Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 73914 10.12737/szf-102202410 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Automatic interpretation of oblique sounding ionograms based on hybrid algorithms Автоматическая интерпретация ионограмм наклонного зондирования на основе гибридных алгоритмов https://orcid.org/0000-0002-1371-6855 Пономарчук Сергей Николаевич Ponomarchuk Sergey Nikolaevich spon@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-6472-5006 Грозов Виктор Петрович Grozov Viktor Petrovich grozov@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 25 06 2024 25 06 2024 10 2 109 118 31 01 2024 28 03 2024 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/73914/view

В работе представлен метод интерпретации данных наклонного зондирования ионосферы (НЗ) непрерывным ЛЧМ-сигналом. Разработаны и реализованы гибридные алгоритмы автоматической интерпретации ионограмм по выделенным в результате вторичной обработки данных точкам со значимой амплитудой для различных гелиогеофизических условий. Для условий двуслойной ионосферы разработан метод интерпретации на основе анализа гистограмм распределения точек со значимой амплитудой, попадающих по задержке сигнала в модельную маску, построенную по результатам моделирования дистанционно-частотной характеристики мода распространения, при ее перемещении по ионограмме. Для многослойной ионосферы интерпретация проводится на основе исследования амплитудного рельефа ионограммы. Отдельно рассматриваются алгоритмы выделения треков сигналов, отраженных от спорадических слоев. Приведены результаты интерпретации ионограмм, полученных на сети радиотрасс ЛЧМ-зондирования в северо-восточном регионе России.

The paper presents a method of interpreting data on oblique ionosphere sounding (OS) with a continuous chirp signal. Hybrid algorithms for automatic interpretation of ionograms by selected points with significant amplitude obtained during secondary data processing for various heliogeophysical conditions have been developed and implemented. For the conditions of the two-layer ionosphere, an interpretation method has been worked out which involves analyzing histograms for the distribution of points with significant amplitude, which fall into a model mask constructed from the results of modeling of the distance-frequency characteristic for propagation when it moves over the ionogram. For the multilayer ionosphere, the interpretation is based on the study of the ionogram amplitude relief. The algorithms for extracting tracks of signals reflected from sporadic layers are examined separately. We report the results of interpretation of ionograms obtained on the network of chirp sounding radio paths in the northeastern region of Russia.

 ионосфера ионограмма распространение радиоволн наклонное зондирование ионосферы ionosphere ionogram radio wave propagation oblique ionosphere sounding Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки (субсидия № 075-ГЗ/Ц3569/278) The work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Subsidy No. 075-GZ/Ts3569/278)

Благовещенский Д.В., Жбанков Г.А., Мальцева О.А. Реальные и расчетные ионограммы наклонного зондирования ионосферы на коротковолновых радиотрассах во время магнитной бури 7–8 сентября 2017 года. Изв. вузов. Радиофизика. 2018. Т. 61, № 12. С. 991–1004. Blagoveshchensky D.V., Zhbankov G.A., Maltseva O.A. Observed and calculated ionograms of oblique ionospheric sounding on HF radio paths during a magnetic storm of September 7–8, 2017. Radiophysics and Quantum Electronics. 2019, vol. 61, no. 12, pp. 881–892. Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградова Е.Г. Расчет оптимальных рабочих частот связной радиолинии по данным наклонного зондирования ионосферы. Изв. вузов Радиофизика. 2008. Т.51, № 1. С. 10–21. Davies K. Ionospheric Radio Waves. Blaisdell, London, 1969, 460 p. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973. 502 с. Dvinskikh, N.I. Expansion of ionospheric characteristics fields in empirical orthogonal functions. Adv. Space Res. 1988, vol. 8, no. 4, pp.179–187. DOI: 10.1016/0273-1177(88)90238-4. Иванов В.А., Куркин В.И., Носов В.Е. и др. ЛЧМ-ионозонд и его применение в ионосферных исследованиях. Изв. вузов. Радиофизика. 2003. Т. 46, № 11. С. 919–952. Grozov V.P., V.I. Kurkin, V.E. Nosov, Ponomarchuk S.N. An interpretation of data oblique-incidence sounding using the chirp-signal. Proceedings of ISAP`96, Chiba, Japan. 1996, pp. 693–696. Ильин Н.В., Бубнова Т.В., Грозов В.П. и др. Оперативный прогноз МПЧ радиотрасс по текущим данным наклонного зондирования ионосферы непрерывным ЛЧМ-сигналом. Солнечно-земная физика. 2018. Т. 4, № 3. С. 103–113. DOI: 10.12737/szf-43201811. 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, vol. 22, no. 3, pp. 458–463. Котович Г.В., Ким А.Г., Михайлов С.Я. и др. Определение критической частоты fоF2 в средней точке трассы по данным наклонного зондирования на основе метода Смита. Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46, № 4. С. 547–551. Ilyin N.V., Bubnova T.V., Grozov V.P., Penzin M.S., Ponomarchuk S.N. Real-time forecast of MUF for radio paths from current data obtained from oblique sounding with continuous chirp signal. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 4, iss. 3, pp. 83–91. DOI: 10.12737/szf-43201811. 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 активности. Изв. вузов. Радиофизика. 2000. Т. 43, № 10. С. 843–854. 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, vol. 32, no. 3, pp. 983–988. Михайлов С.Я., Грозов В.П. Реконструкция немонотонного высотного профиля плазменной частоты по данным наклонного зондирования ионосферы. Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, № 7. С. 443-457. Ivanov V.A., Kurkin V.I., Nosov V.E., Uryadov V.P., Shumaev V.V. Chirp ionosonde and its application in the ionospheric research. Radiophysics and Quantum Electronics. 2003, vol. 46, iss. 11, pp. 821–851. 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. Kotovich G.V., Kim A.G., Mikhailov S.Ya., Grozov V.P., Mikhailov Ya.S. Determining the foF2 critical frequency at the path midpoint from oblique sounding data based on the Smith method. Geomagnetism and Aeronomy. 2006, vol. 46, no. 4, pp. 517–521. Подлесный А.В., Лебедев В.П., Ильин Н.В., Хахинов В.В. Реализация метода восстановления передаточной функции ионосферного радиоканала по результатам зондирования ионосферы непрерывным ЛЧМ-сигналом. Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19, № 1. P. 63–70. Krasheninnikov I.V., Liannoy B.E. Estimation of the true ionospheric height profile, with a continuous gradient, from oblique sounding data. J. Atmos. Terr. Phys. 1990, vol. 52, no. 2. pp. 113–117. Пономарчук С.Н., Грозов В.П., Котович Г.В., Михайлов С.Я. Обработка и интерпретация ионограмм вертикального и наклонного зондирования для диагностики ионосферы на базе ЛЧМ-ионозонда. Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М.Ф. Решетнева. 2013. Спец. вып. 5 (51). С. 163–166. Kurkin V.I., Nosov V.E., Matyushonok S.M., Litovkin G.I., Ivanov V.L., Shumaev V.V., et al. The features of round-the-world signal propagation over the paths of the Russian chirp-sounder network during low and mild solar activity. Radiophysics and Quantum Electronics. 2000, vol. 43, iss. 10, pp. 755–765. Урядов В. П., Куркин В.И., Вертоградов Г.Г. и др. Особенности распространения КВ сигналов на среднеширотных трассах в условиях геомагнитных возмущений. Изв. вузов. Радиофизика. 2004. Т. 47, №. 12. С. 1041–1056. Kurkin V.I., Pirog O.M., Polekh N.V., Mikhalev A.V., Poddelsky I.N., Stepanov A.E. Ionospheric response to geomagnetic disturbances in the north-eastern region of Asia during the minimum of 23rd cycle of solar activity. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2008, vol. 70, no. 18, pp. 2346–2357. DOI: 10.1016/j.jastp.2008.09.022. Dvinskikh N.I. Expansion of ionospheric characteristics fields in empirical orthogonal functions. Adv. Space Res. 1988. Vol. 8, no. 4. P. 179–187. DOI: 10.1016/0273-1177(88)90238-4. Kurkin V.I., Medvedeva I.V., Podlesnyi A.V. Effect of sudden stratosphere warming on characteristics of medium-scale traveling ionospheric disturbances in the Asian region of Russia. Adv. Space Res. 2024, vol. 73, no. 7, pp. 3613–3623. DOI: 10.1016/j.asr.2023.09.020. Grozov V.P., Kurkin V.I., Nosov V.E., Ponomarchuk S.N. An interpretation of data oblique-incidence sounding using the chirp-signal. Proceedings of ISAP`96, Chiba, Japan. 1996. P. 693–696. Mikhailov S.Y., Grozov V.P. Recovery of the Nonmonotonic Altitude Profile of the Plasma Frequency Based on the Ionospheric Oblique Sounding Data. Radiophysics and Quantum Electronics. 2013, vol. 56, iss. 7, pp. 399–412. 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. Vol. 22, no. 3. P. 458–463. Penzin M.S., Ponomarchuk S.N., Grozov V.P., Kurkin V.I. Real-time techniques for interpretation of ionospheric backscatter sounding data. Radio Sci. 2019, vol. 54, iss. 5, pp. 480–491. DOI: 10.1029/2018RS006656. 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. Vol. 32, no. 3. P. 983–988. Podlesnyi A.V., Brynko I.G., Kurkin V.I., Berezovskii V.A., Kiselev A.M., Petukhov E.V. Multifunctional chirp ionosonde for monitoring the ionosphere. Geliogeofizicheskie issledovaniya [Heliogeophys. Res.]. 2013, no. 4, pp. 24–31. (In Russian). Krasheninnikov I.V., Liannoy B.E. Estimation of the true ionospheric height profile, with a continuous gradient, from oblique sounding data. J. Atmos. Terr. Phys. 1990. Vol. 52, no. 2. P. 113–117. Podlesnyi A.V., Lebedev V.P., Ilyin N.V., Khahinov V.V. Implementation of the method for restoring the transfer function of the ionospheric radio channel based on the results of sounding the ionosphere with a continuous chirp signal. Electromagnetic waves and electronic systems. 2014, vol. 19, no. 1, pp. 63–70. (In Russian). Kurkin V.I., Pirog O.M., Polekh N.V., et al. Ionospheric response to geomagnetic disturbances in the north-eastern region of Asia during the minimum of 23rd cycle of solar activity. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2008. Vol. 70, no. 18. P. 2346–357. DOI: 10.1016/j.jastp.2008.09.022. Ponomarchuk S.N., Grozov V.P., Kotovich G.V., Mikhailov S.Ya. The processing and interpretation of vertical and oblique sounding ionograms for ionosphere diagnostics on the base of chirp - ionosonde. Bull. Siberian State Aerospace University named after. acad. M.F. Reshetneva, 2013, no. 5 (51), pp. 163–166. Kurkin V.I., Medvedeva I.V., Podlesnyi A.V. Effect of sudden stratosphere warming on characteristics of medium-scale traveling ionospheric disturbances in the Asian region of Russia. Adv. Space Res. 2024. Vol. 73, no. 7. P. 3613–3623. DOI: 10.1016/j.asr.2023.09.020. Ponomarchuk S.N., Grozov V.P., Kim A.G., Kotovich G.V., Podlesniy A.V. The near real-time diagnostics of ionosphere parameters at the middle point of the radio path on the base of oblique sounding data.Proc. of SPIE. 2015, vol. 9680, 96805E. DOI: 10.1117/12.2203589. Penzin M.S., Ponomarchuk S.N., Grozov V.P., Kurkin V.I. Real-time techniques for interpretation of ionospheric backscatter sounding data. Radio Sci. 2019. Vol. 54, iss. 5. P. 480–491. DOI: 10.1029/2018RS006656. Song H., Hu Y., Jiang C., Zhou C., Zhao Z., Zou X. An automatic scaling method for obtaining the trace and parameters from oblique ionogram based on hybrid genetic algorithm. Radio Sci. 2016, vol. 51, no 12, pp. 1838–1854. DOI: 10.1002/ 2016RS005987. Ponomarchuk S.N., Grozov V.P., Kim A.G., et al. The near real-time diagnostics of ionosphere parameters at the middle point of the radio path on the base of oblique sounding data. Proc. of SPIE. 2015. Vol. 9680. 96805E. DOI: 10.1117/12.2203589. Vertogradov G.G., Uryadov V.P., Vertogradova E.G. Calculation of optimal operating frequencies of a communication radio line according to oblique ionosphere sounding. Radiophysics and Quantum Electronics. 2008, vol. 51, iss. 1, pp. 9–19. Song H., Hu Y., Jiang C., et al. An automatic scaling method for obtaining the trace and parameters from oblique ionogram based on hybrid genetic algorithm. Radio Sci. 2016. Vol. 51, no. 12. P. 1838–1854. DOI: 10.1002/2016RS005987. Uryadov V.P., Kurkin V.I., Vertogradov G.G., Vertogradov V.G., Ponyatov A.A., Ponomarchuk S.N. Features of propagation of HF signals on mid-latitude paths under conditions of geomagnetic disturbances. Radiophysics and Quantum Electronics. 2004, vol. 47, no.12, pp. 933–946. URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056/ (дата обращения 15 января 2024 г.). URL: http://ckp-rf.ru/ckp/3056/ (accessed January 15, 2024).