Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений

Получено уравнение дистанционного зондирования в методе частичных отражений. Модельно и экспериментально исследованы высотная, частотная, сезонная и суточная зависимости отношения сигнал/помеха для обыкновенной и необыкновенной компонент частично отраженного сигнала. Изучено влияние магнитной активн...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2007
Main Authors:	Панасенко, С.В., Черногор, Л.Ф.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2007
Subjects:	Радиофизика геокосмоса
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8392
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений / С.В. Панасенко, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2007. — Т. 12, № 4. — С. 385-398. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8392
record_format	dspace
spelling	Панасенко, С.В. Черногор, Л.Ф. 2010-05-28T09:28:16Z 2010-05-28T09:28:16Z 2007 Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений / С.В. Панасенко, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2007. — Т. 12, № 4. — С. 385-398. — Бібліогр.: 24 назв. — рос. 1027-9636 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8392 551.51, 550.388.2 Получено уравнение дистанционного зондирования в методе частичных отражений. Модельно и экспериментально исследованы высотная, частотная, сезонная и суточная зависимости отношения сигнал/помеха для обыкновенной и необыкновенной компонент частично отраженного сигнала. Изучено влияние магнитной активности на величину этого отношения. Показано, что результаты модельных и экспериментальных исследований удовлетворительно согласуются между собой. Одержано рівняння дистанційного зондування в методі часткових відбиттів. Проведено модельні та експериментальні дослідження висотної, частотної, сезонної та добової залежностей відношення сигнал/завада для звичайної та незвичайної компонент частково відбитого сигнала. Вивчено вплив магнітної активності на величину цього відношення. Показано, що результати модельних та експериментальних досліджень задовільно узгоджуються між собою. The equation of remote radio sounding in the partial reflection technique has been derived. Model and experimental studies of the height, frequency, season and diurnal dependence of signalto-noise ratio for the ordinary and extraordinary components of partially reflected signals are carried out. The influence of magnetic activity on this ratio is studied. The results of model studies have been shown to be in satisfactory agreement with experimental results. Авторы выражают благодарность Гармашу К. П. и Сомову В. Г. за модернизацию радара ЧО, а также Гритчину А. И. и Подносу В. А. за организацию и проведение систематических измерений. ru Радіоастрономічний інститут НАН України Радиофизика геокосмоса Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений Рівняння дистанційного радіозондування в методі часткових відбиттів Equation of Remote Radio Sounding in the Partial Reflection Technique Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений
spellingShingle	Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений Панасенко, С.В. Черногор, Л.Ф. Радиофизика геокосмоса
title_short	Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений
title_full	Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений
title_fullStr	Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений
title_full_unstemmed	Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений
title_sort	уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений
author	Панасенко, С.В. Черногор, Л.Ф.
author_facet	Панасенко, С.В. Черногор, Л.Ф.
topic	Радиофизика геокосмоса
topic_facet	Радиофизика геокосмоса
publishDate	2007
language	Russian
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
format	Article
title_alt	Рівняння дистанційного радіозондування в методі часткових відбиттів Equation of Remote Radio Sounding in the Partial Reflection Technique
description	Получено уравнение дистанционного зондирования в методе частичных отражений. Модельно и экспериментально исследованы высотная, частотная, сезонная и суточная зависимости отношения сигнал/помеха для обыкновенной и необыкновенной компонент частично отраженного сигнала. Изучено влияние магнитной активности на величину этого отношения. Показано, что результаты модельных и экспериментальных исследований удовлетворительно согласуются между собой. Одержано рівняння дистанційного зондування в методі часткових відбиттів. Проведено модельні та експериментальні дослідження висотної, частотної, сезонної та добової залежностей відношення сигнал/завада для звичайної та незвичайної компонент частково відбитого сигнала. Вивчено вплив магнітної активності на величину цього відношення. Показано, що результати модельних та експериментальних досліджень задовільно узгоджуються між собою. The equation of remote radio sounding in the partial reflection technique has been derived. Model and experimental studies of the height, frequency, season and diurnal dependence of signalto-noise ratio for the ordinary and extraordinary components of partially reflected signals are carried out. The influence of magnetic activity on this ratio is studied. The results of model studies have been shown to be in satisfactory agreement with experimental results.
issn	1027-9636
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8392
citation_txt	Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений / С.В. Панасенко, Л.Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. — 2007. — Т. 12, № 4. — С. 385-398. — Бібліогр.: 24 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT panasenkosv uravneniedistancionnogoradiozondirovaniâvmetodečastičnyhotraženii AT černogorlf uravneniedistancionnogoradiozondirovaniâvmetodečastičnyhotraženii AT panasenkosv rívnânnâdistancíinogoradíozonduvannâvmetodíčastkovihvídbittív AT černogorlf rívnânnâdistancíinogoradíozonduvannâvmetodíčastkovihvídbittív AT panasenkosv equationofremoteradiosoundinginthepartialreflectiontechnique AT černogorlf equationofremoteradiosoundinginthepartialreflectiontechnique
first_indexed	2025-11-26T15:10:10Z
last_indexed	2025-11-26T15:10:10Z
_version_	1850625824686866432
fulltext	Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4, с. 385-398 © С. В. Панасенко, Л. Ф. Черногор, 2007 УДК 551.51, 550.388.2 Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений С. В. Панасенко, Л. Ф. Черногор Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина МОН Украины, 61077, пл. Свободы, 4, г. Харьков, Украина E-mail: Leonid.F.Chernogor@univer.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 27 сентября 2007 г. Получено уравнение дистанционного зондирования в методе частичных отражений. Проведены модельные и экспериментальные исследования высотной, частотной, сезонной и суточной зависи- мостей отношения сигнал/помеха для обыкновенной и необыкновенной компонент частично отра- женного сигнала. Изучено влияние магнитной активности на величину этого отношения. Показано, что результаты модельных и экспериментальных исследований удовлетворительно согласуются между собой. Введение Одним из эффективных методов дистанци- онного радиозондирования (ДР) нижней ионо- сферы (60 90÷ км) является метод частичных отражений (ЧО). Данный метод был предло- жен в 1953 г. Гарднером и Пози [1] и исполь- зуется для высотно-временного мониторинга таких ионосферных параметров, как концент- рация электронов (см., например, [2-4]), часто- та соударений электронов с нейтралами [2], величина и направление скорости атмосферно- го ветра [5-7] и др. В последнее время метод ЧО применяется для выявления и оценки па- раметров волновых возмущений (ВВ) [8-10]. При проектировании и эксплуатации средне- и высокочастотных радаров для ДР методом ЧО важной является априорная информация о высотном диапазоне применимости метода ЧО, его работоспособности в возмущенных усло- виях, а также об оптимальных характеристиках измерительной установки. До настоящего вре- мени этот вопрос решался экспериментальным путем. Поэтому возникла необходимость в на- хождении теоретической зависимости парамет- ров частично отраженного сигнала от различ- ных моделей среды и в их сравнении с резуль- татами экспериментов. Теоретические иссле- дования нужны также для расчета погрешнос- тей определения электронной концентрации, скорости и направления ветра, относительной амплитуды ВВ и др. Целью работы является получение и анализ основного уравнения ДР в методе ЧО, иссле- дование зависимости отношения сигнал/поме- ха от времени суток, сезона и уровня магнит- ной активности, а также сравнение модельных и экспериментальных результатов. Исходные соотношения Как известно [11], основным уравнением ДР называют уравнение, связывающее параметры сигнала с параметрами исследуемого объекта. В нашем случае им является рассеивающий объем, а в качестве параметра радиосигнала удобно выбрать отношение сигнал/помеха по мощности q. Для нахождения q воспользуемся теория- ми ДР и радиолокации (см., например, [11-13]). Определим эффективную площадь рассея- ния (ЭПР) σ объема нижней ионосферы как площадь эквивалентного изотропного рассеи- С. В. Панасенко, Л. Ф. Черногор 386 Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 вателя, создающего то же значение рассеян- ной мощности вблизи рассеивающего объема, что и реальный объект исследования. Плот- ность потока энергии у рассеивающего объе- ма определяется следующим соотношением: 12 1 2 1 , 4 KPG e R −Π = π (1) где P – импульсная мощность передающего устройства; G – коэффициент усиления переда- ющей антенны; 1R – расстояние от передаю- щей системы до цели; 1K – интегральный коэф- фициент поглощения по напряженности поля волны, прошедшей расстояние 1.R Мощность, рассеиваемая целью, составляет: 0 1 .sP = Π σ (2) Плотность потока рассеянной энергии у при- емной антенны равна 2 22 20 2 202 2 . 4 K KsP e e R − −Π = = Π π (3) Здесь 2K – интегральный коэффициент погло- щения по напряженности поля волны на пути от цели до приемной антенны 2 2 20 0 2; 4sR P RΠ = π − то же, что и 2Π в отсутствие поглощения ра- диосигнала. Подставляя (2) в (3), получим окончатель- ное выражение для ЭПР: 22 2 2 22 20 2 2 2 1 1 4 4 4 ,KR e R RΠ Πσ = π = π = π ρ Π Π (4) где 20 1ρ = Π Π – модуль коэффициента отра- жения (рассеяния) радиоволн по мощности. Из соотношения (3) с учетом (1) и (2) следует, что плотность потока энергии 2 2 1 2( , )R RΠ = Π определяется выражением: 1 22( ) 2 2 1 2 . (4 ) K KPG e R R − +σΠ = π (5) В случае излучения вертикально вверх и однопозиционного зондирования 1 2 ,R R h= = 1 2K K K= = и соотношения (4), (5) для ( )hσ и 2 ( )hΠ принимают вид: 24 ,hσ = π ρ 4 2 2 2 . (4 ) KPG e h −σΠ = π Здесь h – высота средней части рассеивающе- го объема. (Обычно высотная протяженность импульсного объема 2 ,c hτ где c – скорость света в вакууме, τ – длительность зондирую- щего импульса.) Мощность сигнала на выходе приемной ан- тенны 4 2 2 2 , (4 ) Ka s a PGSP S e h −σ= Π = π где aS – эффективная площадь приемной ан- тенны. Тогда величина q будет определяться из соотношения: 4 2 2 . (4 ) Ks a n n P PGSq e P h kT f −σ= = π Δ Здесь n nP kT f= Δ – мощность помехи и шума; k – постоянная Больцмана; fΔ – ширина по- лосы пропускания радиоприемного устройства; nT – эквивалентная шумовая температура, определяемая в диапазоне частот 1 10÷ МГц в основном уровнем внешних помех (атмос- ферных, индустриальных, вызванных радиоиз- лучением других радиосистем и т. п.). С учетом потерь afL и ,pL возникающих соответственно в антенно-фидерном тракте и в канале распространения, уравнение ДР при вертикальном зондировании можно записать в общем виде: ( ) 4 22 . 4 Ka af p n PGSq e h L L kT f −σ= π Δ (6) Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений 387Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 Заметим, что множитель pL учитывает другие механизмы ослабления сигнала (кроме погло- щения) при его распространении, например, за счет рассеяния неоднородностями среды. Найдем коэффициент отражения в методе ЧО. Механизм ЧО до настоящего времени диску- тируется. Возможны следующие механизмы: объемное рассеяние радиоволн случайными неоднородностями электронной концентрации с характерным размером ~ ,l λ где λ – длина радиоволны; френелевское отражение радио- волн резкими градиентами показателя прелом- ления n (при этом вертикальный размер неодно- родностей ,zl λ горизонтальные размеры , );x yl λ комбинация двух этих механизмов [14]. Наиболее простые соотношения получаются в случае френелевского механизма. Теория объемного рассеяния более физична и позво- ляет корректно учесть конечность рассеиваю- щего объема. Важно, что теория, учитывающая оба механизма, дает в практически интересных случаях примерно те же результаты, что и две первые теории. Различие в амплитудах ЧО сиг- нала редко превышает 10 % [15]. Будем считать для простоты, что имеет место френелевское отражение радиоволн. Хорошо известно, что при нормальном паде- нии на границу раздела двух сред с показателя- ми преломления 1n и 2n коэффициент отраже- ния по напряженности поля 2 1 2 1 2 1 .E n n n n n n n − Δρ = = + + При 2 1n n n≈ = имеем 2 .E n nρ ≈ Δ Тогда при , 1o xn ≈ среднее по ансамблю реализаций зна- чение модуля ρ равно 2 , , \| \| , 4 o x o x nΔ ρ ≈ (7) где индексы o и x относятся к обыкновенной и необыкновенной компонентам радиоволны, ,o xn и ,o xnΔ – соответственно комплексный показатель преломления и его флуктуации. В квазипродольном приближении теории Эппл- тона–Хартри [16] с учетом кинетических по- правок [17] выражение для n (при 1 1)n − примет следующий вид: 2 1 , 2 2 2 ( )11 2 ( ) ( ) p L o x L B n B ω ω± ω ≈ − − ⎡ ⎤ω ω ± ω + ν⎣ ⎦ 2 2 2 1 . 2 ( ) ( ) p L i A ω ν − ⎡ ⎤ω ω ± ω + ν⎣ ⎦ (8) Здесь 2 fω = π – циклическая частота радиовол- ны, pω – циклическая плазменная частота, Lω – продольная составляющая гирочастоты элект- ронов (как известно, гирочастота является псев- довектором), ν – частота соударений моноэнер- гетических электронов с нейтралами. В выраже- нии (8) 0.84,A = 1 2.18,B = 2 0.76B = [17]. Из (8) находим, что 2 1 , 2 2 2 1 ( ) 2 ( ) ( ) p L o x L Bn B ω ⎛ ω ± ωΔ ≈ − +⎜ω ω ± ω + ν⎝ 2 2 , ( ) ( )L Ni NA ⎞ν Δ+ ⎟ω ± ω + ν ⎠ ( )4 2 2 2 2 12 , 22 2 2 ( )1\| \| , 4 ( ) ( ) p L N o x L B n A ω ω ± ω + ν σ Δ ≈ ⎡ ⎤ω ω ± ω + ν⎣ ⎦ (9) где N – концентрация электронов, NΔ – ее флуктуации, ( )22 N N Nσ = Δ – дисперсия отно- сительных флуктуаций N. При получении со- отношения (9) для простоты полагалось, что 2.A B≈ Подставляя (7) и (9) в (4), получим выра- жение для ЭПР в методе ЧО: ( )2 4 2 2 2 2 1 , 22 2 2 ( ) . 4 ( ) ( ) p L N o x L h B A π ω ω ± ω + ν σ σ = ⎡ ⎤ω ω ± ω + ν⎣ ⎦ (10) С. В. Панасенко, Л. Ф. Черногор 388 Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 С учетом (10) основное уравнение ДР (6) в методе ЧО принимает следующий вид: 2 , 264 a N o x af p n PGSq h L L kT f σ= × π Δ ( ) , 4 2 2 2 1 4 22 2 2 ( ) . ( ) ( ) o xp L K L B e A −ω ω ± ω + ν × ⎡ ⎤ω ω ± ω + ν⎣ ⎦ (11) В случае, если 2 2( ) ,Lω± ω ν выражение (11) упрощается: , 42 4 , 2 2 2 . 64 ( ) o xKpa N o x af p n L PGSq e h L L kT f −ωσ= π Δ ω ω ± ω (12) Если 2 2( ) ,Lω ± ω ν то выражение (11) примет следующий вид: , 42 4 , 2 2 2 2 . 64 o xKpa N o x af p n PGSq e h L L kT f A −ωσ= π Δ ω ν (13) Исходя из (11)–(13), проанализируем зави- симости ,o xq от параметров установки и изуча- емой среды. Видно, что , ,o xq P f P E∝ Δ ≈ τ = т. е. прямо пропорционально энергии зонди- рующего импульса. (Здесь считается, что осуществляется квазиоптимальная фильтра- ция, при которой длительность зондирующих импульсов 1).f −τ ≈ Δ Кроме того, поскольку , ,o x aq GS∝ а ,aS G∝ то ,o xq также прямо про- порционально квадрату коэффициента усиления передающей антенны. Заметим, что 2 , .o xq h−∝ Зависимость от высоты более слабая, чем в радиолокации точечных целей, где 4.q h−∝ Величина 4 ,o x pq ∝ ω и, следовательно, пропор- циональна квадрату электронной концентрации. В нижней ионосфере значение N изменяется на четыре порядка, что приводит к вариациям , ,o xq составляющим восемь порядков величи- ны. Имеет место также сильная зависимость ,o xq от рабочей частоты радара f. В наиболее интересной области высот, где 2 2( ) ,Lω± ω ν 2 2 , ( ) .o x Lq − −∝ ω ω ± ω В частности, при Lω ω получаем, что 4 4 , .o xq f− −∝ ω ∝ Наконец, от- ношение сигнал/помеха линейным образом за- висит от дисперсии флуктуаций электронной концентрации. Результаты компьютерного моделирования Целью компьютерного моделирования было исследование зависимости отношения сигнал/помеха для обыкновенной ( )oq и не- обыкновенной ( )xq компонент частично отра- женного сигнала от высоты, времени суток, а так- же от частоты зондирующей радиоволны в спо- койных и магнитовозмущенных условиях. Такие зависимости позволяют определить высотно- частотный диапазон, для которого метод ЧО яв- ляется эффективным, а значит, и условия, при ко- торых погрешность полученных с его помощью результатов не превышает наперед заданной величины. Модельные профили ( )hν и ( )N h дневной и ночной нижней ионосферы, используемые для получения , ,o xq представлены на рис. 1, а и рис. 2, а соответственно. Они описывают спо- койную ионосферу, а также появление слоев по- вышенной концентрации, вызванных высыпания- ми частиц различных энергий в периоды геомаг- нитных возмущений. В спокойных условиях в дневное время в профиле ( )N h может возни- кать впадина, свидетельствующая о существова- нии слоев С (при 70h ≤ км) и D (при 70h ≥ км). Профиль ( )hν для всех условий принимал- ся одинаковым (см. рис. 1, а). Для простоты считалось, что масштаб изменений ( )hν в пре- делах нижней ионосферы остается неизменным. Это привело к некоторому завышению значений ν на высотах 80 90÷ км, что из-за сильного поглощения радиосигналов при 80h км, одна- ко, не вызвало значительных изменений в ре- зультатах моделирования. Высотные и частотные зависимости отно- шения сигнал/помеха рассчитывались с учетом параметров радара ЧО, расположенного в Ра- Уравнение подобного вида (без учета кинетических поправок A и 1)B впервые было получено и детально проанализировано одним из соавторов, Л. Ф. Черного- ром, в 1972 г. Оно было опубликовано в малодоступ- ной статье. Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений 389Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 диофизической обсерватории Харьковского национального университета имени В. Н. Кара- зина. Значения этих параметров следующие: 10PG ≈ МВт, 510aS ≈ м2, 2.4f = МГц, 60fΔ ≈ кГц. Считалось, что nT равнялась 81.5 10⋅ и 91.5 10⋅ К для дневного и ночного времени суток соответственно [18-20]. Заме- тим, что в ночное время значение ,nP а значит и ,nT на порядок выше, так как уменьшается поглощение радиоволн в ионосфере. Значения Рис. 1. Модельные профили электронной концентрации и частоты соударений моноэнергетических электронов (кружки) (а), высотные зависимости отношения мощностей необыкновенной и обыкно- венной компонент частично отраженного сигнала (б), а также отношений сигнал/помеха для обык- новенной (в) и необыкновенной (г) компонент рассеянного сигнала в дневное время для различных моде- лей среды: спокойные условия (сплошная линия), наличие слоя с максимумом ионизации на высотах 65 км (штриховая линия), 75 км (пунктирная линия) и 85 км (штрих-пунктирная линия) С. В. Панасенко, Л. Ф. Черногор 390 Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 2 Nσ обычно лежат в пределах 4 210 10 .− −÷ Для расчетов было выбрано наиболее вероятное значение 2 310 .N −σ ≈ Поскольку КПД передаю- щей антенны 1 0.5,η ≈ 1 1 2.afL −≈ η ≈ При иссле- довании нижней ионосферы излучаются радио- волны линейной поляризации. Мощности обыкновенной и необыкновенной компонент ра- диоволны при входе в ионосферу составляют , 2 ,o xP P≈ η где 2 0.5.η ≈ Поэтому 1 2 2.pL −≈ η ≈ Высотные профили отношения мощностей необыкновенной и обыкновенной компонент частично отраженного сигнала, с помощью ко- торых определяется электронная концентра- ция по методике дифференциального погло- щения, показаны на рис. 1, б и рис. 2, б для дневного и ночного времени соответственно. Выражение для упомянутого отношения име- ет вид: Рис. 2. То же, что на рис. 1, для ночного времени Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений 391Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 22 2 22 2 ( ) ( ) ( ) ( ) Lx o L AP P A ⎡ ⎤ω + ω + ν⎣ ⎦≈ × ⎡ ⎤ω − ω + ν⎣ ⎦ 2 2 2 1 4( ) 2 2 2 1 ( ) . ( ) x o L K K L B e B − − ⎡ ⎤ω − ω + ν⎣ ⎦× ⎡ ⎤ω + ω + ν⎣ ⎦ Из этих рисунков видно, что днем восста- новление N в спокойных условиях и при появ- лении слоя с максимумом ионизации на высо- те 85 км возможно лишь в диапазоне высот 62 80h ≈ ÷ км. (Напомним, что восстановле- ние N возможно лишь на участке, где с рос- том h отношение x oP P уменьшается [2]). В спокойных условиях принципиально воз- можно восстановление впадины в профиле ( )N h между слоями C и D, находящейся на высотах 65 72÷ км. При появлении слоев с максимумами иони- зации на 75mh = км и 65mh = км верхняя гра- ница этого высотного диапазона уменьшает- ся до 72 и 64 км соответственно. В ночное время в спокойных условиях диапазон высот восстановления N на первый взгляд суще- ственно расширяется. Однако при этом, как будет показано ниже, за счет малых значений ,o xq существенно возрастает погрешность оп- ределения N, что практически затрудняет применение методики дифференциального по- глощения в ночное время суток даже в суще- ственно возмущенных условиях. Высотные зависимости ,o xq для дневного времени суток представлены на рис. 1, в и рис. 1, г соответственно. В спокойных услови- ях величина oq имеет хорошо выраженный мак- симум на высоте 64h ≈ км. Его значение при- ближенно равно 4. Величина xq имеет два мак- симума на высотах 63 и 73 км. Их значения со- ставляют около 2 и 0.5 соответственно. Выше 75 км xq существенно убывает с ростом высо- ты (примерно на 4 порядка уже на 87h ≈ км). В возмущенных условиях зависимости ( )oq h имеют дополнительный максимум, ко- торый располагается ниже максимума иони- зации слоя. Для модельных профилей ( )N h среды, изображенных штриховой, пунктирной и штрих-пунктирной линиями (см. рис. 1, а) мак- симумы отношения сигнал/помеха расположе- ны на высотах 63 км ( 68),oq ≈ 74 км ( 271)oq ≈ и 83 км ( 775).oq ≈ Высотная зависимость ( )xq h для слоя с 65mh = км (штриховая кривая на рис. 1, г) имеет один максимум на высоте 61 км ( 15).xq = Для слоя с максимумом ионизации на высоте 75 км ( )xq h имеет два максимума. Один из них расположен на высоте 63 км, как и при не- возмущенных условиях, а другой – на высоте 71 км ( 1).xq = Появление слоя с максимумом ионизации на высоте 85 км почти не влияет на высотную зависимость ,xq поскольку про- исходит практически полное поглощение не- обыкновенной компоненты частично отражен- ного сигнала в нижележащих слоях. На рис. 2, в и рис. 2, г приведены высотные профили ,o xq для ночного времени. В спокой- ных условиях ,o xq плавно возрастают с уве- личением высоты и достигают при 90h ≈ км значений 0.3 и 0.1 соответственно. Появление слоя с максимумом ионизации на 65mh = км приводит к возникновению мак- симумов отношений сигнал/помеха на высо- тах 66 км ( 3)oq ≈ и 64 км ( 1)xq ≈ соответ- ственно. Для слоя с 75mh = км (пунктирная линия на рис. 2, в и рис. 2, г) максимумы в за- висимостях ,o xq располагаются на высотах 74 км ( 28)oq = и 70 км ( 1).xq ≈ Наибольшие значения отношений сигнал/помеха для слоя, максимум ионизации которого расположен на высоте 85 км, составляют 163oq = ( 84h = км) и 2xq ≈ ( 79h = км). Поведение профилей ,o xq с ростом несу- щей частоты радиосигнала проиллюстриро- вано на рис. 3. Показано, что при 87h ≤ км для обыкновенной компоненты радиосигнала имеет место уменьшение oq с ростом частоты (рис. 3, а). Для необыкновенной компоненты (рис. 3, б) при увеличении несущей частоты происходит уменьшение xq при 70h ≤ км и его увеличение при 85h ≥ км. При изменении f от 1.6 до 6 МГц отношение oq варьируется в пределах 9 0.2,÷ 37 1.5÷ и 177 24÷ на высо- тах 65, 75 и 85 км соответственно, а значения xq на тех же высотах лежат в пределах 2 0.2,÷ 0 1.7÷ и 0 12.÷ С. В. Панасенко, Л. Ф. Черногор 392 Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 Результаты экспериментального исследования отношения сигнал/помеха Краткие сведения о радаре ЧО. Основные технические характеристики радара СЧ–ВЧ диапазонов, расположеного в Радиофизичес- кой обсерватории Харьковского национально- го университета имени В. Н. Каразина,следую- щие: рабочая частота 2 6f = ÷ МГц; частота повторения импульсов 1 100pF = ÷ Гц; шири- на полосы пропускания радиоприемного уст- ройства 60fΔ = кГц; импульсная мощность радиопередающего устройства 100P = кВт; коэффициент усиления антенны 100;G ≈ раз- решение по высоте 3zΔ ≈ км; диапазон иссле- дуемых высот 60 132z = ÷ км. Более подроб- ное их описание, а также схема антенной сис- темы приведены в работах [20, 21]. Методика измерения и обработки. В экс- периментах измерялись временные зависи- мости амплитуд смеси сигнал + помеха snA и помеха nA с временной дискретизацией 0.1 с для обыкновенной и необыкновенной компо- нент сигнала. Далее на интервале времени 15TΔ = мин находились оценки 2 snA и 2.nA После этого для каждой из компонент форми- ровались временные ряды 2 2 2 .sn n n A Aq A −= Относительня погрешность оценки q не пре- вышала 5 %. Зависимости ( )q t для обеих компонент сиг- нала ,( )o xq подлежали дальнейшему анализу. Более подробно результаты исследований статистических характеристик частично отра- женных сигналов и помех описаны в наших работах [20, 22]. Суточная зависимость. На рис. 4 показан пример суточной зависимости oq и xq для ряда высот. В ночное время (не показано на рисунке) обычно , 1,o xq < иногда имели место отдельные всплески ,o xq продолжительностью 5 10÷ мин. Рис. 3. Расчетные зависимости профилей отношения сигнал/помеха для обыкновенной (а) и необыкно- венной (б) компонент от несущей частоты радиосигнала для профиля ,N( h ) изображенного сплошной линией на рис 1, а. Здесь сплошная, штриховая, пунктирная, штрих-пунктирная линии и линия со штри- хом и двумя точками соответствуют частотам 1.6, 3, 4, 5 и 6 МГц Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений 393Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 В дневное время на различных высотах значе- ния oq возрастали до 8 420,÷ а xq – до 4 150÷ соответственно. Интервал времени ,tΔ при ко- тором , 1,o xq > составлял около 8 ч. Для каж- дой высоты наблюдались значительные вариа- ции ,o xq в течение дневного времени суток. Сезонная зависимость. Пример временной зависимости ,o xq для различных сезонов в маг- нитоспокойных условиях представлен на рис. 5. Из рисунка видно, что интервал tΔ изменяет- ся в зависимости от сезона. Он минимален зи- мой и составляет 7 8÷ ч. Весной и летом зна- чения tΔ возрастают до 10 12÷ ч. Максималь- ные значения maxoq варьируются от 20 до 500, Рис. 5. Примеры экспериментальной суточно-се- зонной зависимости отношения сигнал/помеха q на высоте 84 км для весеннего (29.03.2005 г.) (а), лет- него (09.08.2005 г.) (б), осеннего (29.09.2004 г.) (в) и зимнего (01.12.2004 г. (г) и 02.02.2005 г. (д)) вре- мени года. Сплошная линия – ,oq штриховая – xq Рис. 4. Пример экспериментальной суточно-вы- сотной зависимости отношения сигнал/поме- ха q для периода времени года, близкого к зим- нему солнцестоянию (20.01.2005 г.). Сплошная и штриховая линии соответствуют обыкновен- ной oq и необыкновенной xq компонентам соот- ветственно С. В. Панасенко, Л. Ф. Черногор 394 Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 а maxxq – от 5 до 350. Не выявлена статисти- чески значимая зависимость maxoq и maxxq от сезона, поскольку их вариации ото дня ко дню в течение одного сезона в ряде наблюдений превышают сезонные вариации (см, например, рис. 5, г и рис. 5, д). Влияние магнитной активности. На рис. 6 приведены временные зависимости ,o xq при высоком уровне магнитной активности (сум- марный за сутки индекс pK превышал значе- ние 30). В ряде случаев имело место увеличе- ние максимальных значений ,o xq в 5 10÷ раз по сравнению с магнитоспокойными сутками. В магнитовозмущенные дни наблюдались так- же отдельные всплески ,o xq продолжительно- стью 1 2÷ ч. Значения ,o xq в максимумах этих всплесков в 3 6÷ раз превышали их средние значения за время наблюдения (см. рис. 6). Значения maxoq варьировались от 250 до 1800, а maxxq – от 100 до 600. Обсуждение Уравнение дистанционного радиозондирова- ния методом ЧО позволяет установить границы применимости различных методик определения параметров нижней ионосферы. Обычно при исследовании этих параметров относитель- ная погрешность не превышает 30 50 %÷ при , 1 3o xq > ÷ [2, 23]. Как видно из рис. 1 и рис. 2, такие значения ,o xq при спокойных условиях до- стигаются лишь в дневное время на высотах 60 75÷ км. Если используется только обыкно- венная компонента частично отраженного сиг- нала (при определении параметров ветра и ВВ), этот диапазон высот составляет 60 90÷ км. На 60h < км отношение сигнал/помеха малó за счет малых значений N. Уменьшение xq при 75h > км связано с резким возрастанием по- глощения необыкновенной компоненты (увели- чением ).xK При высоком уровне магнитной активности за счет возникновения слоев повышенной иони- зации, вызванных потоками высокоэнергичных частиц, иногда появляется возможность иссле- дования нижней ионосферы и в ночное время (см. рис. 2). Интервал высот, на которых , 1,o xq > обычно ограничивается толщиной слоя и не пре- вышает 5 10÷ км. Заметим, что дневные профили ( )N h (см. рис. 1, а) соответствуют полуденной нижней ионосфере. Поэтому значения N близки к мак- симальным, а высотные интервалы примени- мости методов (методик) исследования па- раметров нижней ионосферы, использующих частично отраженные сигналы, являются ми- нимально возможными. При благоприятных условиях (при уменьшении N, а значит и по- глощения радиосигналов и радиопомех) область применимости этих методов расширяется: 60 85h = ÷ км (при восстановлении профилей ( ))N h и 60 95h = ÷ км (при нахождении ско- рости ветра и параметров ВВ). Рис. 6. Примеры экспериментальной зависи- мости отношения сигнал/помеха q на высоте 84 км для магнитовозмущенных суток в лет- нее (13.07.2005 г.) (а), осеннее (03.09.2005 г. (б), 15.09.2005 г. (в)) и зимнее (19.01.2005 г. (г), и 22.01.2005 г. (д)) время года. Сплошная ли- ния – ,oq штриховая – xq Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений 395Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 Уменьшение oq с ростом частоты при 60 87h = ÷ км указывает на то, что для обык- новенной компоненты в выражении (11) основ- ной вклад дает сомножитель, стоящий перед экспонентой и отвечающий за отражение (рас- сеяние) радиоволн. При этом, как следует из (12) и (13), oq примерно обратно пропорцио- нально 2f − и 4f − соответственно в нижней и верхней частях исследуемого диапазона высот. Для необыкновенной компоненты ситуация иная. На высотах 60 70÷ км поглощение несу- щественно (значение xK – малó), поэтому x xq ∝ ρ и уменьшается с ростом частоты. При 85h ≥ км частотная зависимость xq в основ- ном определяется зависимостью ( ).xK f По- скольку 2,xK f −∝ на этих высотах наблюдает- ся увеличение xq с ростом частоты. Заметим, что при получении зависимостей , ( )o xq f учитывалось лишь влияние ионосфе- ры на величину отношения сигнал/помеха. При этом эквивалентная шумовая температура для простоты считалась постоянной в диапазоне ча- стот 1.6 6÷ МГц. В реальных условиях с рос- том частоты от 1.6 до 6 МГц происходит умень- шение nT примерно на порядок величины (см., например, [19]). Экспериментальные исследования времен- ных зависимостей ,o xq показали, что интервал времени tΔ примерно равен длительности све- тового дня на высотах нижней ионосферы. Этим вызвана сезонная зависимость величины .tΔ Как известно, средние значения N на фиксиро- ванных высотах в диапазоне высот 60 90÷ км в течение года изменяются относительно сла- бо (в 1.5 2÷ раза). В то же время при consth = часто наблюдаются существенные вариации N (на порядок и более) в течение суток или ото дня ко дню, что особенно ярко выражено в зимнее время (зимняя аномалия) [24]. Такие вариации имели место и в наших регистрациях (см. рис. 4-6). Они могут быть связаны с рас- пространением атмосферных волн, источника- ми которых могут служить прохождения погод- ных фронтов, неравномерный прогрев подсти- лающей поверхности, “перепады” космической погоды и др. [3, 4, 24]. Подобие временных из- менений ,o xq на различных высотах (см. рис. 4) указывает на то, что характерный вертикальный масштаб этих изменений составляет не менее нескольких десятков километров. Определенный вклад в вариации ,o xq вно- сит также непостоянство nT в течение време- ни наблюдения. Возрастание уровня магнитной активности часто вызывает увеличение N в нижней ионо- сфере за счет дополнительной ионизации ат- мосферы высокоэнергичными частицами. Это приводит к появлению слоев повышенной иони- зации и нередко носит квазипериодический ха- рактер. Наблюдаемые в эксперименте всплес- ки ,o xq в магниовозмущенные дни (см. рис. 6) могут быть обусловлены появлением таких слоев. Как показали модельные исследования (см. рис. 1), при наличии слоя с повышенным значением N отношения ,o xq могут возрастать на порядок величины и более, что и наблюда- лось нами в экспериментах. Для проверки адекватности основного урав- нения ДР в методе ЧО реальным условиям было проведено сравнение теоретического и экспе- риментального профилей oq для магнитоспо- койных и магнитовозмущенных дней (рис. 7). Из рисунка видно, что профили oq удовлет- ворительно (по порядку величины) согласуют- ся друг с другом. Наблюдаемые различия мо- гут быть вызваны целым рядом причин: погреш- ностями эксперимента, различием модельного и реального профилей N, использованием не- точных значений 2 Nσ и ,nT неучетом зависи- мости 2 ( )N hσ и др. Различие модельного и ре- ального профилей oq в период магнитных воз- мущений при 85h > км может быть вызвано “просачиванием” части энергии зеркально отра- женного сигнала за счет дисперсионного расплы- вания зондирующего импульса и увеличения роли наклонных отражений, а также использованием завышенных значений ν при 80h км. Выводы 1. Получено уравнение ДР ионосферы в методе ЧО. Проанализированы зависимости отношения сигнал/помеха для обыкновенной и необыкновенной компонент радиосигнала от параметров радара и нижней ионосферы. 2. Проведены модельные исследования высотных и частотных зависимостей отноше- ния сигнал/помеха для обыкновенной и нео- быкновенной компонент частично отраженно- го сигнала в спокойных и магнитовозмущенных С. В. Панасенко, Л. Ф. Черногор 396 Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 условиях. Найдены области применимости раз- личных методик получения параметров ниж- ней ионосферы. Показано, что для полуденной ионосферы восстановление профилей ( )N h при помощи методики дифференциального по- глощения возможно на высотах 60 75÷ км, а нахождение профилей параметров атмосфер- ного ветра и ВВ – на высотах 65 90÷ км. 3. Проведены экспериментальные исследо- вания суточной и сезонной зависимостей от- ношения сигнал/помеха. Продемонстрировано, что для различных высот значения q изменя- лись примерно на два порядка. Найдена зависи- мость времени существования частично отра- женного сигнала ,( 1)o xq > от сезона, вызванная различной продолжительностью светового дня. Не обнаружена заметная сезонная зависимость отношения сигнал/помеха. Наблюдались суще- ственные (в 2 10÷ раз) временные вариации , ,o xq которые могли быть вызваны прохожде- нием атмосферных волн с периодами, изменя- ющимися в широких пределах (от 1 ч и более). Показано, что вертикальный размер вызванных ими возмущений составляет не менее несколь- ких десятков километров. 4. При высоком уровне магнитной актив- ности наблюдались всплески ,o xq продолжи- тельностью 1 2÷ ч, которые могут быть свя- заны с образованием слоев повышенной иони- зации под действием высыпающихся высоко- энергичных частиц. Значения ,o xq в максиму- мах всплесков в 5 10÷ раз превышали макси- мальные значения ,o xq в спокойных условиях и в 3 6÷ раз их средние значения за время наблюдения. 5. Проведено сравнение модельных и экс- периментальных высотных профилей отноше- ния сигнал/помеха. Показано, что эти профили удовлетворительно согласуются между собой, что свидетельствует об адекватности получен- ного уравнения ДР. Наблюдаемые различия вызваны рядом причин: погрешностями опре- деления отношения сигнал/помеха, несовпаде- нием модельного и реального профиля элект- ронной концентрации, использованием неточ- ных значений дисперсии относительных флук- туаций электронной концентрации и неучетом ее высотной зависимости, а также использова- нием приближенных значений эквивалентной шумовой температуры. Рис. 7. Сравнение модельных (штриховая линия) и экспериментальных (сплошная линия) профилей от- ношения сигнал/помеха для обыкновенной компоненты частично отраженного сигнала, полученных для магнитоспокойных суток 29.03.2005 г. (а), 29.09.2004 г. (б), а также в период умеренной магнитной бури 22.12.2004 г. (в). При моделировании зависимости oq ( h ) использовался профиль N( h ), показанный на рис. 1 сплошной линией, 2 4 N 2 10−⋅σ = (а) и 2 4 N 8 10−⋅σ = (б), а также профиль N( h ), показанный на рис. 1 штрих-пунктирной линией, 2 4 N 2 10−⋅σ = (в) Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений 397Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 Авторы выражают благодарность Гарма- шу К. П. и Сомову В. Г. за модернизацию рада- ра ЧО, а также Гритчину А. И. и Подносу В. А. за организацию и проведение систематических измерений. Литература 1. Gardner F. F., Pawsey J. L. Study of the ionospheric D-region using partial reflections // J. Atmos. Terr. Phys. – 1953. – Vol. 3, No. 8. – P. 321-324. 2. Иванов В. А. Исследование D-области ионосферы методом частичных отражений. – Йошкар-Ола: ВИНИТИ, 1985. – 196 с. 3. Гоков А. М., Тырнов О. Ф., Черногор Л. Ф. Экспе- риментальное исследование реакции среднеширот- ной D-области ионосферы на рентгеновские и опти- ческие вспышки // Космічна наука і технологія. – 2005. – Т. 11, № 3/4. – С. 56-67. 4. Гоков А. М., Черногор Л. Ф. Вариации концентра- ции электронов в среднеширотной D-области ионос- феры во время магнитных бурь // Космічна наука і технологія. – 2005. – Т. 11, № 5/6. – С. 12-21. 5. Manson A. H., Meek C. E., Hall G., McMurray R. Winds and waves from the Canadian prairies (CNSR) triple-MF radar system // Geophys. Res. Lett. – 1993. – Vol. 20, No. 13. – P. 1375-1378. 6. Namboothiri S. P., Manson A. H., and Meek C. E. Variations of mean winds and tides in the upper middle atmosphere over a solar cycle, Saskatoon, Canada, 52°N, 107°W // J. Atmos. Terr. Phys. – 1993. – Vol. 55, No. 10. – P. 1325-1334. 7. Панасенко С. В., Розуменко В. Т., Тырнов О. Ф., Черногор Л. Ф. Результаты исследования динами- ческих процессов в мезосфере при помощи радара частичных отражений // Успехи современной радио- электроники. – 2005. – №3. – С. 36-54. 8. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Радарные наблю- дения квазипериодических процессов в мезосфере. 1. Теоретические основы и результаты компьютер- ного моделирования // Радиофизика и радиоастро- номия. – 2004. – Т. 9, №4. – С. 404-416. 9. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Радарные методы наблюдения квазипериодических процессов в ме- зосфере. 2. Методика и результаты наблюдения // Радиофизика и радиоастрономия. – 2005. – Т. 10, №1. – С. 38-49. 10. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Выявление вол- новых возмущений в мезосфере с помощью СЧ – ВЧ-радара // Геомагнетизм и аэрономия. – 2006. – Т. 46, №4. – С. 525-535. 11. Черногор Л. Ф. Дистанционное радиозондирова- ние атмосферы и космоса. Учебное пособие. – Харь- ков: ХНУ имени В. Н. Каразина, 2007. – 348 с. 12. Перов А. И. Статистическая теория радиотехни- ческих систем. – М.: Радиотехника, 2003. – 400 с. 13. Фалькович С. Е., Волосюк В. К., Горбуненко О. А. Радиотехнические системы дистанционного зонди- рования. Учебное пособие. – Харьков: Нацио- нальный аэрокосмический университет “ХАИ”, 2002. – 157 с. 14. Gage K. S. On the morphology of the scattering medi- um as seen by MST/ST radars / Handbook for MAP. – 1983. – Vol. 9. – P. 57-68. 15. Мисюра В. А., Пивень Л. А., Федоренко Ю. П. Исследование природы частично отраженных сигна- лов / В кн.: Ускорение частиц и плазменные эффекты в космосе. – Киев: Наукова думка, 1978. – С. 32-48. 16. Budden K. G. The propagation of radio waves: The theory of radio waves of low power in the ionosphere and magnetosphere. – Cambridge, 1988. – XVI, 669 p. 17. Шлюгер И. С., Васьков В. В., Князюк В. С., Ми- лих Г. М. Кросс-модуляция импульсных радиоволн в нижней ионосфере при большой мощности возму- щающего импульса // Геомагнетизм и аэрономия. – 1975. – Т. 18, №5. – С. 673-681. 18. Комарович В. Ф., Сосунов В. Н. Случайные ра- диопомехи и надежность КВ связи. – М.: Связь, 1977. – 136 с. 19. Алебастров В. А., Гойхман Э. Ш., Заморин И. М., Колосов А. А., Корадо В. А., Кузьминский Ф. А., Кукис Б. С. Основы загоризонтной радиолокации. – М.: Радио и связь, 1984. – 256 с. 20. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Статистические характеристики помех, воздействующих на сигна- лы радара частичных отражений // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электро- ники НАН Украины. – 2003. – Т. 8, №2. – С. 295-303. 21. Гармаш К. П., Розуменко В. Т., Тырнов О. Ф., Цым- бал А. М., Черногор Л. Ф. Радиофизические исследо- вания процессов в околоземной плазме, возмущенной высокоэнергичными источниками. Часть 1 // Зарубеж- ная радиоэлектроника. Успехи современной радио- электроники. – 1999. – №7. – С. 3-15. 22. Панасенко С. В., Черногор Л. Ф. Статистические характеристики радиосигналов, принимаемых рада- ром частичных отражений // Радиофизика и элект- роника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. – 2004. – Т. 9, №1. – С. 234-247. 23. Беликович В. В., Бенедиктов Е. А., Вяхирев В. Д., Гончаров Н. П., Гришкевич Л. В. О погрешностях определения концентрации электронов в D-области ионосферы методом частичных отражений // Гео- магнетизм и аэрономия. – 1983. – Т. 23, №2. – С. 202-207. 24. Данилов А. Д., Казимировский Э. С., Вергасова Г. В., Хачикян Г. Я. Метеорологические эффекты в ионос- фере. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – 272 с. С. В. Панасенко, Л. Ф. Черногор 398 Радиофизика и радиоастрономия, 2007, т. 12, №4 Рівняння дистанційного радіозондування в методі часткових відбиттів С. В. Панасенко, Л. Ф. Чорногор Одержано рівняння дистанційного зондуван- ня в методі часткових відбиттів. Проведено модельні та експериментальні дослідження ви- сотної, частотної, сезонної та добової залеж- ностей відношення сигнал/завада для звичайної та незвичайної компонент частково відбитого сигнала. Вивчено вплив магнітної активності на величину цього відношення. Показано, що ре- зультати модельних та експериментальних дос- ліджень задовільно узгоджуються між собою. Equation of Remote Radio Sounding in the Partial Reflection Technique S. V. Panasenko and L. F. Chernogor The equation of remote radio sounding in the partial reflection technique has been derived. Model and experimental studies of the height, frequency, season and diurnal dependence of sig- nal-to-noise ratio for the ordinary and extraordi- nary components of partially reflected signals are carried out. The influence of magnetic activity on this ratio is studied. The results of model stu- dies have been shown to be in satisfactory agree- ment with experimental results.

Уравнение дистанционного радиозондирования в методе частичных отражений

Institution

Similar Items