧ.
Возможность выделения первых и оценки их па-
раметров зависит от отношения сигнал/шум q.
При 1q случайные вариации (шумы), естест-
венно, слабо влияют на эффективность обнаруже-
ния и оценку параметров ВВ. Наибольший инте-
рес представляет ситуация когда 1.q ≤ Для оцен-
ки влияния шумов ДСЧ мы провели модельные
исследования.
На рис. 1, в–д приведены вариации ДСЧ на фоне
аддитивной помехи в виде нормального белого
шума со следующими параметрами: среднее
значение равно 0 Гц и стандартное отклонение
0.01,σ = 1 2 22 10 ,−⋅ 0.02 Гц (панели в, г и д соот-
ветственно). При этом отношение сигнал/шум q =
2 22 ,A σ где А – амплитуда гармонического сиг-
нала, имеет значения 2, 1, 0.5 соответственно.
Из рис. 1, в–д видно, что даже при наличии
шумов полезное колебание выделяется достаточ-
но уверенно, если 0.5.q ≥
4. Ðåçóëüòàòû íàáëþäåíèé
4.1. Àêóñòè÷åñêèå âîëíû â àòìîñôåðå
На рис. 3, а, б показано распределение сигнала
с частотой 4.2 МГц по каналам во время наблю-
дений 23 и 24 марта 2010 г. Верхняя дорожка
соответствует первому каналу (действующие вы-
соты 75 150÷ км), следующая – второму и т. д.
На рис. 4, а, б приведены вариации ДСЧ
и амплитуды (пунктир) основной моды сигнала
с частотой 4.2 МГц, принятого с действующих
высот 300 375÷ км (истинные высоты около
200 240÷ км), в период времени, включающий
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012 337
Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн
прохождение солнечного утреннего терминатора
23 и 24 марта 2010 г. Интервал оценки доплеров-
ского спектра биений равен 60 с.
На рис. 5, а приведены нормированные дина-
мические спектры для 23 марта 2010 г, получен-
ные по методике, изложенной выше. Предвари-
тельная полосно-пропускающая фильтрация про-
ведена в полосе 16 12 ч .−÷ Отфильтрованный
временной ряд подвергся спектральному ана-
лизу с предварительным удалением остаточного
низкочастотного тренда. Интервалы анализа
без перекрытия равны 30 мин. На рис. 5, б пока-
заны максимумы соответствующих спектров.
Анализ спектров будем проводить в зависимости
от их максимального значения. Начиная с 15-го
спектра (по времени с 7:00 LT, LT – местное вре-
мя), в спектрах появляются гармоники с часто-
тами 8 и 110 ч ,− что соответствует периодам 7. 5
и 6 мин. Колебания с такими периодами могут
быть вызваны прохождением в атмосфере акус-
тических волн. Источником их генерации может
быть солнечный терминатор. Восход Солнца в
этот день имел место примерно в 05:30, 04:30,
04:10 и 03:40 LT на высотах 0, 100, 200 и 300 км
соответственно.
Из рис. 5, а и б следует, что в спектре с 15sN =
должен наблюдаться цуг с частотой заполнения,
равной 110 ч ,− и амплитудой около 33 мГц.
Пропустим отфильтрованный временной ряд че-
рез полосно-пропускающий фильтр с централь-
ной частотой 110 ч− и полосой 12 ч .− На рис. 6
приведены полученные вариации ДСЧ.
Рис. 2. Нормированные динамические спектры модельных вариаций ДСЧ (а) и вариации их амплитуд (б). Интервал анализа
спектров – 30 мин, без перекрытия. LT – местное время, maxfdA – амплитуда основной спектральной составляющей
338 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012
В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор
Рис. 3. Распределение сигнала высокочастотного зондирования по каналам: а – 23 марта 2010 г., б – 24 марта 2010 г. Верхняя
дорожка соответствует первому каналу (действующие высоты 75 150÷ км), частота зондирования – 4.2 МГц
Рис. 4. Вариации ДСЧ и амплитуды (пунктир) основной моды (4-й канал) высокочастотного сигнала: а – 23 марта 2010 г.,
б – 24 марта 2010 г. Частота зондирования – 4.2 МГц
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012 339
Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн
вают удовлетворительное соответствие резуль-
татов применения спектрального анализа и по-
лосно-пропускающей фильтрации.
Рис. 5. Нормированные динамические спектры вариаций ДСЧ (а) и вариации их амплитуд (б) для 23 марта 2010 г. Интервал
анализа спектров – 30 мин, без перекрытия
Рис. 6. Вариации ДСЧ после полосно-пропускающей фильтрации (параметры фильтра: центральная частота – 110 ч ,−
полоса – 12 ч )− для 23 марта 2010 г.
Из рис. 6 видно, что в данной полосе наблю-
дается максимум ДСЧ с амплитудой около 40 мГц
при 440t ≈ мин. Полученные оценки показы-
340 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012
В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор
4.2. ÂÃÂ â àòìîñôåðå
Методику, изложенную в разделе 3, будем ис-
пользовать для обнаружения низкочастотных ат-
мосферных волн, называемых ВГВ, с периода-
ми более 10 мин. Для устранения высокочастот-
ного шума вначале применим низкочастотный
фильтр к исходному временному ряду. Частота
отсечки фильтра равна 16 ч .− Далее подвергнем
временной ряд спектральному анализу. Интер-
вал анализа равен 60 мин, сдвижка динамичес-
ких спектров – 30 мин. Удалим остаточный поли-
номинальный тренд 2-й степени. На рис. 7, а и б
приведены нормированные динамические спек-
тры и соответствующие им максимумы для
23 марта 2010 г. Максимальное значение дина-
мического спектра, равное 0.2 Гц, наблюдается
в 6:00 LT и соответствует колебаниям с перио-
дом в 20 мин.
На рис. 8, а приведены вариации ДСЧ, пропу-
щенные через полосно-пропускающий фильтр,
параметры которого следующие: центральная
частота равна 13 ч ,− полоса – 11 ч .−
Аналогичные данные, связанные с прохожде-
нием утреннего терминатора, получены для
24 марта 2010 г. На рис. 3, б показано распреде-
ление сигнала по каналам. На рис. 4, б приведены
вариации ДСЧ и амплитуды главного максиму-
ма динамических спектров биений. На рис. 8, б
показаны вариации ДСЧ, пропущенные через
полосовой фильтр с приведенными выше пара-
метрами. Полученные данные подтверждают
появление ВГВ с периодом 20 мин во время
прохождения терминатора.
Рис. 7. Нормированные динамические спектры вариаций ДСЧ (а) и вариации их амплитуд (б) для 23 марта 2010 г. Интервал
анализа спектров – 60 мин, с перекрытием 30 мин
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012 341
Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн
5. Îáñóæäåíèå
Для оценки эффективности фильтрации исполь-
зуется модель вариаций ДСЧ в виде суперпози-
ции квазигармонических цугов с различными
периодами, амплитудами, временами появления
и длительностями. Зависимость амплитуды и дли-
тельности от периода берется из эксперименталь-
ных данных. На рис. 1, а приведены исходные
вариации ДСЧ. В предположении, что частота
заполнения искомого цуга в диапазоне акустичес-
ких волн на высотах ионосферы 1(6 12 ч )−÷ из-
вестна априори и равна 110 ч ,− проводится полос-
но-пропускающая фильтрация. На рис. 1, б приве-
дены вариации ДСЧ после фильтрации. Шумы
при 0 30t = ÷ с связаны с краевым эффектом
и конечностью времени установления фильтра.
Из рис. 1, б определяется время появления, дли-
тельность и амплитуда искомого цуга. Амплитуда
цуга находится из оценки спектральной плотности
S мощности по формуле
2 ,A S
M
=
где M – число независимых отсчетов.
Полученные результаты соответствуют модель-
ным данным. Рис. 1, в–д демонстрируют влияние
аддитивного белого шума (случайных вариаций
ДСЧ) на обнаружение искомого цуга. Из рисунков
следует, что при отношении сигнал/шум (по мощ-
ности) 0.5q > цуг обнаруживается с помощью
полосно-пропускающей фильтрации.
При отсутствии априорных сведений о спектре
вариаций ДСЧ предварительно проводится спект-
ральный анализ в исследуемом диапазоне час-
тот, например для акустических волн. Интервал
анализа спектра для этого диапазона выбирается
равным 30 мин. Низкочастотный тренд удаляется.
Спектральный анализ модельных вариаций ДСЧ по-
зволил обнаружить все цуги в заданном диапазоне.
Заметим, что при наличии широкополосных по-
мех (резких скачков ДСЧ) полосно-пропускающая
фильтрация может приводить к заблуждениям при
поиске гармоник с заданным периодом. Для исклю-
чения таких ситуаций производилась полосно-про-
пускающая фильтрация в соседних спектральных
окнах. При широкополосной помехе амплитуды сиг-
нала в соседних спектральных окнах оказываются
Рис. 8. Вариации ДСЧ после полосно-пропускающей фильтрации (параметры фильтра: центральная частота – 13 ч ,− по-
лоса – 11 ч )− а – 23 марта 2010 г., б – 24 марта 2010 г.
342 ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012
В. Ф. Пушин, Л. Ф. Черногор
соизмеримыми. Это и служит критерием отбра-
ковки искомого волнового цуга.
Соответствие результатов модельных расче-
тов и эксперимента проверено в ходе измерений
вариаций ДСЧ сигнала доплеровского высокоча-
стотного радара во время прохождения солнеч-
ного терминатора. Описанная методика позво-
ляет найти период и амплитуду квазипериодичес-
кого процесса в ионосфере.
Оценим относительную амплитуду возмущений
концентрации электронов Nδ в поле АГВ. Для этого
воспользуемся соотношением из работы [16]:
,
4
da
N
fcT
L f
δ =
π
где с – скорость света в вакууме, Т – период АГВ,
daf – амплитуда ДСЧ на частоте f, L – характер-
ный высотный масштаб изменения .Nδ
При 6T = мин, 30 40daf = ÷ мГц, 4.2f = МГц
и 50L = км имеем 0.14 0.18 %.Nδ ≈ ÷
Для ВГВ с 20T = мин амплитуда ДСЧ
0.15daf = Гц. Тогда 2 %.Nδ ≈ Видно, что значе-
ние Nδ для ВГВ на порядок больше, чем для аку-
стической (инфразвуковой) волны. Такие периоды
и относительные амплитуды возмущений концен-
трации электронов соответствуют результатам
других исследований (см., например, [10–13]).
6. Âûâîäû
1. Продемонстрировано, что совместное приме-
нение спектрального анализа и полосно-пропуска-
ющей фильтрации является эффективным инстру-
ментом для выявления достаточно слабых ВВ
в ионосфере, вызванных распространением акус-
тико-гравитационных волн.
2. Методика позволяет выявить ВВ, которым
соответствует амплитуда ДСЧ не менее ~ 10 мГц,
а амплитуда 0.1 %.Nδ ≥
3. Показано, что движение солнечного тер-
минатора сопровождается колебаниями, которые
соответствуют как акустическим волнам (период
6 7÷ мин), так и ВГВ (период около 20 мин).
4. Относительная амплитуда колебаний концен-
трации электронов в поле акустической волны и
ВГВ была около 0.2 и 2 % соответственно.
Авторы благодарны рецензенту и заместителю
главного редактора журнала академику НАН Ук-
раины А. А. Коноваленко за полезные замечания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
01. Yen K. S. and Liu C. H. Theory of ionospheric waves. –
N.Y., London: Academic Press, 1972. – 464 p.
02. Beer T. Atmospheric waves. – N. Y., Toronto, 1974. – 315 p.
03. Госсард Э. Э., Хук У. Х. Волны в атмосфере. – М.:
Мир, 1978. – 532 с.
04. Сорокин В. М., Федорович Г. В. Физика медленных
МГД-волн в ионосферной плазме. – М.: Энергоиздат,
1982. – 136 с.
05. Chimonas G. Observations of Waves in the Ionosphere //
Planet Space Sci. – 1970. – Vol. 18, No. 4. – P. 591–605.
06. Yen K. C. and Liu C. H. Acoustic gravity waves in the
upper atmosphere // Rev. Geophys. Space Phys. – 1974. –
Vol. 12. – P. 193–216.
07. Francis S. H. Global propagation of atmospheric gravity
waves: a review // J. Atmos. Terr. Phys. – 1975. – Vol. 37,
No. 6-7. – P. 1011–1054.
08. Пономарев Е. А., Ерущенков А. И. Инфразвуковые вол-
ны в атмосфере Земли (Обзор) // Изв. вузов. Радиофи-
зика. – 1977. – T. 20, № 12. – C. 1773–1789.
09. Williams P. J. S. Tides, atmospheric gravity waves and
travelling disturbances in the ionosphere. In: Modern iono-
spheric science. A collection of articles published on the
occasion of the anniversary: “50 years of ionospheric re-
search in Lindau”. – Katlenburg – Lindau: EGS, 1996. –
P. 136–180.
10. Григорьев Г. И. Акустико-гравитационные волны в ат-
мосфере Земли // Изв. вузов. Радиофизика. – 1999. –
T. 42, № 1. – C. 3–25.
11. Бурмака В. П., Таран В. И., Черногор Л. Ф. Результаты
исследования волновых возмущений в ионосфере мето-
дом некогерентного рассеяния // Успехи современной
радиоэлектроники. – 2005. – № 3. – С. 4–35.
12. Бурмака В. П., Таран В. И., Черногор Л. Ф. Волновые
процессы в ионосфере в спокойных и возмущенных ус-
ловиях. 1. Результаты наблюдений на харьковском ра-
даре некогерентного рассеяния // Геомагнетизм и аэро-
номия. – 2006. – Т. 46, № 2. – С. 193–208.
13. Бурмака В. П., Таран В. И., Черногор Л. Ф. Волновые
процессы в ионосфере в спокойных и возмущенных
условиях. 2. Анализ результатов наблюдений и модели-
рование // Геомагнетизм и аэрономия. – 2006. – Т. 46,
№ 2. – С. 209–218.
14. Ямпольский Ю. М., Зализовский А. В., Литвиненко Л. Н.,
Лизунов Г. В., Гровс К., Молдвин М. Вариации магнит-
ного поля в Антарктике и сопряженном регионе (Но-
вая Англия), стимулированные циклонической актив-
ностью // Радиофизика и радиоастрономия. – 2004. –
Т. 9, № 2. – С. 130–151.
15. Черногор Л. Ф. Современные методы спектрального
анализа квазипериодических и волновых процессов
в ионосфере: особенности и результаты экспериментов //
Геомагнетизм и аэрономия. – 2008. – Т. 48, № 5. –
С. 681–702.
16. Черногор Л. Ф. Радиофизические и геомагнитные эф-
фекты стартов ракет: Монография. – Х.: ХНУ имени
В. Н. Каразина, 2009. – 386 с.
17. Лазоренко О. В., Черногор Л. Ф. Сверхширокополос-
ные сигналы и процессы: Монография. – Х.: ХНУ имени
В. Н. Каразина, 2009. – 576 с.
ISSN 1027-9636. Радиофизика и радиоастрономия. Т. 17, № 4, 2012 343
Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн
18. Галушко В. Г., Кащеев А. С. Импульсное частотно-угло-
вое зондирование перемещающихся ионосферных воз-
мущений // Радиофизика и радиоастрономия. – 2004. –
Т. 9, № 2. – С. 160–171.
19. Гершман Б. Н. Динамика ионосферной плазмы. – М.:
Наука, 1974. – 256 с.
20. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных
рядов. – М.: Мир, 1982. – 428 с.
В. Ф. Пушин, Л. Ф. Чорногор
Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна,
пл. Свободи, 4, м. Харків, 61022, Україна
ВИЯВЛЕННЯ КВАЗІПЕРІОДИЧНИХ ПРОЦЕСІВ
В ІОНОСФЕРІ У ДІАПАЗОНІ
АКУСТИЧНО-ГРАВІТАЦІЙНИХ ХВИЛЬ
Описано методику виділення квазіперіодичних коливань
(цугів хвиль) з часових рядів значень доплерівського зсуву
частоти радіосигналів доплерівського високочастотного ра-
дара вертикального зондування. Для виділення коливань
із суміші сигналу та шуму використовувалась смуго-про-
пускаюча фільтрація разом зі спектральним аналізом. Пока-
зано ефективність виділення коливань, що відповідають
як акустичним, так і внутрішнім гравітаційним хвилям.
Методика застосована для виділення коливань, генерованих
ранковим сонячним термінатором. Продемонстровано,
що рух термінатора супроводжувався коливаннями з періо-
дами 6 7÷ і 20 хв та відносними амплітудами збурень кон-
центрації електронів близько 0.2 та 2 % відповідно.
V. F. Pushin and L. F. Chernogor
V. Kazarin National University of Kharkiv,
4, Svoboda Sq., Kharkiv, 61022, Ukraine
DETECTING OF QUASI-PERIODIC OSCILLATIONS
IN THE IONOSPHERE WITHIN
THE ACOUSTIC-GRAVITY WAVES RANGE
A technique for estimating parameters of quasi-periodic oscilla-
tions (wave trains) in time series of Doppler shifts acquired
by HF Doppler radar at vertical incidence is presented. The
oscillations were extracted from the mixed signal and background
noise by employing a bandpass filter together with spectral ana-
lysis. The efficiency of extracting oscillations has been shown
for both acoustic and internal gravity waves. The technique has
been used for extracting oscillations generated by the dawn ter-
minator. The terminator has been demonstrated to be associated
with oscillations of electron density with 6 7÷ and 20-min
periods and amplitudes of 0.2 and 2 %, respectively.
Статья поступила в редакцию 21.06.2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100071 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1027-9636 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:41:03Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Радіоастрономічний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Пушин, В.Ф. Черногор, Л.Ф. 2016-05-15T16:34:41Z 2016-05-15T16:34:41Z 2012 Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн / В.Ф. Пушин, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2012. — Т. 17, № 4. — С. 333-343. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100071 550.388 Описана методика выделения квазипериодических колебаний (цугов волн) из временных рядов значений доплеровского смещения частоты радиосигналов доплеровского высокочастотного радара вертикального зондирования. Для выделения колебаний из смеси сигнала и шума использовалась полосно-пропускающая фильтрация совместно со спектральным анализом. Показана эффективность выделения колебаний, соответствующих как акустическим, так и внутренним гравитационным волнам. Методика применена для выделения колебаний, генерируемых утренним солнечным терминатором. Продемонстрировано, что движение терминатора сопровождалось колебаниями с периодами 6÷7 и 20 мин и относительными амплитудами возмущений концентрации электронов около 0.2 и 2 % соответственно. Описано методику виділення квазіперіодичних коливань (цугів хвиль) з часових рядів значень доплерівського зсуву частоти радіосигналів доплерівського високочастотного радара вертикального зондування. Для виділення коливань із суміші сигналу та шуму використовувалась смуго-пропускаюча фільтрація разом зі спектральним аналізом. Показано ефективність виділення коливань, що відповідають як акустичним, так і внутрішнім гравітаційним хвилям. Методика застосована для виділення коливань, генерованих ранковим сонячним термінатором. Продемонстровано, що рух термінатора супроводжувався коливаннями з періодами 6÷7 і 20 хв та відносними амплітудами збурень концентрації електронів близько 0.2 та 2 % відповідно. A technique for estimating parameters of quasi-periodic oscillations (wave trains) in time series of Doppler shifts acquired by HF Doppler radar at vertical incidence is presented. The oscillations were extracted from the mixed signal and background noise by employing a bandpass filter together with spectral analysis. The efficiency of extracting oscillations has been shown for both acoustic and internal gravity waves. The technique has been used for extracting oscillations generated by the dawn terminator. The terminator has been demonstrated to be associated with oscillations of electron density with 6÷7 and 20-min periods and amplitudes of 0.2 and 2 %, respectively. Авторы благодарны рецензенту и заместителю главного редактора журнала академику НАН Украины А. А. Коноваленко за полезные замечания. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика и радиоастрономия Радиофизика геокосмоса Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн Виявлення квазіперіодичних процесів в іоносфері у діапазоні акустично-гравітаційних хвиль Detecting of Quasi-Periodic Oscillations in the Ionosphere within the Acoustic-Gravity Waves Range Article published earlier |
| spellingShingle | Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн Пушин, В.Ф. Черногор, Л.Ф. Радиофизика геокосмоса |
| title | Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн |
| title_alt | Виявлення квазіперіодичних процесів в іоносфері у діапазоні акустично-гравітаційних хвиль Detecting of Quasi-Periodic Oscillations in the Ionosphere within the Acoustic-Gravity Waves Range |
| title_full | Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн |
| title_fullStr | Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн |
| title_full_unstemmed | Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн |
| title_short | Обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн |
| title_sort | обнаружение квазипериодических процессов в ионосфере в диапазоне акустико-гравитационных волн |
| topic | Радиофизика геокосмоса |
| topic_facet | Радиофизика геокосмоса |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100071 |
| work_keys_str_mv | AT pušinvf obnaruženiekvaziperiodičeskihprocessovvionosferevdiapazoneakustikogravitacionnyhvoln AT černogorlf obnaruženiekvaziperiodičeskihprocessovvionosferevdiapazoneakustikogravitacionnyhvoln AT pušinvf viâvlennâkvazíperíodičnihprocesívvíonosferíudíapazoníakustičnogravítacíinihhvilʹ AT černogorlf viâvlennâkvazíperíodičnihprocesívvíonosferíudíapazoníakustičnogravítacíinihhvilʹ AT pušinvf detectingofquasiperiodicoscillationsintheionospherewithintheacousticgravitywavesrange AT černogorlf detectingofquasiperiodicoscillationsintheionospherewithintheacousticgravitywavesrange |