Исследование вероятностных свойств кратных ионосферных отражений методом когерентного приема тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ КРАТНЫХ ИОНОСФЕРНЫХ

ОТРАЖЕНИЙ. II

§ 1.1. Основные направления исследований.II

§ 1.2. Статистические модели отражения второй кратности

§ 1.3. Параметр сигнал-шум для кратных ионосферных отражений

§ 1.4. Способ определения параметра сигнал-шум ионосферных отражений второй кратности

§ 1.5. Метод определения рассеивающей способности земной поверхности в декаметровом диапазоне радиоволн.

ГЛАВА П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ СИНХРОННОЙ РЕ1ИСТРАЦИИ ИОНОСФЕРНЫХ СИГНАЛОВ РАЗЛИЧНОЙ

КРАТНОСТИ.

§ 2.1. Структурная схема установки.

§ 2.2. Принцип работы основных блоков.

§ 2.3. Схема стробирования

ГЛАВА Ш. ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

§ 3.1. Сравнительный анализ методов определения параметра сигнал-шум.

§ 3.2. Экспериментальные исследования эффективности когерентных способов измерения параметра сигнал-шум.

§ 3.3. Требования к установке и оценка погрешностей.

§ 3.4. Экспериментальная проверка влияния погрешностей за счет частотной нестабильности и расфазировки на фазовые измерения

ГЛАВА 17. ОСНОВНЫЕ РЕ37ЛБТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

§ 4.1. 7словия эксперимента.

§ 4.2. Выбор статистических параметров для анализа свойств распределений огибающей и квадратур отражений второй кратности

§ 4.3. Статистический анализ экспериментальных значений параметров распределений огибающей и квадратур отражений второй кратности.

§ 4.4. Параметр сигнал-шум ионосферных отражений второй кратности

§ 4.5. Оценка рассеивающей способности земной поверхности.ИЗ

§ 4.6. Спектрально-корреляпионные свойства ионосферных сигналов второй кратности

Поле отраженных от ионосферы радиоволн имеет статистический характер вследствие того, что ионосфера является флуктуирующей средой, подверженной изменениям хаотического и регулярного характера [1-4] . Указанные изменения имеют место в пространстве и во времени. Спектр размеров ионосферных неоднороднос-тей достаточно широк. Все это и приводит к случайной модуляции параметров отраженных от подобной ионосферы радиосигналов. Исследование статистических параметров отраженного сигнала, в конечном итоге, стимулируется требованием совершенствования систем радиосвязи, а также является средством для изучения физических свойств самой турбулентной ионосферы, то есть является экспериментальной основой для решения обратных задач.

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к исследованию и контролю состояния ионосферы методами системного радиозондирования. Наличие данных о состоянии ионосферной плазмы в глобальном масштабе в реальном времени и надежное прогнозирование состояния ионосферы позволило бы существенно поднять эффективность использования ионосферных каналов передачи информации, улучшить работу различных систем радионавигации и радиопеленгации, а также послужило бы основой для дальнейшего развития исследований ионосферы.

Используемые в современном радиозондировании аппаратура и методика позволяют получать ионосферные данные с точностью настолько высокой [5-8] , что пределом ее улучшений становятся флуктуации параметров, тонкая структура самой ионосферной плазмы.

В этих условиях актуальным является развитие новых, более информативных методов изучения вероятностных свойств ионосферных сигналов, анализ возможностей методов и их использование в экспериментальных исследованиях.

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию вероятностных характеристик сигналов, многократно отраженных от ионосферы при вертикальном зондировании. Исследуются такие характеристики, как распределения поля, огибающей, фазы, спектрально-корреляционные зависимости для кратных отражений и сопоставляются с соответствующими характеристиками синхронно наблюдаемых отражений первой 1фатности. Особое внимание уделяется изучению важного параметра сигнал-шум, имеющего отношение к структуре сигнала, рассеивающей способности среды, а также к точности получения различных параметров ионосферы. Обсуждаются важные положения некоторых современных моделей структуры сигнала, многократно отраженного от ионосферы. Практическая ценность вышеупомянутых исследований кратных отражений обусловлена, в частности, следующим.

В условиях реальных линий декаметровой радиосвязи обычно используются трассы с многократным отражением сигнала от земли и ионосферы. При разработке систем оптимальной связи целесообразно учитывать, в частности, вероятностные характеристики параметров ионосферного сигнала, а также возможные потери информации в ионосферных каналах связи при многоекачковом распространении радиоволн, в значительной мере определяемые параметром сигнал-шум принимаемого сигнала. При этом необходимо учесть не только влияние "мутной" ионосферы, но и рассеивающее влияние земной поверхности.

При наклонном распространении многокомпонентность, много-модовость сигналов существенно затрудняет экспериментальное исследование поведения "единичных" сигналов. В этом смысле задача упрощается в предельном случае многоекачкового распространения -при вертикальном многократном отражении импульсного сигнала. В этом направлении предшествующие экспериментальные исследования, в основном, касались изучения поведения амплитудных характеристик сигнала [9-14] , Однако в последние годы интенсивно развиваются методы, в которых одновременно используются практически все параметры отраженного от ионосферы сигнала (амплитуда, фаза, поляризация, групповая задержка и т.п.). При этом надо полагать, что вертикальное зондирование ионосферы и далее останется важнейшим методом исследования. Поэтому изучение кратных отражений при вертикальном зондировании имеет самостоятельный интерес, поскольку последние применяются, например, для определения коэффициентов отражения и поглощения в ионосфере.

Одновременное исследование и сопоставление свойств отражений различной кратности методами когерентного приема обеспечивают дополнительные возможности по уточнению механизма рассеяния, ибо в распоряжении исследователя находятся флуктуации параметров отражений различной кратности, полученные практически для "замороженной" стохастической среды. Здесь имеется в виду, что время релаксации ионосферы много больше времени группового запаздывания меящу отражениями различной кратности. Как отмечалось, при вертикальном зондировании значительно проще исследовать свойства единичных одномодовых сигналов, то есть ставить "чистые" опыты и применять некоторые специальные методы исследования, например метод когерентного приема, позволяющий одновременно получать практически все параметры сигналов различной кратности.

Таким образом, целью настоящей работы являлось:

I. Создание многоканальной, специальной ионосферной аппаратуры когерентного приема, позволяющей одновременно регистрировать ионосферные сигналы различной кратности, с возможностью получения таких характеристик ионосферного сигнала как квадратурные составляющие, огибающая, фаза, параметр сигнал-шум и ряд других.

2. Развитие экспериментальной методики регистрации кратных отражений когерентным способом. Рассмотрение вопроса влияния стабильностей и погрешностей различного характера на получаемые параметры.

3. Проведение сравнительного анализа эффективности известных методов получения параметра сигнал-шум. Разработка, обоснование и использование методов определения параметра сигнал-шум кратных ионосферных отражений.

4. Развитие метода оценки и учета рассеивающей способности земной поверхности в формировании ионосферных сигналов.

5. Экспериментальное изучение свойств огибающей и квадратурных составляющих сигналов с позиций статистических моделей отражений высших кратностей. Получение экспериментальных распределений плотности вероятности поля и огибающей ионосферных отражений второй кратности, а также определенных моментов этих распределений и сопоставление с теоретически ожидаемыми, согласно статистическим моделям кратных ионосферных отражений.

6. Сопоставление спектрально-корреляционных свойств отражений различной кратности.

7. Уточнение на основе полученных данных эффективного механизма ионосферного рассеяния при нормальном зондировании. Сопоставление зон формирования отражений различной кратности.

Первая глава содержит краткий обзор современного состояния исследований кратных ионосферных отражений [9-14, 16-18] .

Раооматриваетоя возможность применения существующих статистических моделей [16,19] ионосферных однократных сигналов к моделированию кратных отражений. Рассмотрена также статистическая модель сигнала, многократно отраженного от ионосферы [15] . В связи с этим анализируются вопросы возможности экспериментальной проверки новой модели кратных отражений и ее соответствие реальным условиям. Возможность экспериментальной проверки основана на различии вероятностных законов для однократных и многократных отражений, а следовательно, на различии ряда статистических параметров упомянутых отражений.

На основе статистической модели кратных ионосферных отражений и использованного в работе энергетического подхода разработана теория метода определения параметра сигнал-шум для отражений второй кратности. Показано, что значения параметра сигнал-шум, полученные по предложенной методике, могут существенным образом отличаться от значений, определенных согласно обычно применяемой методике [20] .

Предложен, развит и в дальнейшем использован способ определения рассеивающей способности "шероховатой" земной поверхности.

Во второй главе описана разработанная многоканальная прие-мо-передаадая ионосферная установка когерентного приема для изучения свойств кратных ионосферных отражений. Аппаратура позволяет одновременно регистрировать параметры отражений различных кратностей и, кроме того, обеспечивает возможность проведения ряда измерений по проверке методики эксперимента, имеющих самостоятельный интерес.

Новым явилось введение специальных схем стробирования, а также развитой системы коммутации. Возможность одновременной региотраши таких параметров кратных ионосферных отражений как огибающая, фаза, квадратура являлась основой для проверки предложенных методик определения параметров кратного сигнала, уточнения механизма ионосферного рассеяния.

В третьей главе рассмотрены принципиальные методические вопросы эксперимента и осуществлен анализ основных погрешностей. Выполнен сравнительный анализ способов определения параметра сигнал-шум Л , Сравнивается надежность и эффективность определения уд различными методами [20,21,22] .

Существенное внимание уделено оценкам погрешностей из-за нестабильности опорных генераторов станции. Получены и экспериментально проверены выражения для погрешностей при определении различных параметров. Анализ полученных данных позволяет утверждать, что использовавшаяся аппаратура удовлетворяет необходимым требованиям.

Четвертая глава содержит фактический экспериментальный материал по исследованию свойств полей кратных отражений и его анализ. При этом использованы развитые в главе I методики.

С использованием моментов распределений огибающих и квадратур поля кратных ионосферных отражений проведена экспериментальная проверка соответствия их свойств, свойствам ожидаемым согласно различным модельным представлениям и новой статистической модели в том числе. При этом проверяются важные положения новой статистической модели двукратно отраженного сигнала. Предварительные результаты дают основание считать, что указанная модель [15] ближе к реальной ионосферной ситуации.

С помощью новой методики осуществлялась оценка параметров, которые характеризуют условия отражения сигналов первой и второй кратности. Получен важный новый результат а том, что даже при вертикальном зондировании зоны, формирующие отражения первой и второй кратности, обладают различными свойствами.

Причинами этого являются наклоны, обусловленные крупномасштабными образованиями в ионосфере [2,3] , вследствие чего области формирования отражений различной кратности обычно пространственно смещены на расстояния превышающие размеры первой зоны Френеля, что подтверждает справедливость предположения новой статистической модели кратных отражений о статистической независимости упомянутых областей.

Проанализированы данные о параметре сигнал-шум для второго отражения, полученные с помощью обычно применяемой стандартной методики [20] и новой, развитой в § 1.4. первой главы. Показано, что необоснованное применение стандартной методики может приводить к систематической погрешности в определении отношения энергий зеркальной и рассеянной компонент в сторону занижения ( до 30$ по наиболее вероятным значениям).

Приводятся данные по измерению рассеивающей способности земной поверхности в условиях крупного города для декаметрового диапазона. Данные получены с помощью методики развитой в диссертации и изложенной в §§ 1.5, 4.5. Показано, что при многоскачко-вом распространении земная поверхность рассеивает существенную часть падающей энергии.

Анализ спектрально-корреляционных свойств отражений различной кратности показал уменьшение радиуса корреляции и накапливание доплеровского смещения частоты сигнала с ростом номера кратности. Установлено, что использование кратных отражений может повысить оперативность получения данных о тонкой структуре ионосферы.

ГЛАВА 17. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

Прежде чем перейти к описанию собственно эксперимента, целесообразно указать на следующее. Кроме создания аппаратуры и развития соответствующей методики в общую задачу экспериментальной части диссертации входило: получение фактических экспериментальных данных о вероятностных и спектрально - корреляционных свойствах ионосферных отражений высших кратностей (ОВК) и сопоставление их с аналогичными сведениями для синхронного наблюдаемых отражений первой кратности (ОПК); выполнение сравнительного анализа экспериментальных и теоретических (полученных согласно различным модельным представлениям о структуре ОВК) статистических параметров ОВК, в целью установления наиболее достоверных модельных представлений о механизме рассеяния; получение дополнительных сведений об условиях формирования ионосферных сигналов ОВК в канале Земля - Ионосфера при наличии тонкой структуры ионосферы и "шероховатости" земной поверхности.

§ 4.1. Условия эксперимента

В процессе эксперимента регистрировались и подвергались статистической обработке процессы: £сч(~*• ) > В¿г(-Ь) - низкочастотные квадратурные компоненты поля отраженного от ионосферы сигнала первой и второй кратности; И) , ВгН) у^Ш » ФгбО - огибающие и фазы сигналов первой и второй кратности соответственно.

Пропессы регистрировались с помощью созданной многоканальной установки когерентного приема, которая позволяла одновременное получение параметров отражений различной кратности.

Наблюдались отражения от слоя Р2 , единичные сигналы (одна магнитоионная компонента). Регистрация проводилась в период с 8.00 до 22.00 ЬТ (Москва) в диапазоне частот 3-12 МГц, радиоимпульсами прямоугольной формы с импульсной мощностью 1215 кВт и длительностью 100 мкс. Выбор отражений осуществлялся с помощью временного стробирования. Полученные исходные данные обрабатывались с помощью ЭВМ и анализировались. При этом рассчитывались различные вероятностные характеристики процессов йпШ , £¿«("0 .В частности, определялись такие параметры кратных ионосферных сигналов, как сигнал-шум (с использованием различных методик), распределения и моменты огибающих и квадратурных компонент, параметры, описывающие спектрально-корреляционные свойства ионосферных сигналов.

В процессе получения вероятностных характеристик имеют место погрешности различного рода. Основные аппаратурные погрешности рассмотрены в [28,50,52,56,57] и Главе Ш настоящей работы. Показано, что определяющими погрешностями являются статистические ошибки из-за ограниченности объема выборок. Объем выборки «ЛЛ определяется как количество независимых событий на данном интервале наблюдения Т . В ионосферных исследованиях, как правило, Ж оценивается с помощью радиуса корреляции процесса

Т , считая, что на интервале наблюдения Т приходится в среднем ¡29,53]

V т независимых актов. Эта оценка, справедливая для процессов, подчиняющихся закону нормального распределения, может быть использована в качестве первого приближения и для выборок произвольного распределения с функцией корреляции уО (т) 0 при Т-*°о . Степень приближения проверяется экспериментально. Подобная проверка для условий настоящего эксперимента приведена ниже.

Известно, что для увеличения точности получения статистических характеристик желательно увеличивать длительность интервалов наблюдения Т . С другой стороны, при увеличении интервала наблюдения Т начинают проявляться нестационарности, связанные с наличием крупномасштабных неоднородностей в ионосфере. Следовательно, объем выборки выбирался из компромисных соображений достаточности Ж для получения минимальных статистических ошибок и не слишком большого Т , когда еще существенно не проявляется нестаиионарность процессов.

В качестве радиуса корреляции выбиралось значение этого параметра по уровню 0,5 для "огибающей" функции автокорреляции процессов Ес или Е5 первой и второй кратности. На Фиг. 23 приведены примеры типичных функций автокорреляции процессов В¿п . Пунктиром показана "огибающая" функции автокорреляции, Т* - радиус корреляции по уровню 0,5. На Фиг. 24 приведены распределения Т* для п =1,2.

Для первого отражения среднее значение (2,1 ± 0,2) с, при наиболее вероятном значении Ту///з =2,0 с и дисперсии 6гс* = 1,1 о.

Для второго отражения:

Т? = (1,3 ± 0,2) с, Т*нв = 1,5, а дисперсия дг^* = 0,3 с.

На Фиг. 25 показаны гистограммы распределений объемов выборок для первого и второго отражения при длительности интерк вала наблюдения Т= 4 минуты. Замечания по поводу выбора оптимального значения Т обсуждаются ниже.

Эр. (Т) 3 5

С, с

Фиг. 23. Пример типичной функции автокорреляции процессов Е¿п для ионосферных отражений от слоя Р2 (3-12 МГц, 8.00-22,001Т , Москва). п.

0,5

0,5

0 1

3 *

У О о

1 г ч , 2 3

Фиг. 24. Распределения радиуса корреляции - Тп процессов Есп(-Ь) ( Р2 , 3-12 МГц; 8.00-22.00 ЬТ , Москва).

0,3

0,2

00

200

0,3

0,2 М п. п

А 0

100

200 К

Фиг. 25. Распределения объемов выборки для сеансов наблюдений ионосферных отражений первой и второй кратности от слоя Р2 .

Средние объемы выборки на этих интервалах для первого и второго отражения оказались соответственно равными: Ж" = 134, = 197. (Для наиболее вероятных значений =225.)

Это обеспечивает достаточную точность вычисления исследовавшихся статистических величин.

Следует отметить, что для второго отражения объем выборки примерно в два раза больше, чем для первого (при одинаковом Т ). Проверка оценки оптимального объема выборки ( длительности сеанса Т ) по экспериментальным данным заключается в определении времени установления того или иного статистического параметра с увеличением Т . Параметр считается установившимся, когда изменение его величины в зависимости от времени усреднения не превышает статистическую ошибку получения этого параметра. Экспериментально это осуществлялось следующим образом. В течение 10 минут проводилась регистрация определенных параметров сигналов для отражений первой и второй кратности. Полученные данные обрабатывались с постепенным увеличением времени усреднения на 0,5 минуты в пределах 0,5 + 10 минут. На Фиг. 26 приведены примеры графиков зависимости величин некоторых параметров от времени усреднения Т . Пунктиром указана статистическая погрешность определения этих параметров. Время установления параметров первого отражения составляет 3-4 минуты, второго -1 + 2 минуты, Из описанных в настоящем параграфе соображений оптимальным был выбран интервал наблюдения (длительность сеанса), равный 4 минутам для отражений обеих кратностей.

При этом, как отмечалось выше, для получения вероятностных характеристик ионосферного сигнала с заданными для первого отражения погрешностями при приеме сигналов второй кратности можно ограничится интервалом наблюдения Т '= £ Т • Это обстоятельство может иметь практическое значение для адаптив

Фиг. 26. Типичные примеры установления параметров

Зкп , $Еп » 3-12 ад»

8.00 - 22.00^ , Москва). ных систем приема, увеличивая их оперативность.

§ 4.2. Выбор статистических параметров для анализа свойств распределений огибающей и квадратур отражений второй кратности.

Как отмечалось в Главе I для описания статистических свойств однократно-отраженных от ионосферы единичных (одна из магнитоионных компонент) сигналов часто используется модель Райса (сигнал плюс нормальный шум) или ул -модель (райсовская модель со смещенным спектром), более соответствующая реальным ионосферным условиям [19] . Ниже, если не делается специальных замечаний, мы будем придерживаться именно ух -модели, как более достоверной.

При моделировании статистической структуры ионосферных сигналов с кратностью выше первой, т.е. отражений высших крат-ностей (ОВК) обычно используется одна из упомянутых выше моделей для отражений первой кратности (ОПК). При этом фактически предполагается следующий механизм частичного рассеяния: с каждым актом отражения в сигнале ОВК возрастает доля рассеянной части сигнала, то есть уменьшается параметр , а характер распределения остается прежним. При этом методики, развитые для исследования параметров ОПК автоматически переносятся на случай сигналов ОВК. В Главе I этот механизм рассеяния назван : "1-ая модель ОВК". Во избежание недоразумения следует заметить, что под термином "отражение" здесь и ниже понимается акт возвращения ионосферой сигнала, включающий в себя как зеркальное отражение, так и частичное рассеяние.

Согласно другой статистической (так называемой мультипликативной, см. § 4.2) модели [15] , при повторном отражении от ионосферы уже частично рассеянного сигнала изменяется сам закон распределения плотности вероятностей. В итоге характер распределений полей, огибающих для ОПК и ОВК оказывается различен. Так, при структуре СПК - сигнала описываемого ул -моделью, выражения для распределения огибающей и квадратурных компонент Е¿гШ для отражений второй кратности описываются выражениями (1.18), (1.21), существенно отличающимися от соответствующих выражений для ОПК (см. (1.6) и (1.13), согласно работе [15] . В частности, распределение огибающей /¡^бО имеет более длинные "хвосты", т.е. оно шире и сдвинуто в сторону меньших значений по сравнению с распределением £./(У(см. выражение (1.13)).

Распределения как огибающей, так и квадратур для ОВК (при п = 2) зависят от двух параметров , . Распределения процессов ЕсгИ) при больших значениях уЗ-// и уЗ имеют более выраженные "хвосты" (медленное спадение), а при малых у$н (в отличии от ОПК) стремятся не к нормальному закону, а приобретают обостренную вершину (положительный эксцесс). Эта модель рассеяния называется (см. Гл. I) "2-ая модель ОВК" или статистическая (мультипликативная) модель.

Непосредственная проверка соответствия экспериментальных и теоретических распределений с применением критериев подобия гипотез в случае мультипликативной модели затруднительна из-за сложности применения численных методов расчета интегралов типа (1.18), (1.21) в достаточно широких пределах изменения параметров уЬц и из-за дву-параметровости зависимостей (1.18), (1.21).

Однако, различие распределений сигналов ОПК и ОВК, естественно, проявляется в различии соответствующих статистических моментов для упоминавшихся распределений (1.18), (1.21) и (1.6), (1.13). В данной работе сопоставление теоретических значений статистических моментов различного порядка (или комбинаций моментов) и используется в качестве одного из основных критериев большего правдоподобия той или иной модели ^механизма рассеяния) для отражений высших кратноетей.

Для анализа использовались первые четыре момента огибающей и квадратурных компонент ионосферного сигнала. Рассмотрение моментов более высокого порядка затруднено из-за отсутствия надежного метода оценки статистических ошибок при их определении. Непосредственное сравнение самих моментов распределений, зависящих от четырех параметров Е01 , <?// , Еог , , либо ён , , , также затруднительно. Поэтому рассматривались комбинации моментов, которые зависят только от и Ниже рассматриваются некоторые важные из упомянутых комбинаций.

Важным соотношением, которое используется при определении параметра сигнал-шум ионосферного сигнала является отношение второго и квадрата первого моментов огибающей: ы. =

Как было указано в § 1.3 для -модели [19] , справедливой для отражений первой кратности и 1-ой модели ОВК параметр о( должен удовлетворять условию (1.32);

1 9Г тогда как для Ш в условиях статистической модели второй кратности (2-ая модель ОВК) (1.33)

1 < «г* $

Из (1.16), (1.17) и (1.15) для 2-ой модели ОВК имеем: М

Отношение кг/ ( будет зависеть только от и

УЬп и может быть сопоставлено с экспериментальными данными:

В условиях -модели ( 1-ой модели ОВК) эксцессы распределения квадратур Ес1И) должны лежать в интервале (1.35) I < * 0 а для распределения квадратур Е¿г в статистической модели второй кратности (1.36)

- I < 4 з то есть становятся возможными и положительные значения эксцессов ^ .

Используя (1.19), (1.20) § 1.2, получим

7 =

Эксцесс Хл ~ ^ записывается следующим образом

V V

Выражения и неравенства (1.32,1.33,1.35,1.36,4.1,4,2) и явились основой для сравнительной проверки справедливости важных положений 1-ой и 2-ой моделей ОВК, получения новых дополнительных сведений о свойствах областей ионосферы, формирующих отражения различной кратности. Дополнительное привлечение полученного в Главе I соотношения (1.26) позволило определить в § 4.4 истинное значение J$2 и оценить его расхождение со значениями, полученными по стандартной методике соответствующей 1-ой модели ОВК [20] , а также проиллюстрировать в § 4.4 с использованием соотношения (I.4I) методику оценки рассеивающей способности земной поверхности в декаметровом диапазоне радиоволн, сведения о которой практически отсутствуют.

§ 4.3. Статистический анализ экспериментальных значений параметров распределений огибающих и квадратур отражений первой и второй кратности.

Как было отмечено в § 4.1. с помощью ионосферной установки когерентного приема регистрировались процессы E¿n(í) и Rn(¿) • Обработка полученных данных позволила получить статистические моменты распределений плотности вероятности огибающей и квадратур ионосферных сигналов различной кратности, параметры J3n , fin , oLi , o(s. , )Í1 , У? , распределения W(E¿1) W(ft). И&г) и т.д.

Характерные примеры распределений огибающих и квадратур первой и второй кратности при некоторых значениях , ,

Jbia приведены на фиг. 27,28. Приведенные гистрограммы качественно подтверждают ожидаемые особенности поведения распределений огибающих и квадратур второй кратности, соответствующие 2-ой модели ОВК (мультипликативной), которые были отмечены в предыдущем параграфе. Количественный анализ распределений проводился с использованием экспериментальных параметров, указанных в § 4.2. [47] .

Распределения огибающих исследовались по параметрам di г- Ro выражение (1.32), 0(2 выражение (1.33) и dg ~. ¿ выражение (4.1). Полученные экспериментальные значения этих параметров сравнивались с теоретическими величинами для 1-ой и 2-ой моделей ОВК, Из всего массива данных были отобраны сеансы измерений, для колп, п

02

СИ о,г лп п

А, --3,0 уз„ = к

20

О я, о

20

40 Да. ад а

0,2

4/ I

А =

7,2 щ дл л

А = 2,3 >3« = 0,8 Щ

2(7

УО /?, о

20

НО йл

Фаг. 27. Экспериментальные распределения огибающей сигнала первой и второй кратности ( Р2 , 3-12 МГц, 8.00 - 22.00 ЦТ , Моснва)

0,1 лп г

0,1 гГ ап п /3 « = 2,<?

3« = /,£

СЬ.

-20 -10 0 10 20 Ei -20 -10 О Ю 20 Ег

АН П

4=а

АН п К

-20 -10 0 10 20 Е1 -20 -10 0 10 20 Е2

Фиг.28. Экспериментальные распределения квадратур сигнала первой и второй кратности ( Р2 , 3-12 МГц, 8.00 - 22.00¿Т , Москва). торых оС/ удовлетворяют неравенству С1.32) соответствующему у* -модели для огибающих. Таким образом, учитывалось условие § 1.2 о справедливости ^ -модели для отражения первой кратности. Оказалось, что для отобранных сеансов 20$ значений величины сСд. , характеризующих распределение второй кратности не удовлетворяли упомянутому выше условию 1-ой модели ОВК. В то же время все 100$ сеансов удовлетворяли условию (1.33), соответствующему 2-ой модели ОВК. (Статистическая погрешность за счет ограниченности объема выборки не объясняет указанного нарушения условия (1.32)). На фиг. 29 проиллюстрирована проведенная проверка выполнения неравенств (1.32, 1.33) для параметров оСп . Непосредственное сравнение экспериментальной величины г - я с ожидаемым теоретическим значением сП>т , расчитаным по (4.1) для 2-ой модели ОВК и для 1-ой модели ОВК ( ¿и -модели) [41] проводилось следующим образом. Для расчета сГгт значения уЗ« , определялись из соотношений (1.31), (1.32), значения для расчета <Га/л определялись по методу характеристических функций [21,22] согласно результатам §§ 3.1, 3.2.

Из всего массива данных для 90$ сеансов величина сГ^ и <^7 совпали с точностью до статистической ошибки, в то же время соответствие сПгэ и сГг^ наблюдается только в 6$ случаев (см. таблицы 4,5).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе выполнены исследования структуры и вероятностных свойств отраженных от ионосферы сигналов одновременно первой и второй кратности, с помощью многоканальной приемо-передающей ионосферной аппаратуры когерентного приема. Существенное внимание уделено оценке важного параметра, характеризующего возмущенность ионосферы, которым является отношение сигнал-шум ионосферного сигнала. Полученные данные сопоставлялись с данными для различных моделей структуры ионосферного сигнала, в том числе с новой статистической моделью кратных отражений на предмет проверки их соответствия реальным условиям. При этом использовалась новая методика, разработанная для исследований кратных ионосферных отражений.

В теоретической части работы на основании достаточно общего энергетического рассмотрения получено соотношение связи между параметрами сигнал-шум отражений различной кратности, представляющее практический интерес для многоекачковых линий связи.

На основе статистического подхода разработан и использован метод определения параметра сигнал-шум кратных ионосферных отражений вместо необоснованно используемого для кратных отражений стандартного способа ¡20] .

Развита перспективная методика опенки рассеивающей способности "шероховатой" земной поверхности в декаметровом диапазоне радиоволн, отсутствовавшая до этого в арсенале методик экспериментальных ионосферных исследований.

Выполнен сравнительный анализ э(|фективности способов определения параметра сигнал-шум. Показано преимущество (с точки зрения допускаемых аналитических погрешностей) методик, основанных на когерентном приеме.

В аппаратурно-методической части работы описана созданная многоканальная установка когерентного приема, впервые обеспечившая возможность синхронного исследования функции модуляции поля ионосферных отражений различной кратности.

Самостоятельный интерес представляет анализ и экспериментальная проверка требований, предъявляемых к частотной стабильности соответствующих элементов аппаратуры когерентного приема, нашедшей широкое применение в современных ионосферных исследованиях. Показана возможность использования в ионозондах повышенной Г точности генераторов относительно невысокой стабильности ( 10 ), если при этом используется принцип когерентного приема.

Проведена экспериментальная проверка эффективности различных способов определения параметра сигнал-шум. Показано, что методы определения параметра способом когерентного приема предпочтительны с точки зрения допускаемых погрешностей. Так, в области наиболее вероятных значений параметра (1-3) погрешность его определения R -методом в 10-50 раз превосходит погрешность когерентных методов.

В экспериментальной части исследований, выполненных для слоя Р2 при вертикальном зондировании для кратных отражений, получены дифференциальные распределения поля, моменты распределений, параметры сигнал-шум, осуществлено сопоставление спектрально-корреляционных свойств. При этом, в основном, исследовались быстрые вариации ионосферных отражений (с корреляционными радиусами порядка секунд).

Сопоставление теоретических и экспериментальных значений моментов распределений поля и огибающей ионосферного сигнала второй кратности дает основание считать статистическую модель кратных отражений более достоверной по сравнению с другими используемыми. Так, проверка по указанным выше параметрам показала, что соответствие новой статистической модели кратных ионосферных отражений обнаружено в ~ 95$ случаев, тогда как условиям ^и -модели для кратных отражений удовлетворяет лишь ^40$ случаев.

Полученные данные позволили уточнить ряд особенностей механизма ионосферного рассеяния при вертикальном зондировании, являющемся одним из основных методов диагностики состояния турбулентной ионосферы. Так, данные о параметрах сигнал-шум первого и второго скачка, полученные с применением новой методики показывают, что при вертикальном зондировании зоны формирования отражений различной кратности статистически независимы, что является дополнительным обоснованием типичного для ионосферы состояния - наличия наклонов уровней равной электронной концентрации, Статистическая независимость областей формирования отражений первой и второй кратности удовлетворяет также одному из важных условий статистической модели кратных ионосферных отражений.

Использование оригинальной методики позволило получить экспериментальные данные о параметре, характеризующем рассеивающую способность "шероховатой" земной поверхности в условиях настоящего эксперимента (крупный город). Оказалось, что при отражении от земли рассеивается 12-16$ падающей энергии радиоволн, что может быть существенным в условиях многоскачковых радиотрасс.

Анализ спектральных свойств отражений указывает на накапливание доплеровского сдвига частоты пропорционально кратности отражения, что приводит к равномерному распределению фазы сигналов, многократно отраженных от ионосферы. Учет полученного результата может существенно упростить решение определенных задач по распространению радиоволн, когда необходимо учитывать вероятностные свойства фазы, и обеспечить соответствие реальным условиям. Пропорциональность доплеровского смещения частоты ионосферного сигнала кратности отражения показывает, что пространственный радиус корреляции R0 вектора скорости ионосферного дрейфа превышает расстояние смещения областей формирования отражений различной кратности, т.е. Ro > 20 км.

Изучение корреляционных свойств кратных отражений указывает на значительное увеличение объемов статистики с ростом кратности отражений, что может быть использовано при совершенствовании адаптивных систем радиосвязи, оперативности статистической обработки ионосферных сигналов. Использование отражений второй кратности по сравнению с однократными позволяет примерно вдвое уменьшить время наблюдения при сохранении той же величины погрешностей в определении статистических параметров ионосферных сигналов.

В заключение настоящей работы считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность моему научному руководителю С.Ф. Миркотану за постановку задачи и постоянное внимание к выполняемой работе. Выражаю также свою искреннюю признательность сотрудникам лаборатории распространения радиоволн физического факультета МГУ за помощь и плодотворные обсуждения результатов.

1. Миркотан С.Ф., Кушнеревокий Ю.В. Неоднородная структура и движения в ионосфере. - Сб. Ионосферные исследования, М.: Наука, 1964, Ж2, 162 с.

2. Р2 . Докл. АН СССР, 1958г., т.123, с. 817-820.

3. Кушнеревокий Ю.В., Миркотан С.Ф. Движения неоднородностей в ионосфере. (Обзор.) Геомагнетизм и аэрономия, 1961, т.1, М, с. 453-478.

4. Bibl К. and Reinisch, B.W. The unirersal digital ionosonds. -Radio Science, 1978, т.13, N 3, pp.519-530.

5. Wright J.W., Pitteway M.L.V. Real-time data acquisition and interpretation capabilities of the Dynasonde. I.Data acquisition and real-time displey. Radio Science, 1979, ▼.14, Я 5, pp.815-825.

6. Hammer P.R. and Bourne I.A. A high resolution ionosonde.

7. Technique and analysis methods. J. of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1976, v.38, N 9/Ю, pp.935-943.

8. Hammer P.R. and Bourne I.A. A high resolution ionosonde.

9. Березин Ю.В. Закон распределения кажущегося коэффициента отражения радиоволн от ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия, 1964, т.4, Ж, с. 54-60.

10. Гусев В.Д., Березин Ю.В. Измерение поглощения радиоволн при наличии больших неоднородностей в ионосфере. Вестник МГУ, сер.физика,астрономия, 1961г., т.З, №5, с. 39-47.

11. Солчатова Л.Я., Жарникова Г.В. , Пежемская М.Д. Величина кратности отраженного сигнала от Е$ как характеристика комплекса явлений в нижней атмосфере. Геомагнетизм и аэрономия, 1970, т.10, №6, с. 1090.

12. Атаев О.М. Влияние неоднородностей структуры ионосферы на поглощение радиоволн. Радиотехника и электроника, 1957, №5, с. 523-530.

13. Гивишвили Г.В. 0 структуре поля двукратно отраженного сигнала. Сб. Пространственно-временная структура нижней ионосферы. М.: ИЗМИРАН, 1982, с. 79-81.

14. Миркотан С.Ф., Косовцов Ю.Н., Журавлев C.B. Статистическая модель многократно отраженного ионосферного сигнала и его соотношение сигнал-шум. Сб. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, М.: Наука, 1982, №59, с.81-87.

15. Booker H.G., Ratcliffe J.A., Shinn D.H. Diffraction from irregular screen with application to ionosphere problems.- Fhilos. Trans. Roy. Sos., 1950, v.242, pp.579-600.

16. Sen N.N., Khastgir S.R. Relation between the autocorrelation coefficients of singli- and multiple-reflected radio waves. J. of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1964, t.26, pp.25-30.

17. Essex E. A., Hibberd P.H. Auto—correlation of the fading of multiple echoes from the ionosphere. J. of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1967, v.29, pp.1025-1027.

18. Вологдой А.Г., Миркотан С.Ф., Савельев С.М. Прямые исследования распределения поля ионосферных отражений. -Геомагнетизм и аэрономия, 1972, т.12, №2, с. 226-229.

19. Альперт Я.1. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука, 1972, 563 с.

20. Миркотан С.Ф., Вологдин А.Г. Характеристические функции поля ионосферного сигнала и соотношение сигнал-шум.- Геомагнетизм и аэрономия, 1974, т. 13, Ш, с. 554-556.

21. Миркотан С.Ф., Вологдин А.Г. Экспериментальные исследования характеристических функций поля ионосферного сигнала и соотношение сигнал-шум. Геомагнетизм и аэрономия, 1974, т. 13, М, с. 640-644.

22. McDougall. The interpretation of ionospheric drift measurements. J. of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1966, v.28, pp.1093-1109.

23. Ахманов C.A., Дьяков Ю.Е., Чиркин А.С. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, 1981, 640 с.

24. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику, ч.1.- М.: Наука, 1976, 496 с.

25. Rice S.O. Mathematical analysis of random noise. Bell System Techn. J., 1944, т.23, N 6, p.282; Statistical properties of a sine wave plus random noise. - Bell System Techn. J., 1948, v.27, N 1, p.107.

26. Миркотан С.Ф., Бирншин И.А. Исследование рассеянного поля методом когерентного приема. Сб. Ионосферные исследования, серия MIT, M.: Изд-во АН СССР, 1961, №9, с. 18-31.

27. Миркотан С.Ф., Бирншин И.А. Аппаратура для регистрации рассеянной компоненты поля и предварительные результаты наблюдений. Геомагнетизм и аэрономия, 1963, т.З, }£6, с. III5-II24.

28. Миркотан С.Ф. Оценка интервала усреднения при исследовании тонкой структуры ионосферы. Вестник МГУ, сер. физ-мат., 1956, М, с. I5I-I55.

29. Миркотан С.Ф., Вологдин А.Г. Исследование спектральных свойств ионосферного сигнала многоканальным регистратором поля. Геомагнетизм и аэрономия, 1971, т.II, №5, с. 832-838.

30. Миркотан С.Ф., Смородинов В.А. Исследование вероятностных свойств фазы ионосферного сигнала. Вестник МГУ, сер. физика, астрономия, 1978, т. 19, .£6, с. 92-94.

31. Мидлтон Д. Введение в статистическую теорию связи, т.1. М.: Сов. радио, 1961.

32. Левич В.Г. Курс теоретической физики. T.I. М.: Наука, 1969, 912 с.

33. Миркотан С.Ф., Смородинов В.А. Исследование вероятностных свойств суммарной фазы ионосферного сигнала. Геомагнетизм и аэрономия, 1977, т.17, №6, с. I034-IÛ39.

34. Миркотан С.Ф., Журавлев C.B., Косовцов Ю.Н. Исследование вероятностных свойств кратных ионосферных отражений методом когерентного приема. В кн.: 36-я Всесоюзная научная сессия, поев. Дню радио. Тезисы докладов, ч.1. М. : Радио и связь, 1981, с. 50.

35. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику, ч.2. М.: Наука, 1972, 464 с.

36. Косовцов Ю.Н., Миркотан С.Ф. О сохранении вероятностных свойств поля, рассеянного случайным экраном. Деп. ВИНИТИ, №4984-81, 1981, 8 с.

37. Косовцов Ю.Н., Миркотан С.Ф. О сохранении вероятностных свойств поля, рассеянного случайным экраном. Сб. Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, М.: Наука, 1982, №59, с. 76-81.

38. Голынский С.М., 1Усев В.Д. Асимптотический закон распределения амплитуды и фазы рассеянного поля. Геомагнетизм и аэрономия, 1976, т.16, №2, с. 369-372.

39. Голынский С.М., 1усев В.Д. Нормализация флуктуационной компоненты рассеянного поля в дальней зоне. Радиотехника и электроника, 1978, т.23, ЖО, с. 2053-2059.

40. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн.1. М.: Сов. радио, 1974, 552 с.

41. Миркотан С.Ф., Журавлев C.B., Смородинов В^А. Исследование кратных ионосферных отражений методом когерентного приема. Сб. Исследования по геомагнетизму, аэрономиии физике Солнца, М.: Наука, 1981, №57, с. 162-169.

42. Гайлит Т.А., Гусев В.Д. Флуктуации радиоволн при многократном отражении от ионосферного слоя. Геомагнетизм и аэрономия, 1977, т.17, №2, с. 221-225.

43. Вологдин А.Г. Структура и вероятностные свойства ионосферного сигнала. Диссертация со соискание ученой степени кандидата физ.-мат.наук, МГУ", физфак, Москва, 1974.

44. Кузубов Ф.А. Некоторые вопросы взаимодействия радиоволн с реальной земной поверхностью. Ч.П,Ш. В сб. Распространение декаметровых радиоволн, М.: Наука,1975, с. 240-264.

45. Миркотан С.Ф., Журавлев C.B., Косовпов 10.Н., Смородщнов

46. В.А. Рассеяние декаметровых радиоволн земной поверхностью. В кн.: 37-я Всесоюзная научная сессия, поев. Дню радио. Тезисы докладов, ч.2. - М.: Радио и связь, 1982, с. 46-47.

47. Миркотан С.Ф., Журавлев C.B., Косовцов Ю.Н. Экспериментальное исследование мультипликативной модели кратных ионосферных отражений, Радиотехника, 1983, М, с. 74-76.

48. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Сов. радио, 1968.

49. Миркотан С.Ф., Вологдин А.Г., Смородщнов В.А. Статистические свойства фазоквадратурных компонент ионосферного сигнала. Радиотехника и электроника, 1978, т.23, 113, с. 509-514.

50. Миркотан С.Ф., Быков Ю.В. Аппаратура для одновременных трехточечных наблвдений за фпуктуациями поля. Сб. Ионосферные исследования. - М.: Наука, 1968, Н5, с. 125-136.

51. Смородинов В.А. Исследование вероятностных свойств фазыи квадратурных составляющих ионосферного сигнала когерентным методом. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ,-мат.наук. М1У, физфак, Москва, 1980.

52. Миркотан С.Ф., Вологдин А.Г., Смородинов В.А. Статистические свойства квадратурных составляющих ионосферного сигнала. Вестник МГУ, сер.физика, астрономия, 1978, т.19, т, с. 81-83.

53. Prom W.R. and Whitehead J.P. The use of the phasor display in studying ionospheric radio echoes. J.of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1981, v.43, N 12, pp.1265-1266.

54. Всехсвятская И.С. Статистические свойства сигналов, отраженных от ионосферы. М.: Наука, 1973, 135 с.

55. Вологдин А.Г., Журавлев C.B., Миркотан С.Ф. О погрешностях методов определения параметра сигнал-шум ионосферного сигнала. Радиотехника, 1982, т.37, J66, с. 81-83.

56. Девис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973, 504 с.

57. Березин Ю.В., Миркотан С.Ф. Влияние нестабильности частоты опорного генератора при фазовых измерениях. Сб. Ионосферные исследования, М.: Наука, 1968, JH5, с. II0-I24.

58. Быков Ю.В., Миркотан С.Ф. Проверка соотношений для оценки погрешностей в фазовых измерениях. Геомагнетизм и аэрономия, 1967, т.7, М, с. 662-667.

59. Методика статистической обработки эмпирических данных. 1-редакщя, 1970, М.: ВНИИНМАШ.

60. Идье В., Драйард Д. и др. Статистические методы в экспериментальной физике. М.: Атомиздат, 1976, 335 с.

61. Гайлит Т.А. Исследование быстрых флуктуаций фазы и амплитуды сигнала, отраженного от ионосферы. Сб. Ионосферные исследования, М.: Наука, 1968, М5, с. 85-92.

62. Владимиров В.И. Дифференциальный закон распределения сигнала при произвольном законе распределения его фазы. -Радиотехника и электроника, 1967, т. 12, J65, с. 906-909.