Solar-Terrestrial Physics Solar-Terrestrial Physics Солнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics 2712-9640 29757 10.12737/szf-61202009 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Features of Ne recovery at the Irkutsk Incoherent Scatter Radar Особенности метода восстановления Ne на Иркутском радаре некогерентного рассеяния Алсаткин Сергей Сергеевич Alsatkin Sergei Sergeevich alss@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0003-0660-8474 Медведев Андрей Всеволодович Medvedev Andrey Vsevolodovich medvedev@iszf.irk.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-0847-3553 Ратовский Константин Геннадьевич Ratovsky Konstantin Gennadyevich ratovsky@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 6 1 97 110 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/29757/view

В статье представлен новый метод восстановления профиля электронной концентрации (Ne) по данным Иркутского радара некогерентного рассеяния (ИРНР). Данный метод разработан с учетом эффекта Фарадея — вращения плоскости поляризации волны, приводящего к замираниям сигнала на выходе линейно поляризованной антенны ИРНР. Концепция метода заключается в фитировании высотного хода электронной концентрации параметрической моделью. В качестве модели использовалась комбинация двух слоев Чепмена. Данный подход позволил реализовать полностью автоматический режим обработки данных и повысить устойчивость восстановления профиля Ne, особенно по данным, полученным в период низкой солнечной активности, когда отношение сигнал/шум мало. Повышение точности стало возможным благодаря исключению ряда операций, приводящих к неустойчивости восстановления данных в присутствии шумов. Новый метод позволил в полностью автоматическом режиме провести обработку длинных рядов данных в период 2007–2015 гг.

The article presents a new method of restoring the electron density profile (Ne) according to data from the Irkutsk Incoherent Scatter Radar (IISR). This method has been developed taking into account the Faraday rotation of the polarization plane, which leads to fading at the output of the IISR linearly polarized antenna. The concept of the method consists in fitting a height variation of electron density by a parametric model. As the model, a combination of two Chapman layers was used. This approach made it possible to implement a fully automatic data processing mode and increase the stability of the recovery of the Ne profile, especially according to data obtained during a period of low solar activity when the signal-to-noise ratio is low. Accuracy was increased by eliminating a number of operations leading to instability of data recovery in the presence of noise. The new method enabled fully automatic processing of long data series in the period 2007–2015.

 некогерентное рассеяние ионосфера электронная концентрация слой Чепмена incoherent scatter ionosphere electron density Chapman layer

Алсаткин С.С., Медведев А.В., Ратовский К.Г. Особенности поведения ионосферы вблизи максимума ионизации по данным Иркутского радара некогерентного рассеяния для низкой и умеренной солнечной активности // Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, № 3. C. 28-36. DOI: 10.12737/11450. Akhiezer A.I., Akhiezer I.A., Polovin P.B., Sitenko A.G., Stepanov K.N. Elektrodinamika plazmy [Electrodynamics of plasma]. Moscow, Nauka Publ., 1974, 719 p. (In Russian). Ахиезер А.И., Ахиезер И.А., Половин P.B. и др. Электродинамика плазмы. М.: Наука, 1974. 719 с. Alsatkin S.S., Medvedev A.V., Ratovsky K.G. Some peculiarities in the ionosphere dynamics near the ionization maximum from Irkutsk Incoherent Scatter Radar data for low and moderate solar activities. Solar-Terr. Phys. 2015, vol. 1, iss. 3, pp. 28-36. DOI: 10.12737/11450. (In Russian). Бернгардт О.И. Радиолокационные уравнения в задаче однократного обратного рассеяния радиоволн: дис. … к.ф.-м.н. Иркутск, 2000. 145 с. Bard Y. Nonlinear Parameter Estimation. New York, Academic Press, 1974, 341 p. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. 685с. Berngardt O.I. Radiolokatsionnye uravneniya v zadache odnokratnogo obratnogo rasseyaniya radiovoln: dis. … k.f.-m.n. [Radar equations in the problem of single backscattering of radio waves: Ph. D. thesis (in Phys. and Math.)]. Irkutsk, 2000, 145 p. (In Russian). Григоренко Е.И. Исследования ионосферы по наблюдениям эффекта Фарадея при некогерентном рассеянии радиоволн // Ионосферные исследования. 1979. Т. 27. С. 60-73. Bilitza D., Reinisch B. International Reference Ionosphere 2007: Improvements and new parameters. J. Adv. Space Res. 2008, vol. 42, no. 4, pp. 599-609. DOI: 10.1016/j.asr.2007. 07.048. Даффет-Смит П. Практическая астрономия с калькулятором. М.: Мир, 1982. 176 с. Daffet-Smit P. Prakticheskaya astronomiya s kal’kulyatorom. Moscow, Mir Publ., 1982. 176 p. (In Russian). (English edition: Duffett-Smith P. Practical Astronomy with Your Calculator. Cambridge University Press, 1988. 200 p.) Жеребцов Г.А., Заворин А.В., Медведев А.В. и др. Иркутский радар некогерентного рассеяния // Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47, № 11. С. 1339-1345. Dennis J.E., Schnabel R.B. Numerical methods for unconstrained optimization and nonlinear equation. Englewood Cliffs, Prentice-Hall, 1983, 378 p. Клименко В.В., Клименко М.В., Брюханов В.В. Численное моделирование электрического поля и зонального тока в ионосфере Земли - постановка задачи и тестовые расчеты // Математическое моделирование. 2006. Т. 18, № 3. С. 77-92. Dougherty J.P., Farley D.T. A Theory of incoherent scattering of radio waves by a plasma. Proc. of the Royal Society of London. Ser. A: Math., Phys. and Engin. Sci. 1961, vol. 259, no. 1296, pp. 79-99. DOI: 10.1098/rspa.1960.0212. Намгаладзе А.А., Кореньков Ю.Н., Клименко В.В. и др. Глобальная численная модель термосферы, ионосферы и протоносферы Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1990. Т. 30, № 4. С. 612-619. Evans J.V. Theory and practice of ionosphere study by Thomson scatter radar. Proc. IEEE. 1969, vol. 57, pp. 496-530. Потехин А.П., Медведев А.В., Заворин А.В. и др. Развитие диагностических возможностей Иркутского радара некогерентного рассеяния // Космические исследования. 2008. Т. 46, № 4. С. 356-362. Ginzburg V.L. Rasprostranenie elektromagnitnykh voln v plazme [Propagation of electromagnetic waves in a plasma]. Moscow, Nauka Publ., 1967, 685 p. (In Russian). Суни А.Л., Терещенко В.Д., Терещенко Е.Д., Худукон Б.З. Некогерентное рассеяние радиоволн в высокоширотной ионосфере. Апатиты, 1989. 182 с. Grigorenko E.I. Investigation of the ionosphere by observing the Faraday effect in incoherent scattering of radio waves. Ionosfernye issledovaniya [Ionospheric Research]. 1979, vol. 27, pp. 60-73. (In Russian). Ткачев Г.Н., Розуменко В.Т. Эффект Фарадея некогерентного рассеяния радиолокационных сигналов // Геомагнетизм и аэрономия. 1972. Т. 12, № 4. С. 657-661. 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. 03, pp. 435-447. DOI: 10.1029/91RS02922. Шпынев Б.Г. Методы обработки сигналов некогерентного рассеяния с учетом эффекта Фарадея: дис. … к.ф.-м.н. Иркутск, 2000. 142 с. Klimenko V.V., Klimenko M.V., Bryukhanov V.V. Numerical simulation of the electric field and zonal current in the Earth’s ionosphere - statement of the problem and test calculations. Matematicheskoe modelirovanie [Mathematical modeling]. 2006, vol. 18, no. 3, pp. 77-92. (In Russian). Bard Y. Nonlinear Parameter Estimation. New York, Academic Press, 1974. 341 p. Korenkov Y.N., Klimenko V.V., Forster M., Bessarab F.S., Surotkin V.A. Calculated and observed ionospheric parameters for Magion-2 passage above EISCAT on July 31 1990. J. Geophys. Res. 1998, vol. 103, no. A7, pp. 14,697-14,710. DOI: 10.1029/98JA00210. Bilitza D., Reinisch B. International Reference Ionosphere 2007: Improvements and new parameters // J. Adv. Space Res. 2008. V. 42, N 4. P. 599-609. DOI: 10.1016/j.asr.2007.07.048. Lehtinen M.S., Huuskonen A. General incoherent scatter analysis and GUISDAP. J. Atmos. Terr. Phys. 1996, vol. 58, no. 1-4, pp. 435-452. DOI: 10.1016/0021-9169(95)00047-X. Dennis J.E., Schnabel R.B. Numerical methods for unconstrained optimization and nonlinear equation. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1983. 378 p. Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., Alsatkin S.S., Shcherbakov A.A. Studying of the spatial-temporal structure of wavelike ionospheric disturbances on the base of Irkutsk Incoherent Scatter Radar and digisonde data. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2013, vol. 105-106, pp. 350-357. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.09.001. Dougherty J.P., Farley D.T. A Theory of incoherent scattering of radio waves by a plasma // Proc. of the Royal Society of London. Ser. A: Math., Phys. and Engin. Sci. 1961. V. 259, iss. 1296. P. 79-99. DOI: 10.1098/rspa.1960.0212. Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., Alsatkin S.S., Shcherbakov A.A. A statistical study of internal gravity wave characteristics using the combined Irkutsk Incoherent Scatter Radar and digisonde data. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2015, vol. 132, pp. 13-21. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.06.012. Evans J.V. Theory and practice of ionosphere study by Thomson scatter radar // Proc. IEEE. 1969. V. 57. P. 496-530. Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., Oinats A.V., Alsatkin S.S., Zherebtsov G.A. Relation of internal gravity wave anisotropy with neutral wind characteristics in the upper atmosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017, vol. 122, no. 7, pp. 7567-7580. DOI: 10.1002/2017JA024103. Holt J.M., Rhoda D.A., Tetenbaum D., van Eyken A.P. Optimal analysis of incoherent scatter radar data // Radio Sci. 1992. V. 27, N 03. P. 435-447. DOI: 10.1029/91RS02922. Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., Kushnarev D.S. Method for studying the spatial-temporal structure of wave-like disturbances in the ionosphere. Geomagnetism and Aeronomy. 2009, vol. 49, no. 6, pp. 775-785. DOI: 10.1134/S0016793209060115. Korenkov Y.N., Klimenko V.V., Forster M., et al. Calculated and observed ionospheric parameters for Magion-2 passage above EISCAT on July 31 1990 // J. Geophys. Res. 1998. V. 103, N A7. P. 14,697-14,710. DOI: 10.1029/98JA00210. Namgaladze A.A., Korenkov Yu.N., Klimenko V.V., Karpov I.V., Bessarab F.S., Surotkin V.A., Glushchenko T.A., Naumova N.M. Global numerical model of the thermosphere, ionosphere and protonosphere of the Earth. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1990, vol. 30, no. 4, pp. 612-619. (In Russian). Lehtinen M.S., Huuskonen A. General incoherent scatter analysis and GUISDAP // J. Atmos. Terr. Phys. 1996. V. 58, N 1-4. P. 435-452. DOI: 10.1016/0021-9169(95)00047-X. Potekhin A.P., Medvedev A.V., Zavorin A.V., Kushnarev D.S., Lebedev V.P., Shpynev B.G. Development of diagnostic capabilities of the Irkutsk Incoherent Scattering Radar. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Research]. 2008, vol. 46, no. 4, pp. 356-362. (In Russian). Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., Kushnarev D.S. Method for studying the spatial-temporal structure of wave-like disturbances in the ionosphere // Geomagnetism and Aeronomy. 2009. V. 49, N 6. P. 775-785. DOI: 10.1134/S0016793209060115. 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, no. 7, pp. 1011-1021. DOI: 10.1134/S0016793209070299. Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., et al. Studying of the spatial-temporal structure of wavelike ionospheric disturbances on the base of Irkutsk Incoherent Scatter Radar and digisonde data // J. Atmos. Solar.-Terr. Phys. 2013. V. 105-106. P. 350-357. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.09.001. Ratovsky K.G., Medvedev A.V., Tolstikov M.V., Kushnarev D.S. Case studies of height structure of TID propagation characteristics using cross-correlation analysis of incoherent scatter radar and DPS-4 ionosonde data. Adv. Space Res. 2008, vol. 41, no. 9, pp. 1453-1457. DOI: 10.1016/j.asr.2007.03.008. Medvedev A.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., et al. A statistical study of internal gravity wave characteristics using the combined Irkutsk Incoherent Scatter Radar and digisonde data // J. Atmos. Solar. Terr. Phys. 2015. V. 132. P. 13-21. DOI: 10.1016/j.jastp.2015.06.012. 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, no. 2, pp. 452-460. DOI: 10.1016/j.asr.2016.12.026. Medvedev А.V., Ratovsky K.G., Tolstikov M.V., et al. Relation of internal gravity wave anisotropy with neutral wind characteristics in the upper atmosphere // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. V. 122, N 7. P. 7567-7580. DOI: 10.1002/2017JA024103. Shcherbakov A.A., Medvedev A.V., Kushnarev D.S., Tolstikov M.V., Alsatkin S.S. Calculation of meridional neutral winds in the middle latitudes from the Irkutsk Incoherent Scatter Radar. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015, vol. 120, no. 12, pp. 10,851-10,863. DOI: 10.1002/2015JA021678. Potekhin A.P., Medvedev A.V., Zavorin A.V., et al. Recording and control digital systems of the Irkutsk Incoherent Scatter Radar // Geomagnetism and Aeronomy. 2009. V. 49, N 7. P. 1011-1021. DOI: 10.1134/S0016793209070299. Shpynev B.G. Metody obrabotki signalov nekogerentnogo rasseyaniya s uchetom effekta Faradeya: dis. … k.f.-m.n. [Methods for processing incoherent scattering signals taking into account the Faraday effect: Ph. D. thesis (in Phys. and Math.)]. Irkutsk, 2000, 142 p. (In Russian). Ratovsky K.G., Medvedev A.V., Tolstikov M.V., Kushnarev D.S. Case studies of height structure of TID propagation characteristics using cross-correlation analysis of incoherent scatter radar and DPS-4 ionosonde data // Adv. Space Res. 2008. V. 41, N 9. P. 1453-1457. DOI: 10.1016/j.asr.2007.03.008. Shpynev B.G. Incoherent scatter Faraday rotation measurements on a radar with single linear polarization. Radio Sci. 2004, vol. 39, RS3001. DOI: 10.1029/2001RS002523. Ratovsky K.G., Dmitriev A.V., Suvorova A.V., et al. Comparative study of COSMIC/FORMOSAT-3, Irkutsk Incoherent Scatter Radar, Irkutsk digisonde and IRI model electron density vertical profiles // Adv. Space Res. 2017. V. 60, N 2. P. 452-460. DOI: 10.1016/j.asr.2016.12.026. Suni A.L., Tereshchenko V.D., Tereshchenko E.D., Hudukon B.Z. Nekogerentnoe rasseyanie radiovoln v vysokoshirotnoi ionosfere [Incoherent scattering of radio waves in the high-latitude ionosphere]. Apatity, 1989, 182 p. (In Russian). Shcherbakov A.A., Medvedev A.V., Kushnarev D.S., et al. Calculation of meridional neutral winds in the middle latitudes from the Irkutsk Incoherent Scatter Radar // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2015. V. 120, N 12. P. 10,851-10,863. DOI: 10.1002/2015JA021678. Tarantola A. Inverse Problem Theory. New York, Elsevier Science, 1987, 644 p. Shpynev B.G. Incoherent scatter Faraday rotation measurements on a radar with single linear polarization // Radio Sci. 2004. V. 39, RS3001. DOI: 10.1029/2001RS002523. Tashlykov V.P., Setov A.G., Medvedev A.V., Lebedev V.P., Kushnarev D.S. Ground clutter deducting technique for Irkutsk incoherent scatter radar. 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation (RWP). Kazan, Russia. 2019, pp. 175-178. DOI: 10.1109/RWP.2019.8810369. Tarantola A. Inverse Problem Theory. New York, Elsevier Science, 1987. 644 p. Tkachev G.N., Rozumenko V.T. Faraday effect of incoherent scattering of radar signals. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1972, vol. 12, no. 4, pp. 657-661. (In Russian). Tashlykov V.P., Setov A.G., Medvedev A.V., et al. Ground clutter deducting technique for Irkutsk Incoherent Scatter Radar // 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation (RWP), Kazan, Russia. 2019. P. 175-178. DOI: 10.1109/RWP.2019.8810369. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry: 1. Mathematical structure. J. Geophys. Res. 2002a, vol. 107, no. A8, pp. 12,1-12,15. DOI: 10.1029/2001JA000219. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry: 1. Mathematical structure // J. Geophys. Res. 2002a. V. 107, N A8. Р. 12,1-12,15. DOI: 10.1029/2001JA 000219. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry: 2. Parameterization and fitting to observations. J. Geophys. Res. 2002b, vol. 107, no. A8, pp. 10,1-10,17. DOI: 10.1029/2001JA000220. Tsyganenko N.A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry: 2. Parameterization and fitting to observations // J. Geophys. Res. 2002b. V. 107, N A8. P. 10,1-10,17. DOI: 10.1029/2001JA000220. Vierinen J., Lehtinen M., Orispaa M., Damtie V. General radar transmission codes that minimize measurement error of a static target. IEEE Transactions on Information Theory. 2007, vol. 1, no. 11, pr. 1-7. Vierinen J., Setov A.G., Medvedev A.V., et al. Ground clutter deducting technique for Irkutsk Incoherent Scatter Radar // IEEE Transactions on Information Theory. 2007. V. 1, N 11, P. 1-7. Voronov A.L., Shpynev B.G. Excluding of convolution with sounding impulse in experimental incoherent scatter power profile. Proc. of SPIE.1998, vol. 3583, pp. 414-418. Voronov A.L., Shpynev B.G. Excluding of convolution with sounding impulse in experimental incoherent scatter power profile // Proc. of SPIE. 1998. V. 3583. P. 414-418. Zherebtsov G.A., Zavorin A.V., Medvedev A.V., Nosov V.E., Potekhin A.P., Shpynev B.G. Irkutsk Incoherent Scattering Radar. Radiotekhnika i elektronika [J. Communications Technology and Electronics]. 2002, vol. 47, no. 11, pp. 1339-1345. (In Russian). Zherebtsov G.A., Ratovsky K.G., Klimenko M.V., et al. Diurnal variations of the ionospheric electron density height profiles over Irkutsk: Comparison of the incoherent scatter radar measurements, GSM TIP simulations and IRI predictions // Adv. Space Res. 2017. V. 60. P. 444-451. DOI: 10.1016/j.asr.2016.12.008. Zherebtsov G.A., Ratovsky K.G., Klimenko M.V., Klimenko V.V., Medvedev A.V., Alsatkin S.S., Oinats A.V., Lukianova R.Yu. Diurnal variations of the ionospheric electron density height profiles over Irkutsk: Comparison of the incoherent scatter radar measurements, GSM TIP simulations and IRI predictions. Adv. Space Res. 2017, vol. 60, pp. 444-451. DOI: 10.1016/j.asr.2016.12.008. URL: http://ckp-rf.ru/usu/77733 (дата обращения 30 сентября 2019). URL: http://ckp-rf.ru/usu/77733 (accessed 30 September 2019). URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (дата обращения 30 сентября 2019). URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056 (accessed 30 September 2019).