Спосіб визначення висотно-часового розподілу електронної концентрації іоносферної плазми

Реферат: Спосіб визначення висотно-часового розподілу концентрації електронів іоносферної плазми, що отримують імпульсним радіолокатором некогерентного розсіяння, коли з його допомогою випромінюється сигнал зондування, аналізується зворотне розсіяння та протягом доби у кожному сеансі протяжністю у декілька хвилин розраховують висотну залежність концентрації електронів. Значення константи C протягом доби під дією зовнішніх факторів змінюється і це визиває похибку обчислень, то при розрахунках за виразом висотно-часового розподілу концентрації електронів взамін фіксованої величини C як константу використовують її поточні значення. UA 111634 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ВИСОТНО-ЧАСОВОГО РОЗПОДІЛУ ЕЛЕКТРОННОЇ КОНЦЕНТРАЦІЇ ІОНОСФЕРНОЇ ПЛАЗМИ UA 111634 U UA 111634 U 5 10 15 20 Корисна модель належить до радіолокації, зокрема до радіотехнічних способів вимірювань параметрів іоносфери методом некогерентного розсіяння (HP) радіохвиль, та може бути застосована для зменшення похибок обчислення висотно-часового розподілу концентрації електронів, використовуючи у способі "профілю потужності" новий варіант константи С радіолокатора, яка, враховуючи її зміну під дією зовнішніх факторів, замінюється на добову функціональну залежність С(/), статистично усереднену за декілька діб. Рівень техніки, який є корисним для розуміння запропонованої моделі, відображає єдиний на середніх широтах Європи унікальний Іоносферний зонд (http://iion.org.ua) Інституту іоносфери м. Харкова (свідоцтво НАН і МОН України № 34, серія МН, від 14.01.2009 р. про внесення Іоносферного зонда до Державного реєстру наукових об'єктів національного надбання України). Актуальною проблемою є те, що алгоритми обробки даних, подібних запропонованому способу та які використовуються в процесі радіозондування іоносфери, потребують вдосконалень, що дозволить розширити інформаційні можливості цього унікального радіотехнічного інструменту. Відомий спосіб-аналог [1, стор. 139] наземного радіолокаційного дослідження часового розподілу концентрації електронів, який базується на використанні даних іонозонда. У цьому способі суть експерименту полягає у спостереженні за допомогою безперервно працюючої іоносферної станції (іонозонда) радіосигналу з частотою f , відбитого від іоносфери. Фіксується момент t , коли ехо-сигнали до іонозонда вже не повертаються. Це відбувається на висоті hmF2 іоносфери (концентрація електронів шару F2 набуває максимального значення), на якій f  foF2 , де foF2 - плазмова частота, що визначається за виразом: foF2t   25 1 Ne t   e2 Гц  . (1) 2 me  0 У цьому випадку t - поточний час доби, Ne t  - поточне значення концентрації електронів -19 -31 (м ); e - заряд електрона (1,610 К); me - маса електрона (9,110 кг) і  0 - електрична стала -3 -12 (8,8510 Ф/м). Якщо foF2 виразити у МГц, формула (1) для розрахунку залежності концентрації електронів від часу матиме вигляд добре відомого співвідношення: 30 35 40 45 Ne t   1,24  1010  f0F2t 2 . (2) Недолік способу-аналогу у наступному. Змінюючи несучу частоту f сигналу зондування, за допомогою іонозонда можна досліджувати залежність концентрації електронів лише для висоти foF2 максимуму шару F2 . Іонізовані ж області, що лежать вище цього максимуму (вище 200…300 км), не вдається досліджувати з Землі методом вертикального радіозондування. Найбільш близьким аналогом до способу, що заявляється, - є спосіб [2, стор. 65], який базується на використанні радіолокатора некогерентного розсіяння, який працює у діапазоні від 100 км до 1000 км і вище. Ця спеціалізована радіолокаційна система дозволяє під час імпульсного випромінювання проводити аналіз сигналу, некогерентно розсіяного іоносферою в метровому або дециметровому діапазонах. При цьому використовують методику аналізу залежності потужності прийнятого сигналу від затримки (так званий метод "профілю потужності"). Згідно з алгоритмом дії цього способу, отримавши висотні (вздовж напрямку радіозондування) профілі потужності Ps h, t  , можна розрахувати розподіл концентрації електронів іоносферної плазми Ne h, t  в залежності не тільки від часу t , але й для будь-якої висоти h . Для цього використовується вираз: Ne h, t   50 Ps h, t   ht 2  1  Te h, t  Ti h, t  , (3) C де Te h, t  і Ti h, t  - висотно-часові залежності (профілі) температур електронів та іонів відповідно. У цьому випадку потрібно знати ще й величину константи C - коефіцієнта пропорційності, що залежить від технічних параметрів радіолокатора (константа радіолокатора). Її можна 1 UA 111634 U оцінити за допомогою вимірювань відповідних характеристик передавача та приймача, або шляхом калібрування результатів радіолокатора некогерентного розсіяння з використанням даних іонозонда, коли в одному з сеансів (на інтервалі в декілька хвилин) константа розраховується за допомогою виразу: 5 P h F2  hmF22  1  Te hmF2 Ti hmF2 , (4) C s m 1,24  1010  f0F22 10 15 20 25 30 35 40 45 де Ps hmF2 , Te hmF2 і Ti hmF2 - отримані радіолокатором на висоті hmF2 максимуму іонізації потужність сигналу розсіяння, електронна та іонна температури відповідно. Значення критичної (плазмової) частоти foF2 для цієї ж висоти отримують за допомогою працюючого при цьому іонозонда. Після визначення константи потреба в іонозонді, що є джерелом значного електромагнітного забруднення радіоефіру в широкому (десятки МГц) діапазоні частот, відпадає, оскільки концентрацію електронів вже можна розрахувати за формулою (3). Зазвичай значення константи C використовують протягом тривалого часу. При цьому основна вимога до неї полягає в тому, щоб за весь час проведення експериментів, які можуть продовжуватися багато діб, стан і режими роботи технічних систем радіолокатора та режими випромінювання, параметри яких впливають на значення константи, залишалися незмінними. Недоліком є те, що значення константи C протягом доби, навіть коли технічний стан радіолокатора сталий, змінюється під дією зовнішніх факторів, причому, як показує практика іоносферних вимірювань, за квазіперіодичним законом. Це означає, що використання константи C як незмінної величини для обчислення концентрації електронів призводить до похибок. Природа основних зовнішніх факторів, що сприяють цьому, є відомою. Це - зміна температури навколишнього середовища, яка у період сходу Сонця (після 5-6 за місцевим часом) призводить до нагрівання, а під час його заходу - до охолодження значних за площею (сотні квадратних метрів) поверхонь антенно-фідерних трактів передавача та приймача (тобто змінюються їх коефіцієнти передачі). Також присутнє періодичне коливання напруги (а значить і потужності випромінювання в імпульсі) у мережі живлення синхронно із початком та закінченням роботи на підприємствах. Підвищення точності визначення концентрації електронів у іоносфері є дуже актуальним для можливості оптимального розв'язання наукових і практичних задач у таких галузях, як радіозв'язок, супутниковий зв'язок, поширення радіохвиль, навігація, радіолокація, геопозиціонування об'єктів тощо. В основу корисної моделі поставлено задачу компенсації впливу цих непереборних природних факторів, які призводять до того, що поточні значення константи Cпот не є сталі. Під час розрахунку концентрації електронів пропонується використовувати функцію у вигляді добової залежності Сt  , яка попередньо розраховується шляхом статистичного накопичення проміжних результатів Cпот за один або декілька діб перед проведенням тривалих іоносферних досліджень. Поставлена задача вирішується тим, що для розрахунку висотно-часового розподілу концентрації електронів іоносферної плазми, яку отримують імпульсним радіолокатором некогерентного розсіяння, він випромінює сигнал зондування та аналізує зворотне розсіяння. Протягом доби у кожнім сеансі протяжністю у декілька хвилин система обробки для часу t розраховує висотні залежності електронної концентрації Ne h, t  , для чого, як і у способіаналогу, використовують вираз (3). При цьому для зменшення похибок обчислень взамін фіксованого значення C роль константи радіолокатора виконуватиме функціональна залежність Сt  . Дану залежність отримують при статистичному усередненню результатів протягом однієї або декількох (N) попередніх діб за виразом: 50 Сt   1 N  Ct, n , (5) N n 1 2 UA 111634 U на базі низки поточних значень константи C( t, n) , які імпульсний радіолокатор в підготовчих сеансах отримує та розраховує за формулою: P h F2, t, n  hmF2t, n2  1  Te hmF2, t, n Ti hmF2, t, n , (6) Ct, n  s m 1,24  1010  f0F2t, n2 5 10 15 20 25 30 35 у якій foF2(t, n) - критична (плазмова) частота за даними іонозонда, a Ps hmF2, t,n , Te hmF2, t, n і Ti hmF2, t, n - відповідно потужність сигналу розсіяння, температури електронів та іонів, отримані радіолокатором з висоти hmF2t, n (точки максимуму концентрації шару F2 іоносфери). Приклад. Для підтвердження автори провели дослідження таких періодичних варіацій значень константи Cпот (Пуляев В.А. Оценка критической частоты слоя F2 с помощью константы радиолокатора некогерентного рассеяния / Пуляев В.А. // Вестн. НТУ "ХПИ": сборн. науч. тр. Харьков: НТУ "ХПИ", 2007. - № 10. - С. 162-165) під час багатодобової роботи харківського радіолокатора Інституту іоносфери. Дані належать до періоду його безперервного функціонування радару з 27 травня по 6 червня 2006 року, коли одночасно з ним працював ще й іонозонд, а константа розраховувалася за виразом (6) (Фіг.). Проведені дані продемонстрували, як протягом усіх діб, коли тривали вимірювання, варіювалися поточні значення константи Cпот . При цьому здійснювалося їх усереднення для отримання фіксованої величини C , і одночасно з цим всередині коротких інтервалів часу здійснювалося накопичення однойменних (від доби до доби) значень Cпот , які утворили функцію C( t ) , що наведена на рисунку у вигляді точок. На прикладі цього експерименту можна наочно спостерігати ефект систематичного відхилення поточних значень Cпот (і синхронно з цим розрахованих по них значень електронної концентрації) від деякого усередненого положення C . Як і припускалося, поточні значення константи завжди зранку зменшуються майже на 30 %, а потім повільно збільшуються з відновленням свого попереднього значення до кінця світлового дня. Причому, як показав подальший аналіз, у поводженні функції C( t ) спостерігалися ще й сезонні відмінності, і все це для зменшення похибок обчислень потребує її періодичного уточнення. Джерела інформації: 1. Эванс Дж. В. Теоретические и практические вопросы исследования ионосферы методом некогерентного рассеяния радиоволн / Эванс Дж. В. // ТИИЭР. - 1969. - Т.57, № 4. - С. 139-175. 2. Лысенко В.Н. Перспективы применения ионозонда в составе радара некогерентного рассеяния Института ионосферы / Лысенко В.Н., Скляров И.Б. // Вестн. НТУ "ХПИ": сборн. науч. тр. - Харьков: НТУ "ХПИ", 2004. - № 23. - С.63-68. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 Спосіб визначення висотно-часового розподілу концентрації електронів іоносферної плазми, що отримують імпульсним радіолокатором некогерентного розсіяння, коли з його допомогою випромінюється сигнал зондування, аналізують зворотне розсіяння та протягом доби у кожному сеансі протяжністю у декілька хвилин розраховують висотну залежність концентрації електронів за виразом: Ps h, t   h2  1  Te h, t  Ti h, t  , (1) C де h - висота, a Ps h, t  , Te h, t  і Ti h, t  - отримувані радіолокатором для часу t висотні залежності відповідно потужності сигналу розсіяння, температури електронів та іонів плазми, C - константа радіолокатора, яка в одному із сеансів визначається з використанням даних одночасно працюючих радіолокатора та іоносферної станції (іонозонда), який відрізняється тим, що значення константи C протягом доби під дією зовнішніх факторів змінюється і це визиває похибку обчислень, то при розрахунках за виразом (1) висотно-часового розподілу концентрації електронів взамін фіксованої величини C як константу використовують її поточні Ne h, t   45 50 3 UA 111634 U значення, які мають вигляд функції розраховують за виразом: 1 N Сt    Ct, n , (2) N n 1 5 і перед початком іоносферних досліджень C( t ) де C( t, n) - значення констант для їх статистичного усереднення, які попередньо імпульсний радіолокатор в підготовчих сеансах отримує протягом N діб за виразом: P h F2, t,n  hmF2t,n2  1  Te hmF2, t,n Ti hmF2, t,n Ct,n  s m , (3) 1,24  1010  f0F2t,n2 foF2t, n - критична (плазмова) частота за даними працюючого іонозонда, а Ps (hmF2, t, n) , Te (hmF2, t, n) і Ti (hmF2, t, n) - відповідно потужність сигналу розсіяння, температури електронів та іонів, отримані радіолокатором з висоти hmF2t, n (точки максимуму концентрації шару F2 іоносфери). у якому 10 Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4