Спосіб визначення концентрації електронів в іоносфері

Спосіб визначення концентрації електронів в іоносфері, що полягає у тому, що іоносферу зондують радіосигналом, який складається з двох імпульсів, з різними несучими частотами f1 і f2, приймають некогерентно розсіяний іоносферою сигнал радіоприймачем, який має два частотних канали, настроєних на частоти f1 та f2, визначають кореляційні функції або спектри сигналу, прийнятого каналом радіоприймача, настроєним на частоту f1, та нормований висотний профіль потужності сигналу Р(h), прийнятого каналом радіоприймача, настроєним на частоту f2, далі за кореляційними функціями або спектрами визначають Te(h) та Ti(h), який відрізняється тим, що додатково приймають відбиті від штучних супутників Землі сигнали і по виміряній різниці фазових Корисна модель відноситься до області радіофізики, зокрема, до визначення характеристик іоносфери методом некогерентного розсіяння (HP) радіохвиль. Відомо, що для визначення концентрації електронів в іоносфері використовують метод некогерентного розсіяння. Метод HP реалізується трьома способами - з вимірюванням параметрів сигналу згідно ефекту Фарадея, з вимірюванням плазмової лінії або з вимірюванням потужності розсіяного сигналу. Недоліком способу з вимірюванням ефекту Фарадея, як і з вимірюванням плазмової лінії, є низька точність вимірювання. Метод HP з використанням вимірювання потужності розсіяного сигналу [1] є аналогом пропонованої корисної моделі. Він полягає у тому, що випромінюють імпульсний зондуючий сигнал. Після цього приймають некогерентно розсіяний іоносферою сигнал, визначають кореляційні функції або спектри та потужність Pc(h) сигналу, по формі спектра або кореляційній функції визначають електронну Te(h) та іонну Ti(h) температури, далі обчислюють електронну концентрацію N згідно з виразом T (h) N(h) C P(h) h2 1 e , (1) Ti (h) затримок на двох частотах α обчислюють величину концентрації електронів на висоті максимуму іонізації згідно з виразом: 2 2fcp NM де 80,6k f f2 1 c , r4 f f1, fcp f2 f1 2 r ,k 1 F(h)dh,r - відстань r 0 до супутника, яку використовують для отримання абсолютних значень висотного розподілу електронної концентрації іоносферної плазми згідно з формулою: N(h) NM F(h), P(h) h 2 1 Te (h) Ti (h) норм - нормована за (11) UA (19) де h - висота, P(h) - нормований висотний профіль потужності сигналу, С - коефіцієнт пропорційності. Коефіцієнт С залежить від параметрів радара, які змінюються з часом і відомі недостатньо точно. Тому для нормування залежності електронної концентрації N(h) в одиницях електронної концентрації використовують станцію-іонозонд (станцію вертикального зондування), яка вимірює абсолютне значення концентрації NM на висоті максимуму іонізації (див. «Метод некогерентного рассеяния радиоволн. Брюнелли Б.Б., Кочкин М.И., Пресняков И.Н. и др. Л., «Наука», 1979. 188с»). 50550 (13) лежність електронної концентрації від висоти. U де F(h) 3 Недоліком аналога є те, що виникає протиріччя між одночасними вимогами до енергії зондуючого сигналу та до його роздільної здатності по висоті. Суть цих протиріч полягає в тому, що при короткому сигналі ми одержуємо недостатню точність вимірювання параметрів іоносфери на великих висотах, а при довгому недостатнє просторове розрізнення у області максимуму іонізації іоносфери та нижче. Тому відомий метод HP не дозволяє забезпечити ці вимоги в широкому діапазоні висот. Для усунення цього недоліку, в [2] описано спосіб, який засновано на використанні складеного двочастотного зондуючого сигналу, за допомогою якого реалізовано на несучій частоті, близької до основної для радару, додатковий канал вимірювань висотного розподілу потужності HP сигналу із збільшеним розрізненням по висоті. Цей спосіб [2] є найближчим по суті і розглядається авторами як прототип. Суть найближчого аналога полягає у тому, що іоносферу зондують радіоімпульсом, який складається з двох елементів, перший з яких має довжину Т1 та несучу частоту f1, а другий T2=(0,05-0,15).T1, причому його несуча частота f2 зсунута відносно частоти першого. Приймають некогерентно розсіяний іоносферою сигнал радіоприймачем, який має два частотних канали, настроєних на частоти f1 та f2, одночасно визначають кореляційні функції або спектри сигналу, прийнятого каналом радіоприймача, настроєним на частоту f1 та нормований висотний профіль потужності сигналу P(h) від висоти, прийнятого каналом радіоприймача, настроєним на частоту f2. Далі за кореляційними функціями або спектрами визначають Te(h) та Ti(h) з просторовим розрізненням, характерним для імпульсу довжиною T1, а за значеннями потужності з просторовим розрізненням, характерним для імпульсу довжиною Т2 визначають електронну концентрацію згідно з виразом (1). Недоліком найближчого аналога є те, що для отримання абсолютних значень висотного розподілу електронної концентрації іоносферної плазми, тобто для визначення концентрації електронів на висоті максимуму іонізації NM, необхідно одночасно з радаром HP використовувати станцію-іонозонд (станцію вертикального зондування). При цьому неможливе проведення вимірювань електронної концентрації в автономному режимі роботи радара HP. Це приводить до зменшення надійності вимірювальної системи (наприклад, при виході з ладу станції-іонозонда визначення концентрації електронів стає неможливим), а також до збільшення вартості проведення вимірювань. Технічна задача полягає у створенні способу визначення абсолютних значень висотного розподілу електронної концентрації іоносферної плазми, що не погіршує показник точності при розрахунках електронної концентрації і не вимагає залучення до цього процесу станцій вертикального зондування. Винахід корисної моделі ґрунтується на тому, що фазова затримка хвилі в іоносферній плазмі залежить від частоти. При цьому швидкість поши 50550 4 рення хвилі залежить від коефіцієнту заломлення іоносфери n(h) 1 2 f0 (h) , (2) f2 де f - робоча частота, f0(h)= 80.6N(h) - критична частота плазми (у герцах), яка залежить від концентрації електронів. Суть пропонованого винаходу корисної моделі наступна. Іоносферу зондують радіоімпульсом, який складається з двох елементів, перший з яких має довжину Т1 та несучу частоту f1, а другий Т2, причому його несуча частота^ зсунута відносно частоти першого. Приймають некогерентно розсіяний іоносферою сигнал радіоприймачем, який має два частотних канали, настроєних на частоти f1 та f2, визначають кореляційні функції або спектри сигналу, прийнятого каналом радіоприймача, настроєним на частоту f1 та нормований висотний профіль потужності сигналу P(h) прийнятого каналом радіоприймача, настроєним на частоту f2. Далі за кореляційними функціями або спектрами визначають Te(h) та Ti(h). Новим в способі є те, що для автономного (без використання станції-іонозонда) визначення абсолютних значень висотного розподілу електронної концентрації іоносферної плазми приймають відбиті від штучних супутників Землі (ШСЗ) сигнали та вимірюють різницю фаз між відбитими імпульсами на різних частотах (f1 i f2). Початкові фази відбитих сигналів для імпульсів визначаються так: 2 f1t 1 1 1 2 f1 1, 2 f2 t 2 2 2 2 f2 2 . Оскільки розмір ШСЗ малий, то фаза відбитого сигналу змінюється на величину 1 2. Частоти f1, f2 та початкові фази 1, 2 сигналів відомі. З врахуванням цього обчислюємо різницю фаз як 2 f1 1 2 f2 2. (3) Враховуючи вираз (2), отримуємо фазову затримку сигналу 4 f c 2 f r n(h)dh, (4) 0 де r - дальність до ШСЗ, с - швидкість світла. Оскільки радари HP працюють на частотах набагато більших плазмової, то формула (2) може бути спрощена так, що 2 1 f0 , 2 f2 а тому з 4 fr 80.6 2 f 1 kNM , c 2f 2 n(h) 1 r де k 1 F(h)dh. (5) r 0 (4) одержуємо 5 50550 Позначивши різницю між частотами середнє між ними f cp , розраховуємо їх як f f2 і, і f1, f2 f cp f f1 2 , враховуючи нерівність f fcp 1 та (5), отримуємо різницю фаз (3) у вигляді 2 f 2r 1 80.6NM 1 k . (6) 2 c 2 fcp Дальність до ШСЗ може бути отримана за допомогою самого радару HP або від зовнішніх джерел (наприклад, з всесвітньої мережі Internet). Знаючи різницю фаз та інтеграл профілю k з виразу (5), за допомогою формули (6) обчислюємо значення максимальної електронної концентрації 2 2fcp NM 80 .6k 1 c , (7) r4 f Це значення (7) використовується для розрахунку абсолютних значень висотного розподілу електронної концентрації іоносферної плазми N(h)=NM.F(h), T (h) де F(h) P(h) h2 1 e норм - нормована Ti (h) залежність електронної концентрації від висоти. Ефективність та можливість реалізації пропонованого способу залежить від точності інформації про дальність до ШСЗ, а також від частоти появи ШСЗ у промені радару. Слід зазначити що, при вимірюванні різниці фаз відбитих хвиль виникає неоднозначність через набіг по фазі (mх2 ), де m = 0,1,2,... . Для усунення цього чинника необхідно поставити вимогу, щоб 4 fr 2 , c тобто f fcp f0 2 c , kr Наприклад, при умові fcp f0 10, k = 0.2 і r = 500 км отримаємо f < 300 кГц. Відзначимо, що ширина смуги спектру сигналу 1 П 2кГц, якщо довжина імпульсу Тімп = 550 Тімп мкс і П 1 Тімп 7кГц, , при Тімп = 145 мкс і так далі. Таким чином, існує широкий діапазон, аби селектувати сигнали по частоті і одночасно залишатися в межах однозначності фазових вимірювань. При використанні приведеного способу постає питання про необхідну точність координат у 6 вигляді дійсної дальності r, оскільки точність норr мування обумовлена похибкою отримання дальності до об'єкту. Враховуючи формулу (7), і  NM NM  виходячи з нерівності 1 де NM , NM оцінка NM, необхідно щоб виконувалась умова: 80.6NM 2 r k. 2 r f0 Наприклад, якщо радар HP працює на такій f0 частоті f, що , то нормована похибка поfcp 0.1 r 5 10 6 k. При цих умовах і r дальності до об'єкту 300 км помилка повинна бути r