Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
The paper presents a backscatter signal model for Irkutsk Incoherent Scatter Radar (IISR) and proposes a technique for solving the inverse scattering problem to obtain plasma temperatures from IISR data. This solution is validated by setting up the direct scattering problem and simulating it using the Monte-Carlo method. In addition, we can introduce known systematic error sources into the backscatter signal model. This enables us to determine which approaches can be used to recover temperatures correctly. The major task of this study is to identify and methodically correct the errors that can distort the obtained temperatures. We also report the results of testing of the developed technique for determining temperatures from IISR experimental data. The presented model and IISR experimental data can be used to validate techniques for determining other ionospheric plasma parameters.
ion and electron temperatures, incoherent scatter technique, incorrect inverse problems
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее информативных инструментов наземной диагностики ионосферы над Сибирским регионом является Иркутский радар некогерентного рассеяния (ИРНР). История ИРНР началась в 1993 г., когда радиолокационная станция «Днепр» была переоборудована для выполнения научных задач. К 2014 г. была проведена глубокая модернизация приемного, регистрирующего, обрабатывающего и управляющего оборудования радара, что значительно увеличило его диагностические возможности [Potekhin et al., 2009; Медведев, 2014]. Модернизация не проводилась только на антенной системе, представляюшей собой H-секториальный рупор, который запитывается волноводно-щелевой системой с ребристо-замедляющей структурой [Жеребцов и др., 2002]. Такая система позволяет излучать сигнал одной строго линейной поляризации в диапазоне рабочих частот 152–162 МГц, что не является вполне традиционным для метода НР и создает дополнительные сложности при определении параметров ионосферной плазмы.
Метод некогерентного рассеяния (НР) заключается в регистрации и последующей обработке обратного сигнала, рассеянного в среде при излучении заданной последовательности коротких импульсов. В отличие от традиционной радиолокации, где предметом исследования является дальность до сосредоточенного объекта, радар НР изучает ионосферу — пространственно-распределенный объект, охватывающий практически всю область видимости радара. Поэтому при обработке сигнала необходимо учитывать пространственно-временную конфигурацию рассеяния (рис. 1). Исследование статистических характеристик сигнала обратного рассеяния позволяет получить информацию о физическом состоянии плазмы ионосферы: высотное распределение концентрации, ионных и электронных температур, ионного дрейфа и т. д.
Физически сигнал обратного рассеяния формируется в результате интерференции сигналов, рассеянных на тепловых флуктуациях диэлектрической проницаемости плазмы. Такие флуктуации принято считать стохастическими, а распределение тепловых скоростей электронов — максвелловским. На основе этих допущений построена теория метода НР [Evans, 1969], а знание функции распределения скоростей электронов позволяет аналитически получить выражение для спектра рассеяния сигнала в плазме [Шеффилд, 1978]. Однако в действительности движения электронов ионосферной плазмы могут не быть полностью независимыми, т. е. их траектории частично коррелируют, при этом масштабы корреляции зависят от соотношения длины волны радара и радиуса Дебая, ионных и электронных температур, а также от внешнего магнитного поля ионосферной плазмы. Существуют так называемые «коллективные эффекты» — проявления пространственной и временной корреляции между частицами ионосферной плазмы, которые могут искажать форму спектра сигнала обратного рассеяния когерентной составляющей, увеличивая систематическую погрешность метода. Несмотря на это, сложности, возникающие в результате таких коллективных эффектов и отраженные в доплеровском спектре «не вполне некогерентного рассеяния», могут дать большое количество дополнительной информации об ионосфере при наличии корректной модели прямой задачи [Kudeki, Milla, 2012].
Ввиду случайного характера тепловых флуктуаций плазмы спектр или автокорреляционную функцию (АКФ) принятого сигнала необходимо усреднить в промежутке времени, в течение которого ионосферу при-нято считать неизменной. На практике для получения спектра сигнала с приемлемой дисперсией необходимо усреднение (в зависимости от отношения сигнал/шум) более 2000 реализаций (циклов излучение—прием сигнала). Для ИРНР длительность зондирующего импульса составляет от 200 до 900 мкс, а время регистрации сигнала — около 8 мс, что соответствует дальности 1200 км. При частоте повторения импульсов 24.4 Гц и коэффициенте заполняемости ~20 % требуется около 5 мин, чтобы накопить 3–4 тысячи реализаций. Как видно из рис. 1, пространственное разрешение восстанавливаемых профилей определяется длительностью излученного импульса.
Главная цель представленного исследования — разработка алгоритма поиска и устранения систематических погрешностей метода НР. Алгоритм должен учитывать конструктивные особенности ИРНР, а именно — наличие только одной линейной поляризации сигнала. В основе предложенного алгоритма лежит математическая модель сигнала обратного рассеяния, которая уже применялась для исследования возможности применения кодовых импульсных последовательностей на ИРНР для получения профиля электронной концентрации [Alsatkin et al., 2009]. В данной работе основное внимание уделено простой импульсной форме излученного сигнала — только в этом режиме ИРНР на данный момент воз-можно восстановление профилей ионных и электронных температур. Предложенный нами метод можно развивать применительно к оценке других параметров ионосферной плазмы: например ионного состава, направления и величины скоростей дрейфа и электрических полей плазмы. Он также перспективен с точки зрения исследований неоднородностей ионосферы, поскольку вызываемые ими коллективные эффекты достаточно просто интерпретировать в модели сигнала обратного рассеяния.
1. Alsatkin S.S., Medvedev A.V., Kushnarev D.S. Analyzing the characteristics of phase shift keyed signals applied to the measurement of an electron concentration profile using the radiophysical model of the ionosphere. Geomagnetism and Aeronomy. 2009. vol. 49, no. 7 (Special Iss. 1). pp. 1022-1027. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793209070305.
2. Berngardt O.I., Kushnarev D.S. Effective subtraction technique at the Irkutsk Incoherent Scatter Radar: Theory and experiment. J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2013, vol. 105-106, pp. 293-298. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2013.03.023.
3. Berngardt O.I., Potekhin A.P. Radar equations in the radio wave backscattering problem. Radiophysics and quantum electronics. 2000. vol. 43, iss. 6, pp. 484-492. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02677176.
4. Dougherty J.P., Farley D.T. A theory of incoherent scatter of radio waves by a plasma. J. Geophys. Res. 1963, vol. 66, no. 19, pp. 5473-5486.
5. Evans J.V. Theory and practice of Ionosphere study by Thomson scatter radar. Proc. IEEE. 1969, vol. 57, no. 4, pp. 496-530. DOI:https://doi.org/10.1109/PROC.1969.7005.
6. Farley D.T. Incoherent scatter correlation function measurements. Radio Sci. 1969, vol. 4, no. 10, pp. 935-953. DOI:https://doi.org/10.1029/RS004i010p00935.
7. Holt J.M., Rhoda D.A., Tetenbaum D., van Eyken A.P. Optimal analysis of incoherent scatter radar data. Radio Sci. 1992, vol. 27, no. 3, pp. 435-447. DOI:https://doi.org/10.1029/91RS02922.
8. Hysell D.L., Rodrigues F.S., Chau J.L., Huba J.D. Full profile incoherent scatter analysis at Jicamarca. Annales Geophysicae. 2008. vol. 26, iss.1, pp. 59-75. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-26-59-2008.
9. Kudeki E., Milla M.A. Incoherent scatter radar - spectral signal model and ionospheric applications. Doppler Radar Observations - Weather Radar, Wind Profiler, Ionospheric Radar, and Other Advanced Applications. InTech, 2012, Chap. 16, pp. 377-406. DOI:https://doi.org/10.5772/2036.
10. Lentinen M.S. Statistical theory of incoherent scatter radar measurements: Ph.D. Thesis. University of Helsinki, 1986, pp. 25-28.
11. Medvedev A.V. Razvitie metodov i apparatnykh sredstv radiofizicheskikh issledovanii verkhnei atmosfery Zemli na Irkutskom radare nekogerentnogo rasseyaniya [Development of methods and hardware of radiophysical investigations of Earth’s upper atmosphere at the Irkutsk Incoherent Scatter Radar]. Dr. Phys. and Math. Sci. Diss. Irkutsk, 2014. 225 p. (In Russian).
12. Potekhin A.P., Medvedev A.V., Zavorin A.V., Kushnarev D.S., Lebedev V.P., Lepetaev V.V., Shpynev B.G. Recording and control digital systems of the Irkutsk Incoherent Scatter Radar. Geomagnetism and Aeronomy. 2009, vol. 49, iss. 7, pp. 1011-1021. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793209070299.
13. Rogozhkin E.V. Measuring parameters of ionospheric plasma from correlation function of incoherent scatter signal. Ion-osfernye issledovaniya [Ionospheric Res.] 1979, vol. 27, pp. 46-59.
14. Ratovsky K.G., Dmitriev A.V., Suvorova A.V., Shcherbakov A.A., Alsatkin S.S., Oinats A.V. Comparative study of COSMIC/FORMOSAT-3, Irkutsk incoherent scatter radar, Irkutsk Digisonde and IRI model electron density vertical profiles. Adv. Space Res. 2017, vol. 60, pp. 452-460. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2016.12.026.
15. Sheffield J. Plasma Scattering of Electromagnetic Radiation. 1st Edition. Academic Press, 1975. 318 p. DOI: https://doi.org/10.1016/C2013-0-07592-5
16. Shpynev B.G. Incoherent scatter Faraday rotation measurements on a radar with single linear polarization. Radio Sci. 2004, vol. 39, no. 3, pp. 1-8. DOI:https://doi.org/10.1029/2001RS002523.
17. Tarantola A. Inverse Problem Theory. 1st Edition. New York, Elseiver Science, 1987, 644 p.
18. Vasilyev R.V., Artamonov M.F., Beletsky A.B., Zherebtsov G.A., Medvedeva I.V., Mikhalev A.V., Syrenova T.E. Registering upper atmosphere parameters in East Siberia with Fabry-Perot Interferometer KEO Scientific “Arinae”. Solar-Terr.Phys. 2017, vol. 3, no. 3, pp. 61-75. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-33201707.
19. Zherebtsov G.A., Zavorin A.V., Medvedev A.V., Nosov V.E., Potekhin A.P., Shpynev B.G. Irkutsk Incoherent Scatter Radar. Radiotekhnika i elektronika [J. of Communications Technology and Electronics]. 2002, vol. 47, 11, pp. 1339-1345. (In Russian).
20. URL: http://hpc.icc.ru (accessed May 22, 2018).
21. URL: http://ckp-rf.ru/usu/77733/ (accessed May 22, 2018).
