Аппаратно-программный комплекс для исследования дисперсионных искажений сигналов при вертикальном зондировании ионосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

и •.

1 3 ог.

) '

Медведев Андрей Всеволодович

АППАРАТНО-ПРОГР^*МНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ СИГНАЛОВ ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ ЗОНДИРОВАНИИ ИОНОСФЕРЫ

(01.04.03 - радиофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

шш?

Иркутск - 1998

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени институт^ солнечно-земной физике Ордена Ленина Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Орлов И.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Афраймович Э.Л.

кандидат физико-математических наук Унучков В.Е.

Ведущая организация: Институт информационных технологий и

прикладной математики СО РАН, г.Омск.

Защита состоится: "£8 " октября 1998г. в Э ~ час. На заседании специализированного совета Д.063.32.03 при Иркутском государственном университете по адресу: 664003 г.Иркутск, б.Гагарина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ИГУ. Автореферат разослан "2.5 " сгм7Я6РЯ\998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Радиозондирование занимает ведущее положение в системе методов контроля состояния ионосферы, предоставляя наибольший объем информации. Плазма является чувствительным датчиком практически всех атмосферных Процессов, протекающих на пути распространения зондирующего сигнала, а анализ характеристик отраженного сигнала обеспечивает диагностику атмосферных параметров. Вместе с тем, возможности вертикального зондирования (ВЗ) используются далеко не полностью. Основной массив информации, получаемый этим способом, относится к крупномасштабной структуре и динамике ионосферной нлазМы. Для того чтобы сделать ипнозонд средством диагностики меНко- и среДнемасштабных неодпородНостей ионосферы необходим углубленный анализ отраженного сигнала [1]. Большой дополнительный объем информации о среде Может быть получен при изучении собственно формы отраженного сигнала И иска-ЖеНий формы, возникающих при распространении зондирующего сиЫала в ионосферном радиоканале {2-8].

Радиоканал Земля-йоиосфера-ЗенШ Можно охарактеризовать передаточной функцией И (со), представляющей собой отклик ионосферы на монохроматическую Волну. Для оценки МаДЫХ нскаЖеЦиЙ узкополосного сигнала в радиоканале модуль //(«) (АЧХ) и аргумент р[сд) (<ЬЧХ) ЦередятоЧной функции Канала могут быть разложены вблизи несущей час+оты зондирования го ^ В ряд Тейлора в первом (Линейном) приближении [2]. Такое представление Н{т)позволяет установить связь между комплексными амплитудами излученного е/0(0 и принятого сигнала <7(0и виде:

где: /I = /1(со0)- амплитуда, у) - <р(а>0)- фаза, г = (р\а)0)- задержка отраженного сигнала, а у - - //'(<у0)///(гу0 ) - зиаЧеННе наклона АЧХ радиоканала на несущей частоте. Таким образом, малые Искажения формы узконолосного

сигнала связываются с наклоном ЛЧХ канала в полосе частот О зондирующего сигнала. Критерием узкополосности сигнала (или критерием малости искажений) в данном случае выступает соотношение

у П« 1. (2)

Работы но изучению искажений формы сигналов ВЗ проводятся в отделе распространения радиоволн ИСЗФ СО РАН с начала 80-х годов. Первые исследования динамики тонкой структуры ионосферного отклика и вариаций пара-мегров радиоканала [3] показали, что искажения узкополосных сигналов, вызванные наклоном АЧХ, существуют даже на частотах далеких от критической, и могут быть измерены. Проведенная в 1995-97 годах серия экспериментов по ВЗ ионосферы, в которых величина}' измерялась на различных частотах непрерывно на интервалах более 5 минут, наряду с традиционными Параметрами <р иг показала [4,5], что:

1. наклон / ЧХ является независимой величиной и не повторяет вариаций амплитуды, фазы и групповой задержки во времени;

2. у - самая быстроменяющаяся во времени характеристика (среднее время корреляции составляет 2-5 сек,, среднеквадратичное значение 1-4 мкс.);

3. основной физической причиной наличия у в ионосферном канале и связанных с ним искажений сигнала ВЗ, вероятнее Всего, является мелкомасштабная неоднородная структура отражающего слоя.

Работы [6,7] показали, что измерение у наряду с /л, (р иг открывает дополнительные возможности для решения обратной радиофизической задачи ди-: агностики мелкомасштабной структуры ионосферы. В этих работах в рамках модели фазового экрана была установлена связь флуктуации у со свойствами ионосферных неоднородностей. Было найдено соотношение среднеквадратичного значения наклона АЧХ со статистическими парамезрами неоднородно»! структуры ионосферной плазмы.

Значение регулярных наблюдений наклона АЧХ (наряду с традиционными параметрами амплитудой, фазой и задержкой) в полной мере еще предстоит оценить, но уже сейчас можно сказать, что такие измерения расширяют, с точки зрения решения обратной радиофизической задачи, диагностические возможности метода ВЗ и позволяют [6]:

1. верифицировать модель спектра ионосферных неоднородностей;

2. оценить вертикальной масштаб неоднородностей ионосферной плазмы;

3. оценить интенсивность флуктуаций электронной концентрации.

Вместе с тем, измерения характеристики у выявили и недостатки, которые касаются существующей аппаратуры, методик радиозондирования и обработки данных. Зондирование традиционно используемым а практике ВЗ гауссо-образным импульсом не дает, к сожалению, необходимой точности определения параметра у (при реальных значениях соотношения сигнал/шум погрешность измерения может приближаться к характерным значениям самого параметра [8]). Это не позволило, в частности, исследовать суточную зависимость вариаций у на фиксированной частоте и выявить характер изменения у с высотой при зондировании на различных частотах с регулярным шагом.

Определение у на основе исследования тонкой структуры ионосферного отклика требует комплексного подхода к постановке измерен |й. Наряду с совершенствованием методик диагностики параметров, необходимо, во-первых, корректно поставить и решить зада .у о выборе формы зондирующего сигнала, оптимизированного для измерения наклона АЧХ радиоканала на фоне шума, а во-вторых, создать аппаратно-программный комплекс (АПК), способный формировать и излучать такие сигналы, регистрировать и производить первичную обработку отраженного сигнала в цифровой форме.

Целью настоящей работы являлось расширение диагностических возможностей метода ВЗ, путем создания АПК для ВЗ ионосферы сигналами специальной формы, повышающими точность определения величины наклона АЧХ ионо-

сферного канала распространения сигнала. Для этого в работе решались следующие основные задачи:

1. Разработка методики определения параметров сиг нала на основе анализа его полной формы и синтез специальных сигналов, оптимизированных для задачи измерения малых искажений сигнала, связанных с наклоном АЧХ канала распространения при ВЗ ионосферы.

2. Создание АПК для ВЗ ионосферы специальными сигналами, включающего в себя формирователь аналоговых радиосигналов произвольной формы. Научная новизна выполненной работы состоит в том, что:

1. Разработана методика обработки сигнала для определении величины малых искажений, связанных с наклоном АЧХ ионосферного канала распространения. Впервые предложен метод синтеза сигналов, оптимизированных для этой задачи. Синтезированы такие сигналы при различных значениях базы сигнала.

2. Предложен новый метод формирования аналоговых сигналов произвольной формы, 01раниченных только полосой истот, на основе математического аппарата локальных й-сплайнов. Устройство, реализующее этот алгоритм, включено в состав АПК для ВЗ ионосферы сигналам и/'пециалыгай формы. Практическая ценность рабо ты состоит в создц'чш АПК для ВЗ ионосферы сигналами специальной формы, расширяющего диагностические возможности метода ВЗ, результаты ее могут быть использованы:

1. при создании диагностических средств в ионосферны\дсследованиях;

2. при разработке адаптивных систем радиосвязи;

3. при разработке аппаратуры формирования аналоговых сигшкч.в произвольной |]юрмы в различных сферах научно-технической деятельности. .

На защиту выносятся следующие положения:

1. Но>;ч|й м^тод и результаты синтеза специальных сигналов, оптимизировав, пых для ;здачи,диагностики наклона АЧХ ионосферного радиоканала при (33, а также методика их обработки.

2. Новый метод формирования аналоговых сигналов на основе использовашы аппарата локальных й-сплайнов. Реализация программно-управляемого формирователя аналоговых радиосигналов произвольной формы в составе АПК ИЗ, позволяющего быстро изменять форму сигнала в зависимости от условии зондирования.

Апробация работы: Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Х\Ч-ой Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Харьков, 1990); на Региональной научной конференции, посвященной 100-летию юобретення радио (Иркутск:, 1995); на Международной конференции «Информационные технологии и радиосетн-96» (Омск, 1996); на Х\ПП-ой Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996); на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы -электронного приборостроения» (Новосибирск, 1996); на ХХУ-ой Генеральной ассамблее 1)1181 (Лиль, Франция, 1997), на Международная конференция по физике ионосферы и атмосферы Земли (Иркутск. 1998), на семинарах в Омском Техническом Университете, в отделе распространения радиоволн Института солнечно-земной физики СО РАН, в центре атмосферных исследований Массачусетского Университета Ло-увелл (США).

Личное участие. Автор принимал участие в проведении экспериментов по измерению вариаций наклона АЧХ радиоканала и обработке данных, в постановке задачи и разработке метода и алгоритма синтеза сигнала, оптимизированного для измерения величины наклона АЧХ, в разработке аппаратно-программного комплекса для ВЗ ионосферы сигналами специальной формы и в создании формирователя зондирующих сигналов произвольной формы. Автором самостоятельно проведен численный синтез оптимального сигнала, проведено математическое моделирование работы формирователя сигналов, выявлены основные источники погрешностей формирования, сформулированы рекомендации

по использованию формирователя в составе ЛПК, проработан вариант его технической реализации, разработана методика проведения эксперимента по ВЗ ионосферы сигналами специальной формы.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 1рех глав основного материала, заключения и приложения с общим объемом в 124 страницы, включая список цитируемой литературы из 73 наименований и 25 рисунков. Содержание работы.

Во введении дано обоснование выбора темы диссертации и сформулирована цель работы.

Первая глава посвящена проблеме синтеза сигнала, оптимизированного для измерения малых искажений в ионосферном канале распространения, связанных с наклоном АЧХ канала. В рамках принятой модели радиоканала, в которой определена связь излученного и принятого сигналов с учетом искажения, вызванного наклоном АЧХ в виде (1), предлагается корреляционная методика определения параметров отраженного сигнала (амплитуды, фазы, задержки и наклона

Задержка г находится из условия максимизации модуля комплексной корреляционной функции R(t) :

АЧХ).

|/?(r)i = max{l/?(0j},

(3)

+00

-СС

Амплитуда// и фаза(р определяются как:

ç = arg(/?(r»,

(4)

M = \R(v)\lE0,

(5)

где Eà ~ J>/0 (f)j2 dt - энергия сигнала. Для определения наклона АЧХ

-QO

(параметра у ) используется производная функции R{t)

+С0

Наклон АЧХ рассчитывается следующим образом: у ~ Im

МЕЬ ' \Et>R(t)i'

(6)

где Ео имеет смысл энергии производной сигнала

Ек = Я<?»(4 Л.

-со

В рамках предложенной методики делается вывод о том, что погрешность определения величины искажений при наличии в канале белого шума обратно пропорциональна энергии производной зондирующего сигнала. Формулируется задача на синтез сигнала, обладающего максимальной энергией производной при ограниченных длительности, полосе частот, и эиергин. Показано, что ц этом случае возможна постановка задачи и- максимизацию энергии сигнала ограниченной длительности Т на выходе фильтра с передаточной фуг-цией И(&>),

2ш/П, со е [-0/2,0/2],

где

Н(со) -

О , со й [-0/2,0/2] Для сигналов с равной энергией эта задача эквивалентна задаче максимизации коэффициента пропускания этого фильтра V — Е/Е(), где Е - энергия сигнала на выходе фильтра:

Ц/2

Е = -

я а1

(О

-П/2

772

■Т/2

Л

(1(0.

В-1

Предложен конкретный численный метод синтеза оптимального сигнала для различных значений базы В (В = ОТ/2п), основанный на разложении оптимального сигнала по некоторому базису. В приложении приводятся значения 20 гармоник оптимальных сигналов для баз от 1 До 20. Вводится понятие «квазиопгнмальный сигнал», как приближение оптимальною сигнала одной

гармоникой выбранного базиса, имеющей наибольший коэффициент пропускания V. На рис. 1 изображены оптимальные и квази-оптимпльные сигналы (соответственно сплошная и штриховая линии) для баз 1, 7,20 Как можно видеть из рисунка, квазиоптимальный сигнал хорош тем, что при больших базах имеет одинаковую амплитуду на всем интервале [- 7/2, Г/2] и, следовательно, максимально использует энергетические характеристики передатчика. При этом показано, что коэффициенты V для оптимального и квазиоптимального сигналов во всем рассматриваемом диапазоне значений баз отличаются не более чем па 5%.

Приводятся результаты численного моделирования чзогс^декня квазиоп-тимальиого сигнала через радиоканал с послелую1л',.'н г.гс г.'ггг. ров сигнала по формулам (.1-6) на фоне шумок различного урсзня. мр;; моделировании сравнивались между собой: квазпопгимальный сигнал для базы, раиной 6, согласованный с полосой частот трехэлементный код Барьера и традици-

Рис. I Оптимальные и квазиопти-мяльные сигналы для различных баз

онный в практике вертикального зондирования гауссообразный импульс. Лотоса сигналов принималась равной 20 кГц. Для гауссообразного импульса длительность составляла 150 мкс, для специальных импульсов - 300 мкс. Усреднение при вычислении дисперсии проводилось по тысячи выборкам для каждого уровня шума. Зависимости дисперсий определяемых параметров от отношения мощности шума к мощности сигнала приведены на рис.2, где жирная сплошная линия соответствует гаусеообразному импульсу, пунктирная линия - квазнои-тимальному сигналу, а штрих-нунктирная - коду Баркера. Дисперсия амплитуды на рисугке приведена в относительных единицах, дисперсия фазы - в градуса*, дисперсия задержки й дисперсия параметра у - в микросекундах. Приведенные на рис.2 зависимости показывают, что:

I погрешность оиределе-

t 0 08 - -'-i - -

1 V -г л ?

I

гт: j I

I I'M I l-l I I I

0.05 OtO

Отношение (Ршум/оеигхал)

Рис 2 Зависимость дисперсии определяемых параметров соотношения шум/сигнал для различных сигналов.

н ия наклона АЧХ обратно пропорциональна энергии производной сигнала и, соответственно, минимальна для квазиоптимального сигнала при всех рассмотренных уровнях щума;

2. утверждение 1 справедливо и для погрешности определения задержки в шумах доста точно малого уровня (шум/сигнал менее 1/10), при этом для квазиоптимального сигнала по-

грешность по т вполне сравнима с погрешностью современных фазоразност-ных методов [9];

Результаты моделирования легко распространить на сигналы с любой величиной базы. Квазиоптимальный сигнал с В = 20 позволяв повысить точность определения у по сравнению с гауссообразным импульсом более чем в 10 раз. В главе обсуждается также разрешающая способность квазиоптимального сигнала. Показывается его преимущество перед традиционным сигналом при определении задержек двух перекрывающихся по времени ионосферных откли-коя.

Широкий диапазон используемых при вертикальном зондировании несущих частот и, следовательно, диапазон групповых задержек отраженных сигналов определяет и набор величин базы оптимальных зондирующих сигналов. Различие формы оптимального сигнапа для различных величин базы вызывает необходимость создания и включения в состав комплекса вертикального зондирования ионосферы программно-управляемого формирователя зондирующих сигналов произвольной формы, позволяющего быстро изменять форму сигнала в зависимости от условий зондирования. Выбору метода формирования зондирующих сигналов и аппаратной реализации формирователя посвящена вторая глава настоящей работы.

Во второй главе в общем виде анализируется традиционная постановка задачи восстановления непрерывной функции по ее дискретным отсчетам. На основе анализа современного состояния техники формирования сигналов делается вывод о преимуществе способа формирования с использованием аппроксимирующих функций, имеющих ограниченный (локальный) во времени носитель. Выявляются основные источники погрешности как принципиального, так и технического характера для такого способа формирования. Излагается метод аппроксимации функций с помощью локальных ¿-сплайнов. Функция /{к) задается своими цифровыми отсчетами на интервале к - -сэ сэ1 7с, т?д, -¡читая

интервал дискретизации А =1, аппроксимирующую функцию fa{x) представляем в виде

Л(0= ¿ШШ'-*"«). (7)

где дополнительный сдвиг < <Х < j/^j оставляет свободу на расположение

узлов сплайна в произвольном месте интервала дискретизации А, а коэффициенты аппроксимации при сплайне 1ц определяются конкретными условиями аппроксимации и, в общем случае, могут быть записаны как

W)= tcpf(k-p). /;=-//

Для определении погрешности восстановления произвольного сигнала, заданного в ограниченной полосе частот, аппроксимация 5-сплайнами произвольной степени п рассматривается в частотной области как передаточная характеристика некоторого низкочастотного фильтра. При этом частотная характеристика сплайн-фильтра степени п Gn(co) определяется произведением Фурье-преобразования базового сплайна на некоторый тригонометрический полином

G„ =

Г / \ N+1

со/

£ ср&щ{-ico(p + a)). (8)

2 /

Показывается, что условие точности при восстановлении полиномов соответствующей степени п задает систему на коэффициенты тригонометрического полинома, определяющие, в некотором смысле, приближение такого сплайн-филмра к идеальному т

ЁС* Н)(т-А) с4гк](0) б(к)(<9)=з^ио),

к = 0

где Скт - число комбинаций из т по к. Отсюда получаем систему уравнений для определения искомых коэффициентов

о<и)( о)

J0m:

(9)

Интерпретация выражения (9) очевидна: фильтр нормирован в нуле на 1, а равенство производных нулю обеспечивает его близость к идеальному и в окрестности этой точки. Важное дополнительное условие вещественности импульсного отклика такого фильтра определяет два возможных тригонометрических полинома, которые могут быть подставлены в формулу (В). Для точных на многочленах сплайн-фильтров второй степени определены аналитические выражения передаточных характеристик 02(£У), соответствующие этим полиномам

Ga2(ü>) =

sin(íü/2)

Л3

со/2

С,

а2

Gb2(co)

sin(<y/2) . о>/2 )

0>2 ~

sin(<y/2) 0/2

sin(/u/2)

Га>!2 ,

1 + 0.5 sin2 0/2) и

• COSi

2-соя2!®/

Идея аппаратной реализации сплайн-фильтра основана на том, что п-ая производная б-сплайна степени п является одновременно и импульсным откликом

стандартного цифро-аналогового преобразователя. Действительно, 2-ая произвол

водная В-сплайна В2 является линейной комбинацией сплайнов В0, то есть - прямоугольных импульсов где ]~{(.г) = I, когда х Принадлежит интер-

валу [0,1] и = 0 вне этого интервала

Тогда по аналогии с (7) можно записать выражение

Поменяв порядок суммирования и интегрирования и заменив переменные, получим выражение для аппроксимирующей функции:

з

где для сплайн-фильтраО^

{со)

/(к - 2) +12ДА - 1) - 22/(А) +12/(* + 1) - /'(А +2)

= -

16

—^лу^

Г'

"I

Формула (10) задаст следующий порядок формирования сигнала:

1. вычисление по отсчетам функции./(4) текущих значений///.(/) (рис.За),

2. преобразование последовательности отсчетов в аналоговую форму при помоши цифроаналогового преобразователя (рис.36),

3. двукратное интегрирование сформированной последовательности аналоговых импульсов (рпс.Зв, г).

На описанный способ формирования сигналов получен Патент Российской Федерации.

Б этой же глазе приводятся результаты численного моделирования формирования сигнала с помощью локального А-сплайна второй степени. Даются рекомендации по выбору шага дискретизации и разрядности представления отсчетов исходной функции Рассмотрены возможные варианты аппаратной реализации такого формирователя.

В третьей__главе описывается структурная схема аппаратно-программного

комплекс;!, ооесиечиитощего формнроппнне зондирующего сигнала на проме-

/\AAtWvn-

П

Рнс.З Формируемым сигнал на выходе

а) чапомчнающего устройства;

б) ЦЛП;

в) I'" интегратора

г) 2"' интегратора

жуточной частоте (128 кГЦ), перенос era на частоту зондирования, излучение, когерентный прием отраженного сигнала, его первичную обработку и сохранение информации в электронном виде.

АПК, структурная схема которого представлена на рис.4, включает ь себя как штатное оборудование ионосферной станции (передатчик, приемник, антенные системы), так и специализированный блок формирования и регистрации сигнала (БФРС), разработанный в ИСЗФ СО РАН. Комплекс управляется программным образом от персональной ЭВМ типа IBM-PC (486 или Pentium), общая синхронизация и работа АПК в режиме когерентного приема обеспечива-

Рис.4. Структурная схема аппаратно-программного комплекса ВЗ

. ется единым синхронизирующим генератором.

Общими для приемного и передающего каналов АПК являются блок ко'. ' мандного управления и синхронизации (БКУ) и интерфейс связи с ПЭВМ. Приемный канал состоит из приемника и АЦП с автоматическим аттенюатором.

Передающий какал включает в себя передатчик и формирователь зондирующих сигналов.

Отдельно приводится блок-схема программно-управляемого формирователя аналоговых радиосигналов (рис.5), предназначенного для генерации в реаль-

Ílhieepc. Вм»од

Рис.5. Структурная схема формирователя зондирующих сигналов.

ном масштабе времени на промежуточной частоте 128 кГц широкого класса аналоговых сигналов с ограниченным спектром (до 50 кГц). Даны его основные технические характеристики:

1. Промежуточная частота........................................................50-200 кГц.

2. Полоса частот формируемых сигналов................................. до 50 кГц.

3. Среднеквадратичная погрешность формирования (при частоте взятия отсчетов Fm6 = 8 • F}.....................................................................не хуже 0,1 %.

4. Амплитуда выходного сигнала.............................................до 10 В.

5. Объем оперативной памяти....................................................4 кбайта.

Обсуждаются приемы калибровки приемо-передающих цепей комплекса по величине собственного наклона АЧХ. Описывается способ внесения в фор-

120

мируемый сигнал преднскажений, компенсирующих постоянный наклон АЧХ приемо-передающего тракта.

Рассмотрена постановка эксперимента по вертикальному зондированию ионосферы с использованием одновременно традиционного гауссообразного •лмпульса длительностью 100 мкс и сигнала с величиной базы, равной шести, оптимизированного для измерения наклона АЧХ радиоканала длительностью 300 мкс. Оба сигнала излучались поочередно через такт с частотой 5 Гц. При

приеме сигналы пропускались через фильтр с полосой пропускания 20 кГц В качестве примера, иллюстрирующего результаты эксперимента, приведены результаты обработки сеанса зонди-120 рованин, проведенного в наиболее сл.жной поме-ховой обстановке

(сред:'ее отношение

мощности шума к мощности сигнала - около 0.06). Па рне.б сплошная линия соответствует амплитуде (/О- фазе {(р), наклону ДЧХ (у) и задержке ( г), полученным в результате измерения с использо наиием кназноп-

6720

5

а> 710

690

] х

Л«»!.*; ! ' V? ' И' Ч

.'.Ч''! ? 1 - —Г у" » и V

20

а

л ю

2 - 1. <

20 У

40

60

60

100

120

0

§ -10

5 -¿О-К

20

40 60 80

Время в секундах

100

120

Рис.6. Временные вариации фазы, амплитуды, задержки и наклона АЧХ, измеренные с использованием различных сигналов.

22.06.96 1Л"= 10:56 Г-=3 I МГц

тимального сигнала, а пунктирная - гауссообразного импульса. Показывается преимущество синтезированного сигнала перед традиционном в практике вер-

•у

тнкалыюго зондирования гауссообразным импульсом, с точки зрения точности

/

определения всех регистрируемых параметров. Полученный экспериментально выигрыш в точности определения наклони АЧХ канала распространения и-чна-ла, при применении квазиоптимального зондирующего сигнала с величиной базы. равной шести, составил приблизительно 3 раза. В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Разработана методика обработки сигналов ВЗ для определения величины малых искажений, связанных с наклоном АЧХ ионосферного канала распространения. Предложен метод синтеза сигналов, оптимизированных для этой задачи. Синтезированы такие сигналы при различных значениях базы сигнала. Для этих сигналов рассчитаны зависимости погрешностей измерения параметров на фоне шумов различного уровня.

2. Предложен новый метод формирования аналоговых зондирующих сигналов произвольной формы ограниченных только полосой частот, на основе математического аппарата локальных Д-сплайнов. второй степени. Реализовано устройство формирования зондирующих сигналов произвольной формы в составе аппаратно-программного комплекса ВЗ, позволяющее в реальном масштабе времени изменять форму сигнала в зависимости от условий зондирования.

3. Создан аппаратно-программный комплекс вертикального зондирования ионосферы сигналами специальной формы Проведена экспериментальная проверка эффективности использования специальных сигналов. Качественно подтверждены теоретические оценки точности определения величины наклона АЧХ ионосферного радиоканала как параметра среды. Показано, что с применением специальных сигналов при ВЗ ионосферы погрешность определения величины наклона АЧХ может быть снижена более чем в 10 раз.

В приложении приведена таблица синтезированных оптимальных сигналов для

различных значений базы сигнала от 1 до 20.

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы

в 11 печатных работах:

1. Засенко В.Е., Заворин A.B., Ильин Н.В., Медведев A.B., Орлов А.И., Орлов Й.И., Шпынев Б.Г. О многолучевости сигналов при вертикальном зондировании ионосферы. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1991. Вып.93. сс. 197-203.

2. Заворин A.B., Засенко В.Е., Медведев A.B., Орлов А.И., Орлов И.И., Шпынев Б.Г. Способ формирования сигналов произвольной формы. Патент РФ № 2051414, приоритет от 9 апреля 1991 г.

3. Медведев A.B., Ратовский К.Г. Об использовании сложных сигналов для диагностики искажений в радиоканале при вертикальном зондировании ионосферы. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1995. В ;п. 105. сс.160-168.

4. Заворин A.M., Заруднев В.Е., Медведев A.B., Орлов И.И., Шпынев Б.Г. Формирователь сигналов произвольной формы. И Материалы региональной научной конференции, посвященной 100-летию изобретения радио Иркутск, 1995. сс.59-62.

5. Медведев A.B., Ратовский К.Г. Методика определения параметров двух интерферирующих сигналов при волновом зондировании среды. // Тез докл. XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Санкт-

■ Петербург.-17-19 сентября 1996. Т.1.СС.-233.

6. Заворин A.B., Заруднев В.Е., Медведев A.B., Орлов И.И., Шпынев Б Г. Формирование аналоговых сигналов произвольной формы с использованием метода локальных В-сплайнов. // Материалы конференции. Информационные

технологии и радиосети 96. Первая международная научно-практическая конференция. Омск: ОмГУ,1996.сс.52.

7. Медведев A.B., Ратовский К.Г. О повышении точности измерения параметров радиоканала при использовании специальных сигналов. // Труды третьей международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения". Новосибирск. 1996.Т.7.сс.8-9.

8. Раговский К.Г., Медведев A.B., Засенко В.Е.. Орлов А.И., Шпынев Б.Г. Методика определения четырех независимых параметров ионосферного радиоканала иа основа анализа полной формы сигнала. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1997. Вып.]07. сс.242-251.

9. Медведев A.B., Ратовский К.Г. О синтезе оптимального сигнала в задаче диагностики малых искажений в радиоканале. Препринт ИСЗФ СО РАН № 1097. Иркутск 1997, 12 с.

10. Медведев A.B., Орлов И.И., Потехин А.П. Анализ аппроксимации сигналов локальными B-сплайнами г. частотной области. Препринт ИСЗФ СО РАН № 1-98. Иркутск 1998, 15 с.

11. N.N.Iiyin, A.V.Mcdvedev, A.l.Orlov, K.G.Ratovsky, B.G.Shpynev. Extending the Diagnostic Potential of Vertical-Incidence Sounding. // in UaG-105 Computer Aided Processing of lonograins and ¡onosor.de Records Inf. Bull, edited by P.J.Wilkinson, Boulder, USA, 1998, pp.40-44'.

Цитируемая литература

1. Данилкнн Н.П., Заботин H.A. Новые виды диагностики ионосферных параметров методом наземного и внешнего радиозондирования. // Радиотехника, 1994, №3, сс.63-73.

2. Засенко В.Е., Ильин Н.В., Орлов И.И.. Тонкая структура сигналов, отраженных от ионосферы. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике солнца. Н-ск: Наука, вып 100^ 1993, сс. 152-167.

3. Засенко D.E., Ильин Н.В., Орлов 11.И., Ратовский К Г., Шпынев Б.Г., О быстрых вариациях параметров ионосферы. // Исследовании по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Н-ск: Наука, Вып.103. 1995. сс. 200-206.

4. Ратовский К.Г., Медведев А.В., Засенко В!Е., Орлов А.И , Шпынев Б.Г. Методика определения четырех независимых параметров ионосферного радиоканала на основе анализа полной формы сигнала // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Conuua. Вып. 107, (997, сс.242-251.

5. N.N.Ilyin, A.V.Medvedev, A.l.Orbv, k O.Ratovsky, B O Shpynev. Extending tlie Diagnostic Potential of Vertical-Incidence Sounding. // in UAC-105 Computer Aided Processing of ¡onognims and lonosonde Records Inf. Hull, edited by P.J.Wilkinson, Boulder, USA, 1998, pp.40-44.

6. Ратовский К.Г. Использование дисперсионных искажений сигнала для исследования мелкомасштабной структуры ионосферы. Препринт ИС'ЗФ СО РАН Ks 3-9». ЙркуТтк:, 1998, 15 с.

7. Ратовский K t". Диагностика мелкомасштабной структуры ионосферы с использованием дисперсПоийых йСка&еНйй зондирующе! о сигнала. // Международная Конференций 110 физйке йойосферЫ й атмосферы Земли. Иркутск «Тез.докд. 1998. с. 124.

8. Медведей A.fe., Ратовский К.Г. Об использований сложных сигналов для диагностйки искажений в радиоканале нрй вертикальном зондировании ионосферы. // Исследования hti Геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1995. Вып. 105. сс. 160-168.

9. Patii A.k. .Wright J.W., Fedof L.S. The interpretation of ionospheric radio drift mt'asliretnetit.s-Vl, Atigle-of-artlval atid group path (ecliolocatum) measurements from digitized ionospheric soundings: The group path vector // J. Atmos. Ten. Phys. 1974. Vol.36, N2. pp.193-214.

п Л Л Л */ / О /К >?

п7 - Ч Ч ~ 7 / ^ СО

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ЛЕНИНА СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Ордена Трудового Красного Знамени институт солнечно-земной физики

На правах рукописи

Медведев Андрей Всеволодович

УДК 550.388.2 + 621.391

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСИОННЫХ ИСКАЖЕНИЙ СИГНАЛОВ ПРИ ВЕРТИКАЛЬНОМ

ЗОНДИРОВАНИИ ИОНОСФЕРЫ

(01.04.03 - радиофизика)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -доктор физико-математических наук

Орлов И.И.

Иркутск - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Список основных сокращений и обозначений.................................................4

Введение.............................................................................................................6

Глава 1. Синтез оптимального сигнала в задаче диагностики малых искажений при вертикальном зондировании ионосферы.

1.1. Введение........................................................................................24

1.2. Представление сигнала и схема диагностики параметров радиоканала....................................................................................................26

1.3. Постановка задачи синтеза оптимального сигнала......................30

1.4. Метод решения задачи синтеза.....................................................32

1.5. Результаты численного синтеза....................................................35

1.6. Численное моделирование прохождения оптимального сигнала через радиоканал и расчет погрешности определения параметров на фоне шума.....................................................................................38

1.7. Заключение.....................................................................................45

Глава 2. Формирование аналоговых сигналов произвольной формы с использованием локальных 5-сплайнов.

2.1. Введение.......................................................................................47

2.2. Проблема аппроксимации............................................................48

2.3. Погрешности преобразования......................................................50

2.3.1. Принципиальные погрешности............................................51

2.3.2. Технические погрешности....................................................56

2.4. Выбор способа аппроксимации.....................................................61

2.5. Определение В-сплайнов и их основные свойства.......................64

2.6. Представление непрерывных функций В-сплайнами...................67

2.7. Анализ погрешности аппроксимации в частотной области.............................................................................................................70

2.8. Принципы работы формирователя аналоговых сигналов произвольной формы..............................................................................................83

2.9. Выбор параметров формирователя. Частота дискретизации и число уровней квантования..............................................................................87

2.10. Заключение....................................................................................91

Глава 3. Аппаратно-программный комплекс вертикального зондирования ионосферы сигналами специальной формы.

3.1. Введение...........................................................................................92

3.2. Состав и режимы работы АПК........................................................93

3.3. Формирователь зондирующих сигналов. Основные характеристики..............................................................................................................98

3.4. Эксперимент по проверке работоспособности комплекса при вертикальном зондировании ионосферы сигналами специальной формы... 100

3.5. Заключение.......................................................................................109

Заключение..........................................................................................................110

Приложение.........................................................................................................112

Литература...........................................................................................................116

Список основных сокращений и обозначений

ВЗ - вертикальное зондирование

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

АПК - аппаратно-программный комплекс

КК - квадратурная компонента

fit) - функция времени, сигнал

а0 (/), ait) - косинусная КК излученного и принятого сигналов b0(t), bit) - синусная КК излученного и принятого сигналов û)0 - несущая частота

q{) (/), qit) - комплексная амплитуда излученного и принятого сигналов g"(7) - огибающая сигнала

Hico) - передаточная функция линейного канала Q - полоса частот

Т - длительность интервала наблюдения, длительность сигнала у - наклон АЧХ /л - амплитуда (р - фаза т - задержка

СКО - среднеквадратичное отклонение В - база сигнала

<JZ - погрешность определения параметра z

Е0 - энергия зондирующего сигнала

E'q - энергия производной зондирующего сигнала

R(t) - корреляционная функция

W - энергетический спектр шума

V - коэффициент пропускания

АКФ - автокорреляционная функция

Р - мощность

F - максимальная частота в спектре сигнала А - интервал времени между отсчетами FBbl6 - частота взятия отсчетов АЦП - аналого-цифровой преобразователь ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь Q - шаг квантования

Вт (х) - 5-сплайн степени m

В^ (х) - н-ая производная S-сплайна степени m БФРС - блок формирования и регистрации сигнала БКУ - блок командного управления и синхронизации

ВВЕДЕНИЕ

Исследования ионосферы играют важную роль в изучении физики околоземной плазмы не только потому, что они связаны с рядом важных прикладных задач в областях радиосвязи, радионавигации и радиолокации, но и вследствие того, что ионосфера, являясь индикатором процессов, происходящих в верхних слоях нейтральной атмосферы, может служить средством диагностики таких явлений, как землетрясения, тайфуны, геомагнитные возмущения и т.д. Общий интерес к этой проблеме находит свое отражение в многообразии радиофизических методов и широком диапазоне диагностируемых ионосферных параметров. Согласно современным представлениям, ионосферная плазма в своем естественном состоянии характеризуется развитой нерегулярной структурой, в которой представлены самые различные пространственные масштабы. Вместе с тем, основной массив данных об ионосфере, получаемый средствами наземного радиозондирования, относится к крупномасштабной структуре и динамике ионосферной плазмы. Возможности радиозондирования используются при этом далеко не полностью. Для того, чтобы расширить возможности стандартного ионозонда как источника информации о мелко - и среднемасштабных неодно-родностях ионосферы, необходим более точный подход к анализу информации, содержащейся в отклике ионосферы на зондирующий сигнал [1]. Цифровые методы регистрации сигналов, отраженных ионосферой при ВЗ, позволяют, например, одновременно фиксировать вариации фазы, задержки, амплитуды, поляризации и углов прихода отраженного сигнала с периодами в доли секунды.

Кроме того, большой дополнительный объем информации о среде может быть получен при изучении собственно формы отраженного сигнала и искажений формы, возникающих при распространении зондирующего сигнала в ионосферном радиоканале. Для описания формы узкополосного сигнала fit) обычно используют две его КК

/ (t) = a{t) cos (d)0t) + b{t) sin(ft>00. (1)

Информационная часть сигнала характеризуется комплексной амплитудой

q(t) = a(t) + ib(t)t (2)

реальная и мнимая части7 которой представляют соответствующие КК. При этом^для амплитудно-модулированного (или манипулированного) сигнала, b(t) пропорциональна a(t), и сигнал можно представить в виде

q(t) = a(t). (3)

Под искажением формы будем понимать различие комплексных амплитуд зондирующего q0(t)и отраженного ионосферой q{t)сигналов.

Работы по изучению искажений формы сигналов ВЗ проводились в отделе распространения радиоволн ИСЗФ СО РАН с начала 80-х годов. В работе [2] впервые отмечался специфический характер экспериментально наблюдаемых искажений сигнала ВЗ, при которых первоначально амплитудно-модулированный импульс приобретал паразитную фазовую модуляцию, заключающуюся в появлении дополнительной квадратурной компоненты отраженного сигнала, формой своей повторяющую производную сигнала зондирования. В

последующих статьях [3-6] было показано, что искажения такого рода являются типичными для сигналов ВЗ вдали от критических частот. Удобной формой наблюдения такого рода искажений является фазовая диаграмма - кривая в прямоугольной системе координат, где по осям отложены КК a(t) и b(t) узкополосного сигнала f{t). Исходный амплитудно-модулированный сигнал на фазовой диаграмме (рис.1) имеет вид отрезка прямой, проходящей через начало ко-b(t) g(t)

Рис. 1. Фазовая диаграмма и огибающая излученного (сплошная линия) и принятого (штриховая линия) сигналов ВЗ.

ординат. Наличие фазовой модуляции проявляется в том, что отрезок превращается в петлю.

Интересно, что на огибающей сигнала g(t) такие искажения практически не сказывается, поскольку

g(t) = л] a2 (t) + b2 (t) (4)

и, при искажениях, связанных с появлением паразитной КК b(t) величиной в 10% от a(t), изменение огибающей составит менее процента, изменение же фазовой диаграммы, то есть отличие петли, ширина которой 10% ее длины, от

отрезка, заметно очень хорошо. Экспериментальный материал по исследованию внутриимпульсной фазовой структуры сигналов ВЗ был обобщен в диссертационной работе Засенко В.Е. [7]. Теоретическое объяснение такого типа искажений было дано в работах [8,9], где была представлена линейная модель ионосферного канала распространения сигнала, учитывающая частотную зависимость модуля передаточной функции канала. Согласно этой модели, искажение сигналов ВЗ, изображенное на рис.1, вызывается наклоном (непостоянством в полосе частот сигнала) АЧХ ионосферного канала распространения. Тот факт, что сильная частотная зависимость модуля передаточной функции приводит к фазовой модуляции, был известен и ранее [10], неожиданным оказалось то, что эта модуляция заметна в самой обычной ситуации, для импульсов с шириной полосы порядка 10 кГц, широко используемых в практике ВЗ. В рамках модели [9] такого рода искажения могут быть оценены количественно, а наклон АЧХ канала распространения может стать дополнительной характеристикой, регистрируемой при ионосферных наблюдениях.

Согласно работе [8], коэффициент наклона АЧХ определяется выражением

Г = "^Ч®о)М®о) (5)

и имеет размерность времени.

Тогда знакомая нам фазовая диаграмма может быть интерпретирована следующим образом (рис.2): угол поворота петли есть фаза принятого сигнала,

Ъ(1)

длина петли - амплитуда, а отно

№ ' У ' ^ щение ширины к длине есть про

изведение наклона АЧХ и ширины

полосы сигнала.

Разумеется, искажения реаль

1 а(Ч)

ного сигнала ВЗ могут быть связа-

ны не только с у ионосферного

Рис.2. Оценка параметров сигнала ВЗ по фазовой диаграмме.

канала, в диссертации Ильина Н.В.

[И], например, рассмотрены также искажения фазовой структуры сигнала, вызванные нелинейностью фазово-частотной характеристики радиоканала. Критерием того, насколько выбранная модель адекватно описывает реальный ионосферный канал, может служить мера соответствия модельного сигнала принятому, определяемая величиной СКО. Статистический анализ СКО стал возможен после проведения в отделе распространения радиоволн ИСЗФ СО РАН в 1995-97 годах серии экспериментов по ВЗ ионосферы, в которых величина^ измерялась на различных частотах, непрерывно на интервалах более 5 минут, наряду с традиционными параметрами /и, (р иг. Такой анализ на 6000 выборок, проведенный в работе [5], позволил говорить о том, что вдали от критических частот искажения сигнала ВЗ существуют и объясняются, в первую очередь, наклоном АЧХ.

Всего на настоящий момент было обработано около 100 пятиминутных сеансов. На рис.3 представлен типичный пример вариаций параметров радиоканала во времени. Вариации т и (р пересчитаны в вариации группового и фазового пути соответственно. Из рисунка можно увидеть существенную разницу во временных масштабах изменений различных параметров канала; если для

2 1 О 2 го --9-5 !-

-1-

=Г СО

а. со

ш -2

I I I I I I I I I | I I I I

II I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I II

|"",м

01 23456789 10

1(мин.)

о 3

I I I I | I I II | I I I I | I I I I | II I I | I I I I | I I II | I II I | I I I I | М I I ^

01 23456789 10

1(мин.)

1.0-

сс ф

0.5-

0.0-

I I I I | I I I I | I-1 I I | Г1' I I | I "I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I

0123456789 10

1(мин.)

4-1 Ъ 2-

о

-2

I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I м | I I I I | I I I I |

0123456789 10

^мин.)

Рис.3. Вариации параметров ионосферного радиоканала 17.03.95г. 00:36: ЬТ ¥-2.1 МГц

вариаций фазового и группового пути характерны масштабы порядка нескольких минут, а для вариаций /и - порядка десятков секунд, то для у характерное

время изменения составляет всего несколько секунд.

На основе всего экспериментального материала были сделаны первые количественные оценки поведения у во времени. Среднее время корреляции у составляет 2-5 сек., среднеквадратичное значение 1-4 мкс. Некоторые выводы можно сделать и о физической природе у .

Традиционно считается, что для узкополосного сигнала вдали от критических частот искажения связаны в основном с эффектом интерференции нескольких зеркальных компонент, отраженных разными областями ионосферы [12-14]. Однако эксперименты показали, что интерференция двух магнитоион-ных компонент это явление не объясняет, поскольку характерное расширение фазовой диаграммы наблюдается в сигналах каждой из компонент при их разделении по времени задержки [6]. Нельзя также объяснить целиком природу у явлением многолучевости, обусловленной наличием крупномасштабных волнообразных ионосферных возмущений. Измерения, проведенные на австралийском коротковолновом Pencil Beam - радаре с чрезвычайно узкой диаграммой направленности [14], показали, что ситуация искажений сигнала ВЗ, подобных представленным на рис.1., является типичной даже тогда, когда засвечиваемая область пространства существенно меньше зоны Френеля.

¡л и (р чувствительна к мелкомасштабным возмущениям. Для степенного

спектра неоднородностей, согласно выбранной модели, высокочастотная асимптотика спектра у должна иметь также степенной характер, причем с показателем степени на 2 меньше аналогичного показателя спектров амплитуды и фазы. Следует отметить, что такое соотношение показателей спектров находится в хорошем соответствии с экспериментальными данными. На рис.4, представлены спектры /л и у в двойном логарифмическом масштабе. Прямые пунктирные линии аппроксимируют спектры степенными функциями Р~р, в данном случае для амплитуды показатель степени р = 4.02, для наклона АЧХ - р = 2.04 [17].

В целом работы [1718] позволяют сделать вывод, что измерение характеристики у наряду с ¡л и (р расширяет, с точки зрения решения обратной радиофизической задачи, диагностические возможности метода ВЗ и позволяет:

Частота (Гц)

Рис.4. Экспериментальные спектры амплитуды и наклона АЧХ (сплошные линии) и соответствующие высокочастотные асимптотики (пунктир). 17.03.95г. 00:36: ЦТ Б=2.1 МГц

Физической причиной наличия у может быть частотная зависимость поглощения радиоволн в ионосфере [15], которая обратно пропорциональна квадрату частоты. Оценки показывают [11], что величина у, возникающей из-за частотной зависимости поглощения, должна составлять в среднем порядка 0,5 мкс, что при полосе сигнала порядка 10 Кгц должно давать ширину петли на фазовой диаграмме порядка 0,5% от длины. Однако экспериментальные данные дают значения иногда в десятки раз больше этой оценки. Все эти рассуждения позволяют предположить, что основной причиной наличия у в ионосферном канале и связанных с ним искажений сигнала ВЗ может служить мелкомасштабная неоднородная структура отражающего слоя, ответственная за флуктуации амплитуды отраженных сигналов и F рассеяние. В таком случае у, являясь

производной амплитуды по частоте, несет дополнительную информацию о масштабах рассеивающих неоднородностей, аналогично радиусу частотной корреляции флуктуаций амплитуды [16]. Это предположение открывает дополнительные возможности для решения обратной радиофизической задачи диагностики мелкомасштабной структуры ионосферы.

В работах [17-18] на основе модели фазового экрана была установлена связь флуктуаций у со свойствами ионосферных неоднородностей. В рамках статистического подхода было найдено соотношение среднеквадратичного значения наклона АЧХ со статистическими параметрами неоднородной структуры ионосферной плазмы. Полученные выражения подтвердили, что / более чем

1. верифицировать исходную модель спектра неоднородностей;

2. оценить вертикальной масштаб неоднородной структуры ионосферной плазмы;

3. оценить интенсивность относительных флуктуаций электронной концентрации.

Следует отметить также, что энергетика низкочастотных составляющих (00.1 Гц) в спектре наклона АЧХ существенно ниже, чем в спектре амплитуды и тем более фазы и вполне сравнима с энергетикой быстрых флуктуаций (0.1-0.2 Гц). Это обстоятельство позволяет существенно упростить задачу исключения влияние крупномасштабных волнообразных возмущений на динамику у и выделения вариаций параметра, связанных именно с мелкомасштабными ионосферными неоднородностями [18].

Вместе с тем, измерения характеристики у, проведенные в 95-97 годах,

выявили и недостатки, которые касаются существующей аппаратуры, методик радиозондирования и обработки данных. Зондирование традиционно используемым в практике ВЗ гауссообразным импульсом не дает, к сожалению, необходимой точности определения параметра у (при типичных значениях соотношения сигнал/шум погрешность измерения может