Спосіб визначення концентрації електронів в іоносфері

Реферат: UA 76048 U UA 76048 U 5 10 15 Корисна модель належить до радіофізики, зокрема до визначення характеристик іоносфери методом некогерентного розсіяння (HP) радіохвиль. Відомо, що для вимірювання параметрів іоносфери, використовують метод IIP. При цьому існують три варіанти вимірювання концентрації електронів: з вимірюванням потужності розсіяного сигналу, з вимірюванням частоти плазмової лінії або з вимірюванням поляризаційних параметрів сигналу (згідно з ефектом Фарадея). Варіант з вимірюванням потужності розсіяного сигналу дозволяє вимірювати концентрацію електронів лише за умовою одночасного використання радара некогерентного розсіяння і станції вертикального зондування. Варіант з вимірюванням плазмової лінії дозволяє вимірювати концентрацію електронів безпосередньо за допомогою радара HP. Проте, точність при цьому низька і він використовується рідко. Варіант з вимірюванням поляризаційних параметрів сигналу дозволяє вимірювати концентрацію електронів з високою точністю безпосередньо за допомогою радара HP. Поляризаційні ефекти виникають тому, що при проходженні хвиль шляху від радара до висоти h крізь підмагнічену плазму виникає різниця фаз між звичайною та незвичайною хвилею (h)=2Ф(h), де Ф(h) визначається за формулою: Фh  k  MNdl , l l h 0 2 20 25 (1) 2 де k=5.95·10- f0- , f0 - робоча частота, М(l) - поздовжня складова геомагнітного поля. При цьому площина поляризації повертається на кут Ф(h), що є ефектом Фарадея. Тому в основу відомих способів вимірювання концентрації електронів покладено вимірювання кута нахилу площини поляризації або вимірювання різниці фаз. Спосіб з вимірюванням різниці фаз є аналогом пропонованого способу [1]. У аналозі вимірювання проводиться в круговому поляризаційному базисі. При цьому випромінюють два імпульси з круговою поляризацією та протилежним напрямом обертання і вимірюють різницю фаз (h) між розсіяними сигналами на виході двох приймачів, які підключено до двох приймальних антен з круговою поляризацією, та протилежними напрямами обертання. Диференціюючи цю різницю фаз, отримують концентрацію електронів: Nh  1 dh , 2kM dh l (2) 30 35 40 45 50 55 Недоліком аналога є складність практичної реалізації вимірювання з високою якістю. Причина цього - складність налаштування на кругову поляризацію передавальної та приймальної антен, які побудовані на базі ортогональних вібраторів. Дійсно, для прямого вимірювання поляризації поля передавальної антени необхідно розмістити в далекій зоні вимірювальну антену. Проте через великі розміри антен радарів HP далека зона починається на висоті, що перевищує декілька кілометрів. Аналогічна вимога, яку важко задовольнити, виникає і при налаштуванні приймальних антен. Крім того, в радарах HP передавач підключено до ортогональних вібраторів за допомогою хвилеводів, електрична довжина яких може помітно змінюватися при зміні температури або інших умов експлуатації. При цьому змінюються і поляризаційні характеристики передавальної антени. Тому вказане налаштування поляризації необхідно час від часу повторювати, що робить прямий контроль поляризації антени практично неможливим. Аналогічна ситуація виникає і при налаштуванні поляризації приймальної антени, якщо хвилеводи, що сполучають приймальну антену з хвилеводним мостом, який переводить сигнал з лінійного поляризаційного базису до кругового базису, мають велику довжину. На практиці для контролю і налаштування поляризації використовують сигнал, розсіяний іоносферою. Проте, при цьому точність налаштування виявляється невисокою, оскільки сигнал HP є частково поляризованим, стохастичним, нестаціонарним, і спостерігається на фоні шумів і завад. При цьому найбільш ефективні методи налаштування вимагають багато часу і є складними. Крім того, точність знижується через неідеальну розв'язку плечей хвилеводного мосту. Спосіб з вимірюванням кута нахилу площини поляризації не має вказаних недоліків, оскільки вимірювання проводяться в лінійному поляризаційному базисі. При використанні лінійного вібратора для випромінювання лінійна поляризація поля у межах головного променя антени створюється природним чином і не вимагає налаштування. Аналогічно і в приймальних каналах, 1 UA 76048 U 5 10 підключених до лінійних вібраторів, забезпечується лінійна поляризація антени без спеціального налаштування. Ще один недолік аналога виникає з-за того, що зондуючі імпульси звичайної та незвичайної хвилі рознесені в часі. Це породжує додаткову декореляцію прийнятих сигналів звичайної та незвичайної хвилі і спричиняє додаткові помилки вимірювання. У зв'язку з недоліками аналога, як прототип пропонованої корисної моделі розглядається спосіб з вимірюванням кута нахилу площини поляризації [2]. Суть прототипу полягає в тому, що випромінюють сигнал з лінійною поляризацією. Некогерентно розсіяний іоносферою сигнал приймають приймачами, підключеними до антен з ортогональною лінійною поляризацією. Потім оцінюють середню потужність сигналів на виході приймачів. Ця потужність визначається формулами: Px(h)=0.5P(h)[1+ρ(h)cos2Ф(h)], Py(h)=0.5P(h)[1-ρ(h)cos2Ф(h)], 15 де ρ - нормований коефіцієнт кореляції між звичайною і незвичайною складовими розсіяного поля.   Далі знаходять висоти hi, hi+1 двох сусідніх екстремумів, в яких Фi  i і Фi 1  i  1 , та 2 2 обчислюють концентрацію електронів за формулою: Nh  20 25 30 35 40 45 1  , 2k hi1  hi (5) Дійсно, якщо потужність P(h) і коефіцієнт кореляції ρ(h) сигналу HP не залежать від висоти h, то екстремуми (3), (4) величиною Px(h)=0.5P[1±] і Py(h)=0.5Р[1±] спостерігаються саме на   висотах, де Фi  i і Фi 1  i  1 . 2 2 При цьому, якщо концентрація електронів N(h) на даному інтервалі висот також не залежить від висоти, то оцінка (5) є незміщеною, тобто її середнє значення співпадає з дійсним значенням вимірюваної величини. Першим недоліком прототипу є те, що, якщо концентрація електронів N(h) між екстремумами залежить від висоти, спосіб не дає можливості визначити ту конкретну висоту, для якої отримана ця оцінка. Отримана оцінка є оцінкою для деякої висоти, про яку відомо тільки те, що вона знаходиться між екстремумами. При цьому, якщо концентрація електронів низька, то екстремуми можуть знаходитися один від одного настільки далеко, що оцінка втрачає сенс. Другим недоліком є те, що, якщо потужність P(h) і коефіцієнт кореляції (h) сигналу HP залежать від висоти h, екстремуми зміщуються з тих висот, де cos2Ф(h)=±1 і з'являється відповідна помилка вимірювання. Ці недоліки усуваються корисною моделлю за рахунок того, що функції (3), (4) розглядаються для конкретної висоти, а замість дослідження цих функцій на максимум проводять вимірювання взаємної кореляції HP сигналів, прийнятих ортогональними вібраторами. Таким чином, технічна задача пропонованої корисної моделі полягає в отриманні можливості вимірювання концентрації електронів для будь-якої конкретної висоти і забезпечення більш високої точності вимірювань в умовах, коли концентрація електронів, потужність і коефіцієнт кореляції сигналу HP залежать від висоти. Суть корисної моделі полягає в тому, що, крім визначення потужності сигналів на виході приймачів, згідно з (3), (4), додатково обчислюють коефіцієнт взаємної кореляції струмів, наведених HP сигналом в ортогональних вібраторах. Як показано нижче, вказаний коефіцієнт дорівнює: Rxy h  ixiy  Phhsin 2Фh , 50 (3) (4) (6) Вирішуючи спільно (3), (4) і (6), можна отримати оцінку концентрації електронів, не виконуючи дослідження функцій (3), (4) на екстремум. 2 UA 76048 U  Дійсно, поле розсіяного сигналу E із даної висоти h біля приймальних   якої поляризації можна розкласти на складові звичайної S та незвичайної      E  S  S , 5 (7)           де S  UeiФ x  iy , S  VeiФ x  iy ,   U  Ue iu і V  Veiv - комплексні амплітуди, які випадково змінюються від такту до такту зондування і мають нульове середнє значення. Таким чином із (7) маємо:            E  UeiФ  Ve iФ x  i UeiФ  Ve iФ y . 10 вібраторів при будь  S хвилі у вигляді (8)   З (8) отримаємо струми в ортогональних вібраторах, орієнтованих вдовж ортів x, y  , які з точністю до постійного коефіцієнта дорівнюють:      ix  Re UeiФ  Ve iФ eit  U cost  u  Ф  V cost  v  Ф , (9)     iy  Re i UeiФ  VeiФ eit  Usint  u  Ф  V sint  v  Ф . (10)    З (9), (10) отримаємо середні потужності та коефіцієнт кореляції струмів 15   0.5 U   UV cosu  v  cos 2Ф, Px  ix 2  0.5 U2  V 2  UV cosu  v  cos 2Ф ,  2 Py  iy 2  V2 (11) (12) Rxy  ixiy  UV cosu  v sin 2Ф . Оскільки потужність сигналу 20 P  U2  V 2 , R xy 1 . arctg 2 Px  Py   кореляції звичайної та (14) На відміну від прототипу, згідно з корисною молеллю, необхідно контролювати рівень шумів на виходах приймачів. З урахуванням шумів приймачів потужністю Рnх і Рnу, відповідно отримаємо замість виразів (3), (4) Px(h)=0.5P(h)[1+ρ(h)cos2Ф(h)]+Рnх, Py(h)=0.5Р(h)[1-ρ(h)cos2Ф(h)]+Рnу. 30 а коефіцієнт незвичайної хвилі RUV  P  UV cosu  v  , то систему (11), (12), (13) можна представити у вигляді (3), (4), (6). Таким чином із (11), (12), (13) або з (3), (4), (6) отримаємо оцінку Ф 25 (13) (15) (16) При цьому вирази (6) та (13) не зміняться, тому що шуми у різних приймачах взаємно некорельовані. Таким чином, вирішуючи систему (6), (15), (16), отримаємо: Ф R xy 1 . arctg 2 Px  Py  Pnx  Pny     (17) 3 UA 76048 U 5 Необхідну для обчислення (17) різницю потужностей шумів приймача можна досить точно вимірювати у кінці розгортки дальності, оскільки потужність сигналу HP з великих висот набагато менша, ніж потужність шумів. Таким чином, запропонований спосіб полягає в тому, що випромінюють сигнал з лінійною поляризацією і приймають некогерентно розсіяний іоносферою сигнал приймачами, підключеними до антен з ортогональною лінійною поляризацією. Потім вимірюють середні потужності і коефіцієнт взаємної кореляції сигналів на виходах приймачів, а також різницю потужностей шумів, обчислюють кут повороту площини поляризації за формулою (17), тобто R xy 1 , Ф  arctg 2 Px  Py  Pnx  Pny і обчислюють концентрацію електронів згідно з формулою (2), тобто: 1 dФh . Nh  kMh dh Запропонований спосіб відрізняється від прототипу тим, що додатково вимірюють взаємну кореляцію сигналів, прийнятих вібраторами, а також різницю потужностей шумів на виходах приймачів. Ця відмінність є суттєвою ознакою, що дозволяє вимірювати електронну концентрацію для будь - якої конкретної висоти, а також забезпечує більш високу точність вимірювань в умовах, коли концентрація електронів, потужність і коефіцієнт кореляції сигналу HP залежать від висоти. Джерела інформації: 1. Ткачев Г.Н. Карлов В.Д. Измерение разности фаз между обыкновенными и необыкновенными компонентами сигнала, рассеянного на тепловых флуктуациях электронной концентрации ионосферы. / Вестник Харьковского политехнического института, № 183. Исследование ионосферы методом некогерентного рассеяния. Выпуск 3. - Харьков, 1981. - С. 18 - 27. 2. Григоренко Е.И. Исследования ионосферы по наблюдениям эффекта Фарадея при некогерентном рассеянии радиоволн / Е.И. Григоренко // Ионосферные исследования.- 1979. № 27. - С. 60 - 73.  10 15 20 25    ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Спосіб визначення концентрації електронів в іоносфері, що включає випромінювання сигналу з лінійною поляризацією, приймають некогерентно розсіяний іоносферою сигнал приймачами, що підключені до антен з ортогональною лінійною поляризацією, вимірюють середні потужності Px , Py процесів на виходах приймачів, який відрізняється тим, що вимірюють взаємну кореляцію   R xy , вказаних процесів, а також різницю потужностей шумів Pnx  Pny на виходах приймачів і 35 обчислюють кут повороту площини поляризації за формулою: R xy 1 , Ф  arctg 2 Px  Py  Pnx  Pny     після чого обчислюють концентрацію електронів за формулою: 1 dФh , Nh  kMh dh  де k  5.95  10 2 f0 2 , 40 Mh - поздовжня складова геомагнітного поля. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4