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

г;, О А 1 < *

а о л"Т у"-''"1«

] и и - -

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

У/ / /

Иркутск - 1998

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени ИнстИтутё 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-матема тических наук У пучков В.Е.

Ведущая организация: Институт информационных технологий и

прикладной математики СО РАН, г.Омск.

Зашита состоится: "¿8 " октября 1998г. в 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 "Я5 " С?М7Я5Р9\ 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Радиозондирование занимает ведущее положение в сиг,теме 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 (ЙЗ) используются далеко не полностью. Основной массив информации, получаемый этим способом, относится к крупномасштабной структуре и динамике ионосферной плазмы. Для того чтобы сделать ионозонд средством диагностики мелко- и среДнемасштабных неоднородйостей ионосферы необходим углубленный анализ отраженного сиг нала [1]. Большой дополнительный объем информации о среде Может быть полуЧеН при изучении собственно формы отраженного сигнала И иска-ЖеНий формы, Возникающих ripti распространении зондирующего сиГНала в Ионосферном радиоканале [2-8].

Радиоканал Земля-ионосфера-ЗелШ Можно охарактеризовать передаточной функцией Н(со), представляющей собой о+кдик ионосферы на монохроматическую Ьолну. Для оЦеики Малых НскаЖеИий узкополосноГо сигнала в радиоканале модуль ft(có) (АЧХ) и аргумент ¡р(со) (<ЬЧХ) Передаточной функции канала могут быть разложены вблизи Несущей час+отЫ зондирования b ряд Тейлора в Первом (Линейном) приближений [2]. Такое представление //(«^позволяет установить связь между комплексными амйлйтуДамИ излученного q0(t) и принятого сиг нала q(t)n виде:

= {q0(,l-r)-ír-q'0U-r)), (I)

где: // = fi(fo0)- амплитуда, у) = фаза, т = ip'(0o)- задержка отра-

женного сигнала, а у ~ ~ /'4tt,o)/M'ya) " значение наклона АЧХ радиоканала на несущей частоте. Таким обрпзом, малые искажение формы узкополосного

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

---У О « 1.---(2Г

Работы по изучению искажений формы сигналов ВЗ проводятся в отделе распространения радиоволн ИСЗФ СО РАН с начала 80-х годов. Первые исследования дннамикн тонкой структуры ионосферного отклика и вариаций параметров 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 }.1,(р иг показала [4,5], что:

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

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

2. 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 //, р и г открывает дополнительные возможности для решения обратной радиофизической задачи диагностики 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 параметрами неоднородной 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 флуктуации электронной концентрации.

Вместе с тем, измерения характеристики у выявили и недостатки, которые касаются существ уюшей аппаратуры, методик радиозондирования и обработки данных. Зондирование традиционно используемым в 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 иссл ^дования тонкой структуры ионосферного отклика требует комплексного подхода к постановке измерен 1Й. Наряду с совершенствованием методик диагностики параметров, необходимо, во-первых, корректно поставить и решить зади .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 сигнала 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, включающе! о и 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, ограниченных только полосой »астот, на основе математического аппарата локальных В-сплайнов. Устройство, реализующее этот алгоритм, включено в состав АПК для ВЗ ионосферы сигналам и, специальной формы. Практическая ценность работы состоит в создцчии АПК для ВЗ ионосферы сигналами специальной формы, расширяющего диагностические возможности метода ВЗ, результаты ее могут быть использованы: V

1. при создании диагностических средств в ионосферных,исследованиях;

2. при разработке адаптивных систем радиосвязи;

3. при разработке аппаратуры формирования аналоговых сигнал п.в произвольной формы в различных сферах научно-технической деятельности. ' -

Ни защиту выносятся следующие положения:

1. Но1:.ый метод и результаты синтеза специальных сигналов, оптимизировав., ных для ;я!хачи,диагностики наклона АЧХ ионосферного радиоканала при ВЗ, а также методик;! их обработки.

2. Новый метод формирования аналоговых сигналов на основе использования аппарата локальных Л-сплайнов. Реализация программно-управляемого формирователя аналоговых радиосигналов произвольной формы с составе АПК Ei'i, позволяющего быстро изменять форму сигнала в зависимости от условий зондирования.

Апробация работы: Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на XVI-ой Всесоюзной конференции-по распространению радиоволн (Харьков, 1990); на Региональной научной конференции, посвященной 100-летию изобретения радио (Иркутск:, 1995); на Международной конференции «Информационные технологии н радиосетп-96» (Омск, 1996); на XVIII-ой Всероссийской конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996); на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 1996); на XXV-ой Генеральной ассамблее URSI (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 й 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 /?(<):

АЧХ).

|ВД| = тах{!Я(0!},

(3)

+00

-ее

Амплитуда ц и фаза (р определяются как:

<р = к%{К[т))

(4)

■КЮ

где Ей = ||i/n(i)| dt - энергия сигнала. Для определения наклона АЧХ

-оо

(параметра у) используется производная функции R(t)

Наклон АЧХ рассчитывается следующим образом:

[ Л £6 I 1 Ц Л(г) J

где Eq имеет смысл энергии производной сигнала

dt.

-с»

D 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 энергии. Показано, что в этом случае возможна постановка задачи и" максимизацию энергии сигнала ограниченной длительности Т на выходе фильтра с передаточной фуг-цией H (со),

licol а, ф е[-П/2,П/2], где H (со) = < .

О , е»е[-П/2,П/2]

Для сигналов с равной энергией эта задача эквивалентна задаче максимизации коэффициента пропускания этого фильтра V — E¡Eq , где Е - энергия сигнала на выходе фильтра:

а/2

Е =

яСГ

со

-П/2

Г/2

•Г/2

I

Л

1{(0.

В=1

^1жш1шяьгтсанкрешнй^ислеиный^1ет0д^интеза^1г1имальннг0-сигнплв^ш1я-различных значений базы В (В = ОТ/2;г), основанный на разложении оптимального сигнала по некоторому базису. В приложении приводятся значения 20 гармоник оптимальных сигналов для баз от—1—до 20—Вводится понятие «квазиопгимальный сигнал», как приближение оптимальною сигнала одной

гармоникой выбранного базиса, имеющей наибольший коэффициент пропускания V. На рис.1 изображены оптимальные и квазиоптимальные сигналы (соответственно сплошная н 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 [- Г/2, Г/2] и, следовательно, максимально Использует энергетические характеристики передатчика. При этом показано, что коэффициенты V для опти-Рис.1 Оптимальные и квазиопти- мольного и квазиоптимальиого сигналов во мяльные сигналь: для различных баз. всем рассматриваемом диапазоне значений

баз отличаются не более чем на 5% Приводятся результаты численного моделирования тохсгдакия квазиоптимального сигнала через радиоканал с последующи '^^хг.г^ул? ларгг«т-ров сигнала по формулам (3-6) на фоне шуМов различного урозня. мри ¡л одел и-ровании сравнивались между собой: квазиопгимальный сигнал для базы, равной 6, согласованный с полосой частот трехэлементный код Бпркера и традици-

онный в практике вертикального зондирования гауссообразныи импульс. Полоса сигналов принималась равной 20 кГц. Для гауссообразпого 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 параметроз от отношения мощности шума к мощности сигнала приведены на рис.2, где жирная сплошная линия соответствует гауссообразному импульсу, пунктирная линия - квазпон-тимальному сигналу, а штрих-пунктирная - коду Баркера. Дисперсия амплитуды на рисугке приведена в относительных единицах, дисперсия фазы - в градусах, дисперсия задержки й дисперсия параметра / - в микросекундах. Приведенные на рис.2 зависимости показывают, что:

1 погрешность определения наклона АЧХ обратно пропорциональна энергии производной сигнала и, соответственно, минимальна для квазиоптимального сигнала при всех рассмотренных уровнях шума;

2. утверждение 1 справедливо и для Погрешности определения задержки в шумах достаточно малого уровня (шум/сигнал менге 1/10), при этом для квазиоптимального сигнала по-

... 1 1 1 1 1 1 1 1 1 > - Г Т г -| 1 1 1 - Т -1- 1

... -JX-'-í

' Ж-i - t ^ С _ AJcj

Ai-r-i'-Г

: : ; : 1 1 1

- Г -1- г -г Г - 1 i i i II - T "Г 'i —1—■—í

9 [lililí I —I—I—I

ООО 0.05 0.10

0.05 0.10

Отношение (Ршум / °си™ал)

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

грешность ло г 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. Показывавши его преимущество перед традиционным сигналом при определении задержек двух перекрывающихся по времени ионосферных откликов.

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 сигнала 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 п 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) вс времени носитель. Выявляются основные источники погрешности как принципиального, так и технического характера для такого способа формирования. Излагается метод аппроксимации функций с помощью локальных В-сплайнов. Функция /(к) задается своими цифровыми отсчетами на интервале к = 7с считая

интервал дискретизации Л=1, аппроксимирующую функцию /0(т) представляем в виде

/Д0= ¿M f]Bn(t-k-a),' (7)

где дополнительный сдвиг < а < j/jJ оставляет свободу на расположение

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

w>= ïtcpf(k-p).

/'=-/<

Для определения погрешности восстановления произвольного сигнала, заданного в ограниченной полосе частот, аппроксимация В-сплайнами произвольной степени п рассматривается в частотной области как передаточная характеристика некоторого низкочас тотного фильтра. При этом частотная характеристика сплайн-фильтра степени п Gn ( (О) определяется произведением Фурье-

преобразозания базового сплайна на некоторый тригонометрический полином

ди + 1

V

£с>ехр(-/<у (> + «))• (8)

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

(-1)<"-*> 01Гк\0) ¿{к)(со) = 5^(го),

*=о

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

(

G„ =

sin(<4£)

О)/ /2

О/ГЧО) = &»,» ж = 0,1,...,л. (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 (8). Для точных на многочленах сплайн-фильтров второй степени определены аналитические выражения передаточных характеристик (си), соответствующие этим полиномам

5т(<у/2)^|3 _ ( 81П((У/2)^3 , ^ . —-Са2= —• 1 + 0.5 БИТ (<у/2) и а1 1 «в/2 )

Оа2(со)= | ф

/

о)/2 ) \ со'!

Идея аппаратной реализации сплайн-фильтра основана на том, что п-ая производная й-сплайна степени п является одновременно и импульсным откликом стандартного цифро-аналогового преобразователя. Действительно, 2-ая производная £-сплайна В^ является линейной комбинацией сплайнов В0, то есть - прямоугольных импульсов [7 (л), где (.г) = 1, когда * принадлежит интервалу [0,1] и £!(*)= 0 вне этого интервала

^, ^=П <*+- 2П (* + у2) +П (х-у2)-

Тогда по аналогии с (7) можно записать выражение

/аг\х) [гк*2П<*+К - +Ш* ~ X ~

к =—оо

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

к=~п к=-<*>

г де для сплайн-фильтра С7Я 2

(СО)

- /(к _ 2) +12/(* - 1) - 22/СА) +12/(Л +1) - /(* + 2)

Нь =

16

'И'

I---.^АА*^

Формула (10) задает следующий порядок формирования сигнала:

1. вычисление по отсчетам функции/(к)

текущих значений///•(/) (рис.За),

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

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

На описанный способ формирования сигналов получен Патент Российской Федерации.

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

Р третьей__главе описывается структурная схема аппаратно-программного

комплекса, обеспечивающего формирование зондирующего сигнала на проме-

Рмс.З Формируемым сигнал на выходе

а) запоминающего устройства;

б) ЦАП;

в) Г" интегратора

г) 2'" интегратора

жуточной частоте (128 кГЦ), перенос его на частоту зондирования, излучение, когерентный прием отраженного сигнала, его первичную обработку и сохране-

-ние-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-

Рнс.4. Структурная схема аппаратно-программного комплекса ВЗ.

• ется едшшм синхронизирующим генератором.

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

Передающий капал включает в себя передатчик и формирователь зондирующих сигналов.

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

Данные / -/

Препбраз. уровня

гтл-

эсл

^ВшУ,

лаю.

Выход аналоювоге сигнала

Дан-е

Регистр ЭОЛ

-а.

Дан-е .

ЦЛП

1Инверс. Выход

И

Стабилизатор лрейфа «О»

Буферный усмлительл

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 РвыС = 8 • ).....................................................................не хуже 0.1 %.

4. Амплитуда выходного сигнала.............................................до 10 3.

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

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

мируемый сигнал предискажений, компенсируют;;^ постоянный наклон АЧХ

приемо-передающего тракта.

Рассмотрена постановка эксперимента по вертикальному зондированию ионосферы с использованием одновременно традиционного гауссообразного импульса длительностью 100 мкс и сигнала с величиной базы, равной шести, оптимизированного для измерения наклона АЧХ радиоканала длительностью

300 мкс. Оба сигнала излучались поочередно через

Ф

720 -

« 700

690

1 т

ЛшЬш: ц М м !

. ' ■ ? ! > 1 ■ 1 1 - у - -г - г я 'т; 1 -,-----у

120

X

1 <

и

со X

—г------■»-----Г--1-----Г"

40 60 80

Время в секундах

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

22.06.96 1Л"=10:56 1т==3 1 МГц

такт с час шиш 5 Гц. При— приеме сигналы пропускались через фильтр с полосой пропускания 20 кГц. В качестве примера, иллюстрирующего результаты эксперимента, приведены результаты обработки сеанса зондирования, проведенного в наиболее сл -,кной поме-ховой обстановке

(средгее отношение

мощности шума к мощности сигнала - около 0.06). На рис.6. сплошная линия соответствует амплитуде (/О фазе (<;р), наклону АЧХ (к) н задержке (г), полученным и результате игмсрсння с использованием кказнон-

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

•у

■шкального, зондирования гауссообразным импульсом, с точки зрения точности

определения всех регистрируемых параметров. Полученный экспериментально

выигрыш в точности определения наклона АЧХ канала распространения и'тна-

/

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 Я-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., Заворнн A.B., Ильин Н.В., Медведев A.B., Орлов А.И., Орлов И.И., Шпынев ь.1. и многолучевости сигналов при вертикальном зондировании ионосферы. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1991. Вьш.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 1991г.

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

4. Заворин А.М., Заруднев В.Е., Медведев A.B., Орлов И.И., Шпынев Б.Г. Формирователь сигналов произвольной формы. II 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. - б. Заворнн A.B., Заруднев В.Е., Медведев A.B., Орлов И.И., Шпынев Б.Г. Формирование аналоговых сигналов произвольной формы с использованием ме-

•. г

\ тода 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. 1996.1.1.сс.8-9.

8. Ратовский К.Г., Медведев A.B., Засенко В.Е.. Орлов А.И., Шпьшев Б.Г. Методика определения четырех независимых параметров ионосферного радиоканала на основ'; анализа полной формы сигнала. // Исследования пс геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. 1997. Вып.107. сс.242-251.

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

10. Медведев Л.В., Орлов И.И., Потехин A.Ü. Анализ аппроксимации сигналов локальными B-сплайнами в 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 Process in).' of lonogra/ns and Ionosor.de Records Inf. Bull, edited by P.J.Wilkinson, Boulder, USA, 1998, pp.40-44.

Цитируемая литература

1. Данилкин 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. И Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике солнца. Н-ск: Науки, вып 100^ 1993, сс. 152-167.

3. Засеико B E., Ильин И.В., Орлов И.И., Ратовский К.Г., Шпынев Б.Г., О быстрых вариациях параметров ионосферы. II Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Н-ек: Наука, Вып. ЮЗ. 1995. ее. 200-206.

4. Ратовский К.Г., Медведев А.В., Засенко BE., 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 Солнца. Вып 107, 1997, сс.242-251.

5. N.N.Hyin, A.V.Medvedev, A.l.Orlov, k O.Ratovsky, B O Shpynev. Extending tlte Diagnostic Potehtia! of Vertical-Incidence Sounding. // in lJAd-105 Computer Aided Processing of ¡onogfxtms and loHO.wnde 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 МСЗФ СО РАН Нй 3-98. Иркутск:, 1998, 15 с.

7. Ратовский fct. Диагностика мелкомасштабной структуры ионосферы с ис-лользобанИеМ дисперсйонйЫ* искажений зондирующего сигнала. /' Международной конференция НО физИке Ионосферы И атмосферы Земли. Иркутск. «Тез.докл. 1998. с. 124.

8. Медведей А.Ь., Ратовский К.Г. Об использований сложных сигналов для диагностики Искажений в радиоканале при вертикальном зондировании ионосферы. // Исследования iitJ ffcotoai неТизМу, аэрономии и физике Солнца, 1995. Вып. 105. сс.1б0-16Й.

9. РаШ A.k.,Wright J.W., Fedor L.S. The interpretation of ionospheric radio drift measuretnents-Vl Atlgle-of-arrival ahd group path [echolocationj measurements from digitized ionospheric soundings: The group path vector // J. Atnws. Terr. Phys. 1974. Vol.36, N2. pp. 193-214.

Множительный участок ИСЗФ СО РАН

Заказ №701 ог 23.09.98 Объем 22 стр. Тираж 100 экземпляров