Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
В работе приводятся результаты исследований возвратно-наклонного зондирования ионосферы (ВНЗ) на базе многофункционального ЛЧМ-ионозонда, разработанного в ИСЗФ СО РАН. Анализировались экспериментальные данные ВНЗ, полученные в различные сезоны за период 2005–2009 гг. Накопленный массив данных позволяет исследовать особенности распространения сигналов ВНЗ в различных гелиогеофизических условиях. Для анализа и интерпретации сигналов ВНЗ на ионограммах привлекались результаты моделирования характеристик ЛЧМ-сигналов при возвратно-наклонном зондировании ионосферы в рамках волноводного подхода. Были выявлены наиболее характерные типы ионограмм и установлены условия появления того или иного типа в зависимости от времени суток, сезона, направления зондирования, состояния среды. Зимой, весной и осенью преобладают типы ионограмм с сигналами ВНЗ, соответствующими моде распространения посредством отражения от F-слоя ионосферы. В летние периоды регистрируются сигналы, отраженные слоями E или Es. При этом частоты принимаемых сигналов достаточно велики и возможны случаи, когда отражения от слоя F отсутствуют.
ионосфера, ионограмма, распространение радиоволн, возвратно-наклонное зондирование ионосферы
ВВЕДЕНИЕ
Метод возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ) вошел в практику исследования ионосферы наряду с вертикальным и наклонным зондированием, и имеется опыт по его применению для прогнозирования условий распространения радиоволн на линиях радиосвязи и в системах загоризонтной радиолокации. По мощности излучения можно выделить два крайних вида радиотехнических систем, работающих в режиме возвратно-наклонного зондирования. К первому виду относятся системы с излучаемой мощностью свыше 10 кВт, ко второму виду — системы с мощностью меньше 1 кВт. Качество получаемых ионограмм ВНЗ напрямую связано с мощностью излучения: чем выше излучаемая мощность, тем больше отношение сигнал/шум, что позволяет регистрировать с высоким разрешением рассеянные сигналы с больших дальностей, улучшает качество обработки и интерпретации ионограмм. Однако большая передаваемая мощность увеличивает затраты на поддержку работы системы. Кроме того, возникает проблема электромагнитной совместимости зондирующей системы в целом. Для решения проблемы повышения энергетического потенциала станций при ограничении на излучаемую мощность и для обеспечения высокого разрешения по времени в радиолокации широко используются сигналы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) [Варакин, 1970; Кук, Бернфельд, 1971; Sinnott, 1988; Wise, 2004; Earl, Ward, 1987]. В ионосферных исследованиях ЛЧМ-сигналы нашли применение при создании ионозондов, работающих в режимах вертикального, наклонного и возвратно-наклонного зондирования [Brynko et al., 1988; Иванов и др., 2003; Подлесный и др., 2013]. Современные ЛЧМ-ионозонды наклонного зондирования позволяют регистрировать сигналы на протяженных трассах, включая кругосветные [Ivanov et al., 1997; Куркин, 2000; Иванов и др., 2003]. Разработан новый инструмент — ЛЧМ-ионо-зонд-радиопеленгатор, который одновременно измеряет ключевые характеристики ионосферного канала (дистанционно-частотные, амплитудно-частотные и угловые частотные характеристики) во всем диапазоне частот прохождения КВ-радиосигналов. На базе данного инструмента проведены экспериментальные исследования распространения радиоволн на трассах с различной протяженностью и направлением в естественной и искусственно возмущенной ионосфере. Продемонстрированы возможности использования ионозонда-радиопеленгатора для загоризонтной коротковолновой радиолокации ионосферы Земли в планетарном масштабе [Валов и др., 2012; Вертоградов и др., 2013; Урядов и др., 2013]. В режиме возвратно-наклонного зондирования ЛЧМ-ионозонд позволяет регистрировать сигналы, рассеянные земной поверхностью на больших удалениях от излучателя, при относительно малых мощностях передатчика путем использования технологии сжатия сигнала по частоте [Филипп и др., 1991; Ilyin et al., 1996; Иванов и др., 2003]. Многолетний опыт экспериментальных исследований возвратно-наклонного зондирования ионосферы на базе ЛЧМ-ионозонда, разработанного в ИСЗФ СО РАН, выявил потенциальные возможности таких систем для диагностики среды распространения в пределах максимальной дальности одного скачка (~3000–4000 км). [Алтынцева и др., 1990; Ponomarchuk et al., 2009]. В данной работе приведены результаты исследования особенностей возвратно-наклонного зондирования ионосферы в Северо-Восточном регионе России по экспериментальным данным, полученным в различных гелиогеофизических условиях в 2005–2009 гг. Для интерпретации сигналов ВНЗ на ионограммах привлекались результаты моделирования характеристик ЛЧМ-сигналов при возвратно-наклонном зондировании ионосферы в рамках волноводного подхода с использованием модели IRI [Ponomarchuk et al., 2009; Bilitza, Reinisch, 2008; Пономарчук и др., 2014].
1. Алтынцева В.Н., Брынько И.Г., Галкин И.А. и др. Возвратно-наклонное зондирование ионосферы сигналом с линейной частотной модуляцией // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1990. Вып. 92. С. 106.
2. Валов В.А., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. и др. ЛЧМ-ионозонд-радиопеленгатор и его применение в ионосферных исследованиях // Физические основы приборостроения. 2012. Т. 1, № 4(5). С. 24-43.
3. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. М.: Сов. радио, 1970. 376 с.
4. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г. и др. Ионозонд-радиопеленгатор с линейной частотной модуляцией сигнала - новый инструмент для исследования ионосферы и распространения радиоволн // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, № 5. С. 287-306.
5. Грозов В.П., Киселев А.М., Котович Г.В. и др. Программное обеспечение обработки и интерпретации ионограмм зондирования на базе цифрового ЛЧМ-ионозонда // Гелиогеофизические исследования. 2013. Вып. 4. С. 75-85.
6. Иванов В.А., Куркин В.И., Носов В.Е. и др. ЛЧМ-ионозонд и его применение в ионосферных исследованиях // Известия вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 11. С. 919-952.
7. Кабанов Н.И., Осетров Б.И. Возвратно-наклонное зондирование ионосферы. М.: Советское радио, 1965. 112 с.
8. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Теория и применение. М.: Советское радио, 1971. 567 с.
9. Куркин В.И., Носов В.Е., Пономарчук С.Н. и др. Метод оперативной диагностики КВ-радиоканала // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск, 1993. Вып. 100. С. 168-188.
10. Куркин В.И., Носов В.Е., Матюшонок С.М. и др. Особенности распространения кругосветных сигналов на трассах российской сети ЛЧМ-ионозондов в годы низкой и средней солнечной активности // Изв. вузов. Радиофизика. 2000. Т. 43, № 10. С. 843-854.
11. Подлесный А.В., Брынько И.Г., Куркин В.И. и др. Многофункциональный ЛЧМ-ионозонд для мониторинга ионосферы // Гелиогеофизические исследования. 2013. Вып. 4. С. 24-31.
12. Пономарчук С.Н., Ильин Н.В., Пензин М.С. Модель распространения радиоволн в диапазоне частот 1-10 МГц на основе метода нормальных волн // Солнечно-земная физика. 2014. Вып. 25. С. 33-39.
13. Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградова Е.Г. Радарные наблюдения F-рассеяния в среднеширотной ионосфере с помощью ионозонда-радиопеленгатора // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, № 1. С. 1-11.
14. Филипп Н.Д., Блаунштейн Н.Ш., Ерухимов Л.М. и др. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере. Кишинев: Штиинца, 1991. 288 с.
15. Чернов Ю.А. Возвратно-наклонное зондирование ионосферы. М.: Связь, 1971. 204 с.
16. Bilitza D., Reinisch B.W. International Reference Ionosphere 2007: improvements and new parameters // Adv. Space Res. 2008. V. 42. P. 599-609.
17. Brynko I.G., Galkin I.A., Grosov V.P., et al. An automatically controlled data gathering and processing system using an FMCW ionosonde // Adv. Space Res. 1988. V. 8, N 4. P. 121-124.
18. Dyson P.L. A simple method of backscatter ionogram analysis // J. Atmos. Terr. Phys. 1991. V. 53, N 1. P. 75-88.
19. Earl G.F., Ward B.D. The frequency management system of the Jindalee over-the-horizon backscatter HF radar // Radio Sci. 1987. V. 22, N 2. P. 275-291.
20. Grozov V.P., Ilyin N.V., Kotovich G.V., Ponomarchuk S.N. Software system for automatic interpretation of ionosphere sounding data // Pattern Recognition and Image Analysis. 2012. V. 22, N 3. P. 458-463.
21. Ilyin N.V., Khakhinov V.V., Kurkin V.I., et al. The theory of chirp-signal ionospheric sounding // Proc. ISAP’96. Chiba, Japan, 1996. P. 689-692.
22. Ivanov V. A., Ryabova N.A., Shumaev V.V., Uryadov V.P. Forecasting and updating HF channel parameters on the basis of oblique chirp sounding // Radio Sci. 1997. V. 32, N 3. P. 983-988.
23. Ponomarchuk S.N., Kurkin V.I., Oinats A.V. The diagnostics of ionosphere and earth ground surface by backscatter sounding data // PIERS 2009 Moscow Proc. 2009. P. 1307-1310.
24. Ponomarchuk S.N., Grozov V.P., Kotovich G.V., et al. Automatic processing and interpretation of backscatter ionosphere sounding ionograms // Proc. SPIE. 2016. V. 10035, 100351E. DOI:https://doi.org/10.1117/12.2248765.
25. Sinnott D.H. The Development of Over-the-Horizon Radar in Australia. Defence Science & Technology Organisation, 1988. 39 p.
26. Wise J.C. Summary of recent australian radar developments // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 2004. P. 8-10.
