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.
