Развитие методов и аппаратных средств радиофизических исследований верхней атмосферы Земли на Иркутском радаре некогерентного рассеяния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

УДК 537.86: 550.388.2: 621.396.6

Медведев Андрей Всеволодович

РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ И АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ НА ИРКУТСКОМ РАДАРЕ НЕКОГЕРЕНТНОГО РАССЕЯНИЯ

01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 о дпр

Иркутск-2014

005546867

005546867

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты:

Куницын Вячеслав Евгеньевич, доктор физико-математических наук, профессор, Московский государственный университет им. Ломоносова, заведующий кафедрой физики атмосферы

Лукин Дмитрий Сергеевич, доктор физико-математических наук, профессор, Московский физико-технический институт, профессор

Иванов Дмитрий Владимирович, доктор физико-математических наук, доцент, Поволжский государственный технический университет, проректор по научной работе и инновационной деятельности

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «25» июня 2014 г. в 14_часов на заседании диссертационного совета Д.003.034.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 126а, а/я 291, ИСЗФ СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук ^^^^ Поляков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В современных исследованиях верхняя атмосфера (ВА) Земли рассматривается как сложная открытая физическая система. Процессы в ВА крайне разнообразны по своей природе, они обусловлены поглощением и переработкой пространственно неоднородных потоков энергии, поступающих от различных источников, и протекают в виде сотен химических реакций, столкновительных явлений и электромагнитных взаимодействий.

Исследования верхней атмосферы важны для получения новых фундаментальных знаний о среде обитания и жизнедеятельности человека. Они необходимы и для решения важных практических задач, круг которых непрерывно растет в связи с процессом освоения приполярных территорий и околоземного космического пространства (ОКП). Неблагоприятные изменения космической погоды влияют на надежность работы космических аппаратов, различных систем связи, навигации, энергетических линий и пр. Важнейшей задачей является предсказание и смягчение эффектов воздействия космической погоды на техносферу. Сложность и многофакторность изучаемых явлений определяет высокий современный уровень требований к организации исследований верхней атмосферы и подразумевает комплексный подход к этой задаче.

Исследования верхней атмосферы базируются на данных широкого круга инструментов, с помощью которых проводятся экспериментальные наблюдения. Возрастающие требования к уровню экспериментальных исследований в области физики ВА постоянно стимулируют создание новых и совершенствование имеющихся инструментов, требуют развития новых методов диагностики и обработки данных.

При исследовании ионосферы и термосферы наиболее информативным наземным средством их диагностики является метод некогерентного рассеяния (HP). Уже более пятидесяти лет радары некогерентного рассеяния (PHP) остаются наиболее совершенными наземными средствами диагностики верхней атмосферы, так как позволяют получать пространственно-временные распределения сразу нескольких параметров ионосферной плазмы (электронную концентрацию, температуры электронов и ионов, скорость дрейфа и др.) в диапазоне высот 90-1000 км с высоким дистанционно-временным разрешением (до единиц километров и десятков секунд). Вклад метода HP в современную физику ВА трудно представить в коротком обзоре. Информация, полученная на PHP, послужила основой для разработки глобальных и региональных моделей верхней атмосферы и является источником их постоянного совершенствования. Радары HP играют важнейшую роль в исследованиях отклика системы термосфера-ионосфера на геомагнитные бури - одной из центральных проблем солнечно-земной физики. Их широкие диагностические возможности позволяют одновременно проводить диагностику возмущений в структуре, динамическом и тепловом режимах ионосферы и термосферы. Активно используются PHP в исследованиях такого относительно редкого явления, как среднеширотное когерентное эхо (радиоаврора) - сиг-

нал, рассеянный в Е-слое на неоднородностях, вытянутых вдоль линий магнитного поля. Незаменимы данные PHP при исследовании характеристик перемещающихся ионосферных неоднородностей, определении их высотной и горизонтальной структуры, физической природы и возможных источников. Определяющую роль играют PHP и в диагностике результатов экспериментов по искусственным воздействиям на ионосферу, проводимых на мощных *нагревных установках, поэтому все современные зарубежные коротковолновые нагревные стенды расположены вблизи PHP. Применяются PHP также и для изучения эффектов модификации ионосферной плазмы в результате выброса веществ с космических аппаратов, работы двигателей ракет и космических аппаратов. Некоторые PHP привлекаются для исследования эффектов воздействия ВА на динамику полета и состояние низкоорбитальных космических аппаратов (КА), а также для наблюдений крупных фрагментов космического мусора. В последнее время возможности метода HP существенно расширяются за счет развития интерференционных радарных технологий. Благодаря теоретическим успехам в развитии интерферометрических методов, современным аппаратным решениям, возросшим вычислительным мощностям стало возможным исследовать тонкую структуру ВА и ее быструю динамику. В 2015 г. должен начать измерения крупнейший комплекс инструментов на базе пространственно-разнесенных отдельных радаров HP Северной Европы EISCAT-3D, реализующий идею интерферометрических измерений в большом географическом масштабе.

Значение новых знаний о ВА, получаемых с помощью PHP, со временем только возрастает, как растет и мировая сеть этих дорогостоящих инструментов. В настоящее время имеется лишь 11 обсерваторий, оснащенных такими радарами. На рис. 1 изображена карта, показывающая распределение действующих в настоящее время PHP по земному шару (мировая сеть радаров HP).

Радары HP строились в разное время начиная с 60-х гг., и каждый из одиннадцати существующих ныне радаров по-своему уникален. При их строительстве на каждом этапе использовались современные радиолокационные, системотехнические и компьютерные технологии. Существующие установки непрерывно совершенствуются и модернизируются, чтобы соответствовать требованиям времени.

Рис. 1. Мировая сеть действующих радаров некогерентного рассеяния.

Основными направлениями развития PHP являются: повышение чувствительности и расширение динамического диапазона приемного тракта, совершенствование антенных систем, применение сложных зондирующих сигналов, использование новейших методик цифровой обработки сигналов, повышение быстродействия вычислительного оборудования. Постоянное развитие методов и аппаратных средств экспериментальных исследований ВА Земли на PHP является одной из актуальных задач современной радиофизики.

Иркутский радар HP (ИРНР) уникален для России и занимает важное географическое положение в мировой сети радаров. Он расположен в регионе, имеющем ряд важных особенностей с точки зрения физики процессов в ВА. В Восточно-Азиатском долготном секторе имеет место наибольшее смещение географических координат относительно геомагнитных и формирование основных крупномасштабных структур ионосферы происходит на фоне самых низких по земному шару значений электронной концентрации. Регион характеризуется высоким уровнем сейсмической активности. Сложный характер рельефа местности с чередованием горных хребтов и равнин обусловливает повышенный уровень возмущённое™ ВА за счет орографического эффекта. Кроме того, в непосредственной близости от ИРНР расположены важные инфраструктурные гражданские и оборонные объекты, на функционирование которых прямое воздействие оказывают неблагоприятные гелио-геофизические факторы.

Развитие диагностических возможностей ИРНР необходимо с точки зрения решения фундаментальных проблемы физики атмосферы и потребностей практической деятельности в регионе. Комплексное техническое и методологическое решение этой задачи вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.

Целью работы являлось расширение диагностических возможностей ИРНР. Для этого выполнялись следующие шаги:

• глубокая модернизация на основе применения современных цифровых технологий приемного, регистрирующего, обрабатывающего и управляющего оборудования ИРНР, позволяющей наиболее эффективно использовать конструктивные особенности радара для радиофизических исследований ВА Земли и проведения специальных космических экспериментов;

•разработка с учетом особенностей ИРНР новых информативных методов радиофизической диагностики ВА Земли, позволяющих расширить набор измеряемых параметров среды, улучшить точность измерения базовых параметров околоземной плазмы и радиолокационных характеристик космических аппаратов, повысить коэффициент использования уникального оборудования.

В рамках этой работы были решены следующие задачи: 1. Определены направления глубокой модернизации основного оборудования ИРНР. Составлен проект и разработана структура нового аппаратно-программного комплекса ИРНР. Создан и внедрен цифровой, многоканальный, управляющий и приемно-регистрирующий комплекс, расширяющий диагностические возможности ИРНР по следующим направлениям:

• Расширенный до 70 ДБ линейный динамический диапазон сквозного приемного тракта ИРНР позволяет проводить без амплитудных искажений одновременные измерения мощных сигналов от космических аппаратов (КА) или когерентного эха (КЭ) на фоне слабых сигналов некогерентного рассеяния.

• Полная сквозная когерентность приемопередающего и многоканаль-ность приемного трактов позволяет полностью реализовать конструктивные особенности антенной системы ИРНР, осуществлять управление формой диаграммы направленности (ДН) радара и проводить интерферометрические измерения.

• Программно-управляемые цифровые устройства синтеза частот позволяют осуществлять быстрое сканирование ДН ИРНР по заданному алгоритму для изучения пространственно неоднородной структуры ионосферы, исследования фонового космического радиоизлучения или сопровождения космических объектов, проводить специальные эксперименты по исследованию воздействия мощного двухчастотного радиоизлучения на ионосферу.

• Быстродействующие цифровые устройства обработки сигналов в сочетании с цифровыми устройствами синтеза частот позволяют использовать сложные последовательности специальных зондирующих сигналов для повышения пространственного разрешения и расширения высотного диапазона ионосферных измерений, уточнения характеристик движения КА.

• Современные устройства регистрации позволяют сохранять на электронных носителях полный объем первичной информации зондирования для обеспечения гибкого выбора адекватных меняющимся задачам и природным условиям способов вторичной обработки;

• Распределенный вычислительный комплекс позволяет проводить обработку первичной информации зондирования в реальном масштабе времени, обеспечивает возможность автоматического изменения режимов зондирования в соответствии с меняющимися условиями.

2. С использованием новых диагностических возможностей ИРНР разработаны оригинальные методы радиофизической диагностики ВА Земли, позволяющие улучшить точность измерения базовых параметров околоземной плазмы, расширить набор измеряемых параметров среды, повысить коэффициент использования уникального оборудования, в частности, следующие:

• Новый метод определения скорости дрейфа плазмы, учитывающий особенности ИРНР, позволяет в несколько раз повысить точность определения этой важной характеристики среды.

• Новый комплексный метод исследования пространственно-временной структуры и характеристик распространения перемещающихся ионосферных возмущений (ПИВ) позволяет на основе совместного анализа данных ИРНР и других радиофизических средств ИСЗФ СО РАН изучать трехмерную картину волновых возмущений, измерять полный вектор скорости ПИВ.

• Новый метод автоматического выделения волновых возмущений на основе анализа высотных профилей вариаций электронной концентрации, полученных на различных установках радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН, позволяет проводить статистический анализ длинных непрерывных

рядов данных, выявлять суточные, сезонные и долговременные закономерности проявления волновых возмущений в верхней атмосфере.

• Новый вид измерений - пассивные наблюдения в режиме непрерывного сканирования неба дает возможность использовать ИРНР как эффективный радиоастрономический инструмент, позволяющий исследовать динамику и степень пространственной неоднородности солнечного радиоизлучения в диапазоне длин волн около двух метров, на основе регистрации мерцаний радиосигналов от дискретных космических источников определять параметры мелкомасштабных ионосферных неоднородностей.

Научная новизна

1. Созданный аппаратно-программный приемно-регистрирующий и управляющий комплекс Иркутского радара некогерентного рассеяния уникален и соответствует современному уровню развития ведущих мировых центров исследований ВА методом HP.

2. Разработанный метод определения скорости дрейфа ионосферной плазмы учитывает индивидуальные конструктивные особенности ИРНР и не имеет аналогов в практике метода HP.

3. Впервые предложен и реализован комплексный метод исследования трехмерной пространственно-временной структуры и полного вектора скорости распространения ПИВ на основе совместного анализа данных PHP и других радиофизических средств зондирования ионосферы.

4. Впервые предложен и реализован метод автоматического выделения волновых возмущений на основе анализа высотных профилей вариаций электронной концентрации, полученных на различных радиофизических установках.

5. Впервые на основе длинных рядов ионосферных данных проведен статистический анализ суточных и сезонных особенностей проявления волновых возмущений с характерными периодами 1-6 ч.

6. Впервые в практике метода HP предложен способ использования ИРНР в радиоастрономическом режиме.

Практическая ценность работы состоит в расширении диагностических возможностей уникальной установки - Иркутского радара некогерентного рассеяния для проведения фундаментальных научных исследований и выполнения договорных работ в интересах различных отечественных и международных организаций и ведомств. Результаты работы использованы при выполнении ряда крупных федеральных и ведомственных программ:

• Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».

• Федеральная целевая программа «Создание и развитие системы мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации на 2008-2015 гг.».

• Федеральная космическая программа на 2006-2015 гг.

На различных этапах результаты исследований использовались при выполнении работ по грантам РФФИ, в которых автор являлся руководителем:

« Грант № 06-05-64577 «Исследование пространственно-временной структуры акустико-гравитационных волн на базе комплекса радиофизических инструментов ИСЗФ СО РАН».

• Грант № 11-05-00698 «Исследование динамических процессов в ионосфере в период низкой солнечной активности по данным радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН».

Достоверность полученных результатов определяется использованием современных методов и средств анализа и обработки сигналов; представительной статистикой экспериментальных данных; проверкой экспериментальных данных с помощью численного моделирования; качественным и количественным согласием с результатами теоретических и экспериментальных исследований, выполненных ранее другими авторами.

Личный вклад автора

Решение задач, поставленных и выполненных в диссертации, получено автором лично или при его определяющем участии. Автором определены основные направления глубокой модернизации основного оборудования ИРНР, составлен проект и разработана структура нового аппаратно-программного комплекса ИРНР. Под руководством автора новый аппаратно-программный комплекс создан и внедрен на ИРНР. Автор лично участвовал в разработке представленных к защите методов, проведении экспериментов и анализе экспериментальных данных.

Апробация работы

Основные результаты и выводы, приведенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (Харьков, 1990); Научно-техническая конференция «Направление развития систем и средств радиосвязи» (Воронеж, 1995); Первая международная научно-практическая конференция «Информационные технологии и радиосети -96» (Омск, 1996); XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996); VII Международная конференция «Радиолокация, навигация, связь», (Воронеж, 2001); VIII Joint International Symposium atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics, (Irkutsk, 2001); Международная конференция «Околоземная астрофизика XXI века» (Звенигород, 2001); XX Всероссийская конференция по распространению радиоволн (Нижний Новгород, 2002).; IX Международная конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2003); Всероссийская конференция «Дистанционное зондирование поверхности Земли и атмосферы» (Иркутск, 2003); Байкальская международная молодежная научная школа по фундаментальной физике (Иркутск, 2004-2006); XXI Всероссийская научная конференция по распространению радиоволн (Йошкар-Ола, 2005); 6th US-Russian Space Surveillance Workshop (Saint-Petersburg, 2005); Международная научная конфе-' ренция «Излучение и рассеяние волн» (Таганрог, 2005); 36th COSPAR Scientific Assembly (Beijing, 2006); International Heliophysical Year Symposium

8

(Zvenigorod, 2007); XV Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Красноярск, 2008); XXII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (пос. JIoo Краснодарского края,

2008); 37th COSPAR Scientific Assembly (Montreal, 2008); XVI Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск,

2009); PIERS-2009 in Moscow. Progress in Electromagnetics Research Symposium (Moscow, 2009); 14th International EISCAT Workshop, (Troms0, Norway 2009); Восьмая Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 2010); 15th International EISCAT Workshop (Qingdao, China, 2011); XXIII Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола. 2011), Международная конференция «International Living With a Star: ILWS-2013» (Иркутск, 2013), 16th International EISCAT Workshop (UK, Lancaster, 2013).

Положения выносимые на защиту:

1. Структура и принципы функционирования цифрового, многоканального, управляющего и приемно-регистрирующего комплекса, расширяющего диагностические возможности ИРНР в исследованиях пространственно-неоднородной структуры ионосферы, в радиоастрономических наблюдениях и при проведении радиолокационных измерений характеристик космических объектов.

2. Новый метод определения скорости дрейфа ионосферной плазмы, позволяющий учесть конструктивные особенности ИРНР и повысить точность измерений.

3. Новый комплексный автоматизированный метод исследования трехмерной пространственно-временной структуры и полного вектора скорости распространения ПИВ на основе совместного анализа данных радара HP и других радиофизических средств зондирования ионосферы.

4. Новый в методе HP вид радиоастрономических измерений, заключающийся в непрерывном сканировании участка неба в пассивном режиме с регистрацией излучения космических радиоисточников, позволяющий изучать структуру и динамику процессов в солнечной короне по наблюдениям ее радиоизлучения в метровом диапазоне, определять параметры неоднород-ностей ионосферной плазмы и существенно повышающий коэффициент использования уникальной установки - ИРНР - без значительных энергетических затрат.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав основного материала, заключения и списка цитируемой литературы общим объемом 225 страниц.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, дается краткий обзор современного состояния исследований верхней атмосферы, объясняется место и значение метода некогерентного рассеяния в этих исследова-

ниях, формулируются цели работы, приводится ее краткая характеристика и содержание.

В первой главе рассмотрены возможности и особенности современных действующих радаров НР, входящих в мировую сеть. Проведен обзор методов модернизации, расширяющих диагностический потенциал этих уникальных установок. На основе анализа мирового опыта развития метода НР определены основные перспективные направления совершенствования алгоритмов и аппаратных средств при модернизации ИРНР.

Этими направлениями являются:

• Максимальное использование возможностей конфигурации антенной системы с обеспечением быстрого сканирования пространства и проведения интерференционных измерений.

• Модернизация приемно-регистрирующего тракта, увеличение числа каналов приема с обеспечением их идентичности, расширение динамического диапазона приемного тракта.

• Программное управление режимами излучения и приема радара, возможность гибкого изменения формы зондирующих импульсов, применение кодированных сигналов с различными видами модуляции.

• Использование новейших методик цифровой обработки сигналов, повышение быстродействия, точности и устойчивости вычислительных алгоритмов.

• Регистрация и сохранение полного объема информации зондирования с возможностью ее отложенной обработки.

Во второй главе на основе проведенного анализа сформулированы задачи модернизации ИРНР с учетом его индивидуальных конструктивных особенностей.

ИРНР создан на базе оборудования радиолокационной станции (РЛС) «Днепр» системы предупреждения о ракетном нападении. В 90-е гг. XX в. ИРНР стал редким примером успешной крупномасштабной конверсии сложного военного оборудования и превращения его в эффективное средство научных исследований. Уже на этапе конверсии была осуществлена замена всех регистрирующих, управляющих систем радара и его вычислительных средств. Оборудование, созданное на этапе конверсии и становления ИРНР, выполнило свою задачу. Были отработаны алгоритмы измерения параметров ионосферы, выполнены первые длительные измерения характеристик ионосферной плазмы в различных гелиогеофизических условиях, проведено сопоставление получаемых экспериментальных данных с данными других инструментов и моделями. При этом были установлены и основные недостатки оборудования ИРНР, ограничивающие его диагностические возможности:

• недостаточный диапазон линейности приемного тракта (-40 дБ);

• недостаточное количество каналов приема (2);

• отсутствие возможностей автоматического программного управления режимами излучения и приема;

• излучение только гладких, смодулированных импульсов;

• отсутствие фазовой когерентности сквозного канала прием-передача;

• ограниченные возможности устройств обработки сигналов (производительность сигнального процессора -30 Мфлопс);

• ограниченные возможности устройств регистрации и сохранения данных, невозможность сохранения полной информации зондирования.

Развитие диагностических возможностей ИРНР на новом этапе стало целью коренной модернизации всего комплекса управляющих, приемных, регистрирующих устройств и средств обработки сигналов с целью наиболее полного использования потенциала радара и особенностей конструкции его антенны.

Основными задачами модернизации стало обеспечение следующих возможностей радара, таких как:

1. Измерение параметров ионосферной плазмы одновременно в нескольких направлениях для исследования ее пространственно неоднородной структуры.

2. Одновременные измерения без амплитудных искажений мощных сигналов от космических аппаратов (КА) или когерентного эха (КЭ) на фоне слабых сигналов НР.

3. Управление формой диаграммы направленности радара и проведение интерферометрических измерений.

4. Автоматическое определение наличия на радиолокационной развертке когерентных сигналов с возможностью принятия автоматического решения об изменении режима работы.

5. Повышение пространственного разрешения и расширения высотного диапазона ионосферных измерений путем использования оптимальных зондирующих сигналов и устранения с радиолокационной развертки сигналов от местных предметов.

6. Регистрация на электронные носители полного объема первичной информации зондирования для обеспечения выбора способа вторичной обработки, адекватного меняющимся задачам и природным условиям.

7. Обработка большого массива данных ионосферного и спутникового зондирования в реальном масштабе времени.

В главе приведены необходимые структура и состав нового управляющего приемно-регистрирующего комплекса (УПРК), призванного реализовать эти задачи, в который вошли (см. рис. 2):

• многоканальное приемное устройство (ПИР);

• цифровая система синхронизации и формирования рабочих частот;

• система автоматического фазирования передатчиков;

• система регистрации формы излученного импульса;

• быстродействующее устройство регистрации сигналов и управления радаром;

• распределенная вычислительная система вторичной обработки данных зондирования в реальном масштабе времени.

Рис. 2. Структурная схема Иркутского радара HP.

Система приема ИРНР включает два идентичных и конструктивно независимых приемных устройства для обслуживания северного и южного терминалов антенны (ПИР-1 и ПИР-2). Каждое приемное устройство, в свою очередь, должно иметь два физических тракта: ПИР-1 - тракты А1 и В1 для выходов полурупоров северного терминала антенны, ПИР-2 - тракты А2 и В2 для выходов южного терминала. Каждый тракт содержит два частотных канала: узкополосный (А1У) и широкополосный (А1Ш). Конструктивно приемник выполнен в виде двух модулей - выносного устройства приема (ВУП), осуществляющего перенос принятого сигнала на первую промежуточную частоту, и управляющего приемного модуля (УПМ). Блок ВУП находится непосредственно в помещении антенных коммутаторов.

УПМ состоит из блока основной селекции, который осуществляет перенос входного сигнала на вторую промежуточную частоту, и блока управления. Блок управления, в свою очередь, обеспечивает управление параметрами модулей приемника, сбор телеметрии и связь с ЭВМ. Данные о состоянии каналов приема и их параметров передаются в ЭВМ по последовательному интерфейсу.

Приемные устройства ИРНР имеют шумовую температуру -150 К и широкий сквозной линейный динамический диапазон (70 дБ).

Система синхронизации и формирования рабочих частот в составе нового УПРК выполняет задачу синхронизации работы всех устройств ИРНР, управление синтезаторами прямого синтеза для формирования рабочих частот и осуществляет привязку к внешнему тактовому сигналу, обеспечивая сквозную когерентность всего приемопередающего тракта радара.

Система фазирования обеспечивает управление формой диаграммы направленности (ДН) радара при работе на излучение. Во всех экспериментах, проводимых на ИРНР, используются два передатчика, запитывающие два не-

зависимых полурупора антенны. Формирование ДН требуемой формы во всем диапазоне рабочих частот радара осуществляется при помощи автоматической системы управления программируемыми фазовращателями. Система осуществляет динамическую подстройку разности фаз между передатчиками во время каждого цикла излучения в зависимости от излучаемой частоты.

Система регистрации полной формы излучаемых импульсов необходима, например, при решении задачи прецизионных измерений малых искажений радиолокационных сигналов при отражении от космического объекта (КО). В этой системе применяется отдельная ЭВМ, подключенная к локальной сети ИРНР, с установленной высокоскоростной платой АЦП для оцифровки сигналов на несущей частоте. Входы двухканапьного АЦП подключены непосредственно к выходам передатчиков через специальные делители. Данные системы записываются в файлы для последующей обработки. Система позволяет регистрировать точную форму излучаемого сигнала, контролировать стабильность фазы и мощности излучения.

Устройство регистрации сигналов обеспечивает сохранение полной информации зондирования. После предварительной обработки полученные квадратурные компоненты сигнала сохраняются на дисковом массиве файлового сервера. При записи в дисковый массив производится автоматическая сортировка данных. В разные файлы записываются чистые данные некогерентного рассеяния и радиолокационные развертки с когерентными сигналами и помехами. Подробно система регистрации сигналов во взаимодействии с другими элементами УПРК описана в главе 3.

В дальнейшем обработка информации зондирования производится раздельно и параллельно в распределенной вычислительной системе: данные широкополосных каналов проходят согласованную обработку для вычисления и построения профиля мощности, а по данным узкополосных каналов вычисляются спектры и корреляционные матрицы. В то же время файлы с когерентными сигналами анализируются на наличие в них сигналов от известных КА и обломков, не входящих в каталоги. Все данные, за исключением радиолокационных разверток с высоким уровнем помех, регулярно переписываются на БУО-диски для архивации и длительного хранения.

Разработанные структура и состав нового управляющего и приемно-регистрирующего комплекса ИРНР полностью соответствуют поставленным задачам модернизации ИРНР [Потехин и др., 2008].

Третья глава посвящена описанию взаимодействия элементов нового УПРК в различных режимах работы ИРНР, системы регистрации и принципов управления радаром. Обсуждаются выбор способа регистрации сигналов, частоты дискретизации в различных каналах, методы выделения низкочастотных квадратурных составляющих принятого сигнала. Приводится полная схема цифровой регистрации узкополосных и широкополосных каналов приемного тракта нового УПРК.

Дано описание основных режимов работы ИРНР, принципов согласованного автоматического изменения структуры излучения и приема в каждом из них.

Основные режимы работы ИРНР:

• регулярные ионосферные наблюдения;

• наблюдение космических объектов (КО);

• режим радиоастрономических наблюдений;

• специальные режимы работы.

В регулярных ионосферных наблюдениях используются два передатчика суммарной мощностью не менее 2.4 МВт и два типа сигналов - УП и ШП. С 2005 г. в этих наблюдениях используются две частоты излучения таким образом, чтобы сформировать две диаграммы направленности в двух направлениях, разница между которыми составляет от 15 до 20°. Это необходимо для изучения пространственных градиентов параметров плазмы в ВА. После приема УП- и ВШ-сигналов с обоих полурупоров антенны производится вторичная обработка - сигналы УП-каналов используются для получения спектров и корреляционных функций рассеянного сигнала, а сигналы ШП-каналов после согласованной обработки служат основой реконструкции профилей электронной концентрации. Последовательность излучения и приема в этом режиме изображена на рис. 3.

Радиолокация КО осуществляется в автоматическом режиме в трех вариантах:

1. в режиме НР;

2. по заранее подготовленным таблицам с частотами;

3. в режиме захват-сопровождение.

В первом варианте во время стандартных измерений в режиме НР производится анализ каждой развертки в каждом канале на наличие сигналов, отраженных от КО, или помех по алгоритму, подробно описанному в [Лебедев и др. 2012а].

Рис. 3. Временная диаграмма формирования зондирующих импульсов и приема отраженного сигнала в одном цикле зондирования в режиме ионосферных наблюдений.

Выделенные таким образом реализации записываются в отдельные от основных файлы данных формата IST. В дальнейшем IST-файлы обрабатываются на других ЭВМ в локальной сети радара.

Во втором варианте заранее подготавливается файл данных для наблюдения КА. В этом файле содержатся такие параметры, как время входа КА в ДН ИРНР, время выхода из ДН, дальность в километрах, начальная и конеч-

ная частоты и количество частот. В таком режиме при наступлении времени наблюдения КА программа управления отключает текущий режим НР, создает новый файл данных формата ЯРи, составляет равномерную сетку частот, устанавливает заданную задержку и начинает циклическое сканирование в соответствии с этой сеткой направлений. После завершения времени наблюдения программа снова возвращается в режим НР.

Режим захват-сопровождение используется для поиска КО по всему сектору обзора ИРНР. При обнаружении КО, радар переводится в режим сопровождения этого КО «вилкой» из пяти частот при этом, сопровождение проводится вплоть до выхода этого КО из сектора наблюдения.

Режим радиоастрономических наблюдений введен на ИРНР с мая 2011 г. Наблюдения осуществляются круглосуточно в перерывах между активными экспериментами. Режим заключается в обычной процедуре регистрации сигналов без посылки зондирующего импульса. Он используется для наблюдения космического радиошума и его вариаций, отражающих поведение ионосферной плазмы. В этом режиме проводится регистрация активности Солнца в радиодиапазоне. Частота, на которой ведется регистрация сигналов, изменяется в каждом такте приема. В пассивном режиме диапазон рабочих частот радара расширен до 149-163 МГц, что увеличивает сектор обзора на -15°. Весь диапазон разбит на 88 частот, отстоящих друг от друга на 164 кГц (0.5°). Однократное сканирование сектора обзора осуществляется за время 88х(1/24)=3.67 сек. УПРК ИРНР осуществляет смену частоты приема таким образом, чтобы организовать непрерывное циклическое сканирование сектора обзора [Васильев и др. 2012].

Специальные режимы работы предназначены для проведения на ИРНР широкого класса радиофизических экспериментов. Новый УПРК ИРНР обеспечивает для этого необходимую гибкость программного управления режимами излучения и приема. В частности, особые режимы работы применяются для локации дальних КО (Луна и Солнце), в этих режимах могут использоваться длинные кодовые последовательности (от 1 с до нескольких мин) [Лебедев, Медведев, 2002]. При проведении серии активных космических экспериментов с использованием транспортного грузового космического корабля «Прогресс» применяется сложный режим работы с излучением составной последовательности гладких импульсов, фазоманипулированных импульсов и импульсов с непрерывной линейной частотной модуляцией [Хахинов и др., 2011]. Эти последовательности могут излучаться на переменной сетке частот, зависящей от конкретной геометрии эксперимента.

Сравнение технических характеристик нового УПРК и предыдущего приемно-регистрирующего комплекса ИРНР приведено в таблице 1.

В главе также показываются принципы организации системы хранения данных для разных видов наблюдений, описывается структура сохраняемых данных.

Таблица 1. Сравнение основных параметров УПРК.

Технические характеристики Предыдущий комплекс Новый УПРК

Число регистрирующих каналов 2 4 (с возможностью расширения до 8)

Динамический диапазон, дБ -40 -70

Разрядность АЦП, бит 8 16

Автоматическое управление ДН нет есть

Регистрация сигналов из раздельных полурупоров нет есть

Излучение и прием сигналов сложной формы нет есть

Автоматическое фазирование передатчиков нет есть

Регистрация полной формы принятого сигнала кратковременно постоянно

Регистрируемая дальность вдоль луча, км 1200 до 1200 в стандартном режиме НР, до 4500 в специальных режимах

Полоса пропускания приемного тракта, кГц 5,15,40 25, 50, 100,300

В целом функциональные параметры нового УПРК соответствуют поставленной задаче модернизации ИРНР. Его технические возможности позволяют реализовать необходимые режимы работы и обеспечивают сохранение полного объема данных зондирования.

В четвертой главе изложено описание новых радиофизических методов диагностики ВА и контроля ОКП, разработанных на основе расширенных возможностей нового УПРК ИРНР. Показано, что возможности нового УПРК по электронному сканированию, формированию и приему сложных сигналов позволяют повысить точность и информативность ИРНР при диагностике параметров ионосферной плазмы (электронной концентрации, ионных и электронных температур). В частности, использование сложных зондирующих сигналов позволило повысить устойчивость определения высотного профиля электронной концентрации. Критическим элементом, определяющим устойчивость метода восстановления профиля электронной концентрации по данным зондирования, является процедура обращения свертки профиля мощности сигнала НР с зондирующим сигналом. Процедура некорректна, и устойчивость ее в условиях высокого шума не всегда достаточна. Применительно к ИРНР этой процедуры можно избежать, если обеспечить высотное разрешение не хуже 5 км. Такое разрешение обеспечивается при использовании немодулированного импульса длительностью около 33 мкс, но этой длительности недостаточно с энергетической точки зрения. Традиционные для радиолокации методы разрешения этого противоречия путем использования широкополосных сигналов имеют в методе НР существенные

ограничения, главным из которых является конечное время корреляции сигналов рассеяния от исследуемого объекта - ионосферной плазмы. Время корреляции можно оценить из ширины спектра сигнала НР как хк ~l/AS(a), и оно существенно меняется в зависимости от сезона, высоты и времени суток. Это обстоятельство определяет невозможность выбора одной оптимальной кодовой последовательности, а, следовательно, и аппаратной реализации способа согласованной обработки. Проблема была решена с внедрением на ИРНР нового УПРК, способного формировать сигналы с заданным видом модуляции, регистрировать полную форму принятого сигнала, проводить «отложенную» согласованную обработку сигналов с использованием цифровых аппаратных и программных средств. Математическое моделирование реакции ионосферы с реалистичными параметрами на кодированные сигналы различной формы позволило определить основные типы сигналов, обеспечивающих наилучшую точность восстановления профиля концентрации в различных геофизических условиях, разработать методы автоматического выбора типа зондирующего сигнала и способа его обработки. Итогом этой работы стала автоматизированная процедура определения высотного профиля концентрации электронов в реальном времени, устойчиво работающая в диапазоне значений NmF2 от 2105до 2-106эл/см3 [Alsatkin et al., 2009].

Пример результатов работы процедуры за период с 12 по 15 января 2013 г. приведен на рис. 4.

я 600

"s 500

5 400 2

ш 300 200

0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 24

Время(иТ)

g 600 ■J 500 ¡400 m 300 200

0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20 24

Время(иТ)

12.01.2013 13.01.2013 14.01.2013 15.01.2013

Время(иТ)

Рис. 4. Высотные профили мощности сигналов HP, измеренные с использованием 11-элементной кодовой последовательности общей длительностью 150 мкс (о); высотные профили электронной концентрации, полученные в результате работы автоматизированной процедуры (б); временная динамика концентрации электронов на высотах 250 км (черная линия) и 325 км (серая линия), полученная в результате работы автоматизированной процедуры (в).

12.01.2013 13.01.2013 14.01.2013 15.01.2013

¡y. 1 Ш

На панели (а) приведены профили мощности сигналов НР, измеренные с использованием 11-элементной кодовой последовательности общей длительностью 150 мкс после согласованной обработки. Следует отметить четкое разделение максимумов и минимумов, не требующее дополнительной процедуры обращения свертки с зондирующим сигналом. На панели (б) приведены соответствующие этим измерениям профили электронной концентрации, полученные в результате работы автоматизированной процедуры. На панели (в) показана временная динамика концентрации электронов на высотах 250 км (черная линия) и 325 км (серая линия), примерно соответствующих высотам дневного и ночного максимумов ионизации.

Предложен новый метод определения скорости плазмы, учитывающий особенности ИРНР. Метод основан на углубленном анализе корреляционных свойств сигналов НР. Обозначим как 51(ш) симметричный спектр с доплеров-ским сдвигом 51(ш)=5'(о:+Пдоп), тогда его преобразование Фурье Д,(т) будет иметь вид Я1(т)=Я(т)ехрШд0Пт), где т - аргумент автокорреляционной функции (АКФ), а £2Д0П - доплеровский сдвиг частоты. Тогда фаза АКФ \|/,(т)=алопт - линейная функция с углом наклона, определяемым скоростью движения плазмы. Отметим, что в этом случае в выражение для скорости дрейфа не входит собственно форма АКФ Жт) и, следовательно лучевая скорость движения плазмы может быть определена независимо от других параметров плазмы. Это свойство АКФ с успехом используется на среднеширот-ных радарах НР, где других источников асимметрии спектра, кроме допле-ровского сдвига, быть не должно. На ИРНР такой метод определения скорости дает недопустимо высокую дисперсию. На рис. 5 приведены характерные экспериментальные АКФ, полученные на Иркутском радаре НР.

1.5 -]

>600 -400 -200 О 200 400 C00-J .5 -

Рис. 5. Экспериментальные АКФ сигналов IIP, модуль (слева) и фаза (справа) для высоты 250 км (сплошная линия) и 500 км (пунктир).

Можно отметить, что в основном фазовая характеристика АКФ имеет линейный характер. Однако источником серьезных искажений при определении ее угла наклона на ИРНР являются характерные пики в областях, близких нулям модуля АКФ. Анализ экспериментальных данных показал, что эти пики присутствуют в АКФ постоянно, их амплитуда и знак носят квазирегулярный характер, меняющийся с высотой и временем суток. Природа пиков связана с несдвиговой асимметрией спектра. Действительно, обозначим асимметричный спектр как 52(га)=5(м)(1+ Д£со), где АЕ - коэффициент несдвиговой асимметрии (перекос) спектра. Тогда, согласно свойствам преоб-

разования Фурье, получим Л1(т)=Л(т)-гА£^'(т), и выражение для фазы АКФ может быть записано следующими образом у 2<j)=arctg(-A£7? '(т)/Л(т)).

В выражении для фазы ц/2(т) появляется явный вид функции R(т) и ее производной. Это вновь увязывает дрейф со всеми остальными параметрами плазмы и означает включение процедуры определения скорости в общий процесс многопараметрической подгонки. Суть предложенного в работе метода заключается в том, чтобы на этапе определения скорости дрейфа плазмы заменить функции S(со) и соответственно R(т) некоторым их приближением, обеспечивающим аналитическое решение этой задачи, например двумя функ-цииями Гаусса [Потехин и др., 2008в]:

со

-(Пдоп + СОр

)Г

2о2

£!. 1л

a V2

ехр

ш- £2доп-Юр

2а2

где а - дисперсия нормального гауссова процесса, ±сор - симметричные резонансные частоты спектра, Пдоп - общий доплеровский сдвиг спектра, Е+, Е. -максимальные значения энергетического спектра сигнала на резонансных частотах. В работе показано, что в таком случае выражение для фазы АКФ может быть получено в виде

\|/(т)==Пд0Пт+ДЕ1д(<»рТ),

где Де=—«1 - малый параметр, характеризующий асимметрию спектра. Е

В приближении малых значений коэффициента асимметрии и доплеров-ского смещения частоты спектра величины Плоп и Де могут быть успешно разделены аналитически, например методом наименьших квадратов. Процедура действий в рамках этого метода заключается в минимизации функционала вида

£(адоп, Де) = (£2Доп\ + )-^)2,

к=1

где щ - отсчеты экспериментальной фазы АКФ сигнала НР. Решением этой задачи являются выражения для искомых величин:

о =М_

£¥Л-Д£]Гт1ё(т)

к=1

к=1

Ар-Jsi_к=I _.

¿АЬ--V,- -п п п

*=1 к=I к=1 к=1

Разработанный метод определения скорости дрейфа ионосферной плазмы, учитывающий особенности работы ИРНР, реализован в виде одного из основных элементов программного комплекса обработки данных зондирова-

ния ионосферы в реальном масштабе времени. Путем моделирования определены границы применимости метода по диапазону предельных величин измеряемых параметров (УдОП - до 200 м/с; Де - до 10 %) [ЗЬсЬегЬакоу й а1., 2009], проведена калибровка его по известным КА. Новый метод позволяет понизить дисперсию определения скорости дрейфа ионосферной плазмы в несколько раз [Медведев и др., 2011].

Интерферометрические наблюдения. Основным условием для таких наблюдений является для установки возможность установки изучать объект с разных углов зрения, т. е. принимать рассеянный исследуемой областью сигнал на антенны, имеющие некоторое пространственное разнесение. В результате проведенной модернизации на ИРНР появилась возможность регистрировать сигналы от двух раздельных полурупоров антенны, соблюдая при этом полную когерентность приемопередающего тракта.

Теоретическое обоснование использования интерференционного метода на ИРНР проведено в работе [Лебедев и др., 20126]. Вдоль направления сканирования (по углу е при у=со«^/) сечение ДН приведено одинаково для двух полурупоров в режиме приема и излучения. В угломестной плоскости (по углу у при е=сои5Г) два полурупора имеют существенно разные ДН, и именно эта особенность позволяет реализовать интерферометрические измерения на ИРНР. Суммарная ДН антенны на излучение и прием определяется разностью фаз сигналов в двух полурупорах. Из рис. 6, а видно, что при изменении разности фаз в пределах (-90°; 90°) максимум ДН смещается от центрального направления в пределах (-5°; 5°), причем ДН остается однолепестковой. Дальнейшее увеличение разности фаз приводит к росту бокового лепестка ДН, и при разности фаз 180° формируется симметричная двухлепестковая ДН. Связь разности фаз Дф между сигналами от верхнего и нижнего полурупоров с антенным углом места у определяется фазово-угломестной характеристикой ИРНР Дф=у^ф.Фазово-угломестная характеристика антенны измерялась экспериментально специально разработанным методом [Ме<1уес1еу е1 а1., 2001; Лебедев и др., 2006] путем наблюдения мощного космического источника радиоизлучения «Лебедь-А» в пассивном режиме циклического сканирования. Полученная фазовая характеристика изображена на рис. 6, б. К

Крутизна /сф фазовой характеристики антенны ИРНР составляет около электрических градусов на один градус угла места.

Угол места (град)

17

Фаза между полурупорами (град)

-14-12-10 -8 -6 -

2 4 6 8 10 12

Рис. 6. Форма ДН антенны ИРНР в зависимости от разницы фаз между полурупорами (сг); фазовая характеристика антенны PHP (б).

Объектом анализа является нормализованная комплексная кросс-корреляционная функция, или, как ее еще называют, комплексная функция когерентности:

(иаи;) (1)

¡ш

где [^.¿-комплексные амплитуды сигналов в верхнем (восточном) и нижнем (западном) полурупорах соответственно. Если задать флуктуации плотности рассеивателя в гауссовом виде как

2 4

(У-ТГо)

и(у) = ехр

2а|

с центром 60=Ы и шириной а, в направлении у, то выражение для функции когерентности можно представить в виде

Г| = ехр

<5

ехр

21 а2+Оу

Таким образом, в эксперименте для каждой задержки (дальности) могут быть определены модуль коэффициента корреляции 1ц1 и его фаза аг§(т]), а также угол места центра цели у0 и характерный размер рассеивателя о, вдоль угломестного направления в антенной системе координат ИРНР:

а6=-

21п(И)о2 21п(|т1|)+о2^2'

Уо

аг^Сп) "о2 К

Показано, что ИРНР может рассматриваться как интерферометр с базой 5 м и эффективной полушириной гауссовой ДН передатчика и приемников 4.56°.

Методы наблюдения космических объектов на Иркутском радаре НР.

В 2006-2012 гг. среднее время работы радара в режиме ионосферных наблюдений составило около полутора тысяч часов в год. Высокая плотность КА и фрагментов космического мусора приводит к тому, что каждый час через ДН антенны ИРНР проходит несколько десятков КО. С одной стороны, поток КО достаточно велик и является существенным фактором дополнительных помех и искажений при анализе параметров космической плазмы. С другой стороны, информация о параметрах наблюдаемых КО представляет самостоятельный интерес во многих фундаментальных и прикладных задачах. В результате проведенной модернизации на ИРНР появилась возможность реализовать специальный программный модуль, в рутинном порядке и в ре-

альном масштабе времени осуществляющий селекцию данных зондирования с отбором реализаций, в которых присутствует сигнал от КО, и сохранением их в отдельном файле. Пример результата работы модуля приведен на рис. 7.

За месяц ионосферных измерений в автоматическом режиме на ИРНР регистрируются десятки тысяч пролетов КО. Данные с сигналами от них обрабатываются с получением следующих характеристик: дальности, лучевой «скорости, азимута, угла места и отношения сигнал/шум. Полученные данные координатной и некоординатной информации о наблюдаемых КО заносятся в соответствующую базу данных (БД).

Обработка радиолокационных данных от КО проводится по оригинальной методике, позволяющей в полном объеме использовать особенности и достоинства антенной системы ИРНР и существенно повышающей точность определения параметров движения КО. При достаточно высоком соотношении сигнал/шум (5/ЛЫО) применение методики на ИРНР обеспечивает скреднеквадратические отклонения измеряемых параметров не хуже чем 100 м для 10 м/с для V, 5 угл. мин для б, 5 уг. мин для у [Лебедев и др., 2012а].

Статистика наблюдаемых пролетов КО во время ионосферных измерений ИРНР достаточно представительна. Общая гистограмма распределения зарегистрированных пролетов КО по высоте представлена на рис. 8. Данные ИРНР могут быть интересны для понимания эволюции космического мусора на низкой околоземной орбите.

Точность определения параметров движения КО важна, в частности, при сопоставлении данных ИРНР с известными каталогами космических объектов. Идентификация известных КА или фрагментов космического мусора позволяет выделить из данных ИРНР сигналы, принадлежащие не зарегистрированным до сих пор КО, определить параметры их движения для дальнейшего уточнения их орбит и каталогизации.

Новый вид измерений на ИРНР - радиоастрономические наблюдения. Высокие затраты при эксплуатации радаров НР приводят к тому, что обычно они работают только несколько дней в месяц. Основной вклад в стоимость эксперимента вносит использование мощных передающих устройств, потребляющих многие сотни киловатт электроэнергии. Загруженность ИРНР на проведение регулярных ионосферных исследований и специальных экспериментов около ста дней в году, в остальное время существует возможность использовать его приемное оборудование и антенную систему в пассив-

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Время(иТ) Время(иТ)

Рис. 7. Суточный ход профиля мощности сигнала НР без селекции КО (а): суточный

ход профиля мощности сигнала НР после процедуры селекции КО (б).

ном режиме и организовать при помощи ИРНР наблюдения фонового космического радиоизлучения и радиоизлучения Солнца [УавПуеу ее а1., 2013]. В новом режиме программа управления ИРНР осуществляет смену частоты приема таким образом, чтобы организовать непрерывное циклическое сканирование сектора обзора, как это описано в главе 3. Регистрируются мощности сигналов раздельно в каждом полурупоре антенны и вычисляется комплексный коэффициент корреляции в соответствии с выражением (1) (см. рис. 9).

Прохождение дискретных радиоисточников через ДН антенны ИРНР регистрируется в виде квазипараболических непрерывных гладких треков. В поведении фазы коэффициента корреляции (рис. 9, б) отчетливо проявляется в виде наклонной линии с -16 до 19 1ЛТ прохождение через ДН ИРНР источника со значительными угловыми размерами - галактического диска.

Полученные данные используются в двух основных направлениях - исследовании мерцания дискретных точечных радиоисточников и изучении вариаций солнечного радиоизлучения в диапазоне длин волн от 1.85 до 2 м.

Р|

и

2007 - 2010

ЙА

300 400 500 «И> 700 800 900 1000 1100 1200 1300 Высота (км) <]Н=10 км

Время, и'Г

Рис. 9. Динамика комплексного коэффициента корреляции космического шума в течение суток: а - модуль, б - фаза коэффициента корреляции.

23

Рис. 8. Распределение по высоте пролетов КО по данным ИРНР за 2007-2010 Общее число зарегистрированных пролетов более 350000.

160000155000-

150000-

Явление мерцания дискретных космических радиоисточников на плазменных неоднородностях широко используется для диагностики ВА. Треки дискретных радиоисточников, наблюдаемых на ИРНР, хорошо аппроксимируются аналитической кривой, что позволяет провести селекцию сигнала радиоисточника, проходящего через сектор обзора ИРНР, на фоне распределенного космического радиошума [Васильев и др., 2013].

Выделенная таким образом мощность сигнала от дискретного радиоисточника выглядит как квазипериодическая кривая (рис.10, а), отражающая прохождение радиоисточника через различные лучи ДН. Таким же образом может быть построена и величина, наименее подверженная влиянию ДН, -коэффициент вариации 5Ц, л (рис. 10, б):

5 н=-

и.с!

О Р

и.а

где Рц,й- мощности сигналов в верхнем и нижнем полурупорах соответственно.

Другим интересным радиоисточником, доступным для наблюдений на ИРНР с мая по сентябрь, является Солнце. Большая апертура антенны ИРНР (-3000 м2) и линейный динамический диапазон регистрирующей аппаратуры (70 дБ) позволяют проводить наблюдения потока солнечного радиоизлучения с высокой чувствительностью, а также обеспечивают абсолютную калибровку потока по известным постоянным космическим радиоисточникам.

Одним из происходящих на Солнце явлений, которые можно наблюдать на ИРНР, являются радиовсплески II типа, которые генерируются корональ-ными выбросами массы. На рис. 11 приведено сравнение данных, полученных на ИРНР и в обсерватории Си^оога (Австралия) во время солнечной вспышки 7 июня 2011 г., сопровождавшейся мощным корональным выбросом массы типа гало. Наблюдается хорошее согласие полученных данных, за исключением поздней стадии вспышки. Это различие может возникать как следствие того, что описываемы инструментами регистрируются радиоволны различной поляризации.

9 ..В

1 I

1Ш

Д.

Рис. 10. Поведение наблюдаемой мощности радиоисточника (а) и коэффициента вариации (б) в течение двух дней. Черная линия - спокойный день, серая - день с усиленными мерцаниями радиоисточника.

Еще одним относящихся к Солнцу явлением, доступным для исследования, являются шумовые радиобури I типа, которые наблюдаются в диапазоне 50-300 МГц в виде повышенного фонового радиоизлучения продолжительностью от нескольких часов до нескольких недель. Их связывают с плазменными волнами, которые возбуждаются потоками быстрых электронов, ускоренных ударными волнами в магнитном поле. Шумовые бури часто возникают без солнечных вспышек, а в тех случаях, когда они порождаются вспышками, длительность бури превосходит время жизни этих вспышек. В период с мая по сентябрь 2011 г. на ИРНР было выявлено квазипериодическое увеличение потока солнечного радиоизлучения в диапазоне -150 МГц (рис. 12).

Сравнение полученных данных с данными радиогелиографа Ыапсау, работающего на частоте 150.9 МГц, показывает, что полученный результат не является артефактом, а отражает, скорее всего, присутствие шумовой бури 1 типа.

Проведенное сравнение информации о Солнце и ионосфере Земли, получаемой на ИРНР, с такими же характеристиками, получаемыми на существующих научно-исследовательских установках, говорит о том, что режим радиоастрономических наблюдений на ИРНР может быть использован в качестве средства, способного предоставить дополнительную полезную информацию о процессах, происходящих в земной ионосфере и на Солнце.

Пятая глава посвящена исследованиям распространения внутренних гравитационных волн (ВГВ) в верхней атмосфере на основе данных, полученных на ИРНР с использованием возможностей нового УПРК, и данных вспомогательных инструментов радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН.

Рис. 11. Сравнение динамики солнечной вспышки 06.07.2011 г. по данным ИРНР (серая кривая) и Си^оога (черная кривая).

+ + + ? *

• •«'«*• Л™«' 1 1 11

/ ;; i д/. '»л.

Л- Солнце |l i ) A /

—j , -

,!Id«\ib А

Рис. 12. Квазипериодические вариации потока солнечного радиоизлучения на частотах около 150 МГц. Время наблюдения - май-сентябрь 2011 г.

С сентября 2005 г. регулярные ионосферные измерения на ИРНР проводятся в двулучевом режиме. Этот режим заключается в излучении последовательностей зондирующих сигналов попеременно через такт на двух частотах, соответствующих двум направлениям с разницей от 15 до 20°. С учетом того что время накопления сигналов HP в каждом из направлений обычно составляет от 1 до 10 мин, этот режим открывает практическую возможность получения двух независимых и одновременных профилей параметров ионосферной плазмы в каждом направлении. Новые функциональные возможности ИРНР позволяют измерять пространственные градиенты параметров ионосферы, и они могут быть использованы, в частности, для разработки радиофизических методов реконструкции трехмерной структуры ПИВ и исследования условий распространения ВГВ в верхней атмосфере. В главе изложены теоретические основы нового комплексного метода исследования трехмерной структуры ПИВ и полного вектора скорости его распространения на основе совместного анализа данных ИРНР и ионозонда [Медведев и др., 2009]. Геометрия эксперимента приведена на рис 13. ИРНР расположен в 98 км к северо-западу от Иркутска (52.9° N, 103.25° Е). Частота излучения 154 МГц соответствует наклону луча радара -10° от зенита и в азимутальном направлении 263° от севера по часовой стрелке. Частота 158 МГц соответствует наклону луча радара -16° от зенита с азимутом 21 Г. Ионозонд вертикального зондирования DPS-4 расположен непосредственно в Иркутске (52.3° N, 104.3° Е). Взаимное расположение инструментов образует базис с характерным масштабом порядка 100 км. Показаны проекции на земную поверхность диаграммы направленности РНР на двух частотах и характерные треугольники, в которых измеряется электронная концентрация для высот 200, 300 и 400 км.

Алгоритм реконструкции трехмерной пространственно-временной структуры ПИВ состоит из процедур подготовки данных с приведением их к одному моменту времени и одному временному шагу, выделения возмущений и расчета динамических характеристик ПИВ. В основу метода определения характеристик распространения ПИВ было положено измерение времени распространения возмущений в горизонтальном и вертикальном направлениях.

z = 200 км АВ= 45 км АС =103 км ВС = 126 км z = 300 км АВ =68км АС= 117км ВС= 141 км z =400 км АВ = 90 км АС = 134 км ВС = 157 км

lfH.ll ни .5 102.« 10Z.S 103.0 103.5 104.0 104.5 105.» Долгота

Рис. 13. Проекции на земную поверхность ДН ИРНР на разных высотах.

В зависимости от характера возмущения применялись два способа действий. Кросскорреляционный способ состоит в определении задержек между ПИВ, наблюдаемых в пространственно-разнесенных точках с помощью корреляционного анализа. Задержкой при этом считается минимальный временной сдвиг между возмущениями, обеспечивающий локальный максимум коэффициента корреляции. Фазоразностный способ определения параметров движения ПИВ может быть применен при выделении из всего спектра ПИВ одной главной гармоники. Он заключается в определении разности фаз гармоники, наблюдаемой в разных точках пространства. Два способа действий во многом похожи, поэтому детально рассмотрим метод в рамках кросскор-реляционного анализа.

Предполагается, что в любой момент в каждой точке пространства ПИВ имеет форму плоской волны:

ANe(R,t) = AN0(z)A(t-x(R)),

где ANo(z) - высотный профиль ПИВ в начале координат, A(f) описывает временную зависимость характеристики распространения, х - задержка, определяемая как

т (R) = (eR)/V.

Здесь R = {Rx,Ry,Rz] - радиус-вектор точки наблюдения, е ={ех,еу,ег) -единичный вектор, определяющий направление распространения волны, V -модуль скорости распространения волны.

Была выбрана декартова система координат с нулем в точке расположения PHP. Ось Z направлена в зенит, ось X - на север и ось Y - на восток. В этой системе вектор ё имеет координаты ¡cosöcosy, cosGsiny, sinB}, где в - угол возвышения над горизонтом (0 положителен для волнового вектора, направленного вверх, и отрицателен для волнового вектора, направленного вниз), \|/ - азимут, отсчитываемый от направления на север по часовой стрелке.

Задержка между AN (ПИВ), наблюдаемыми в точках с радиус-векторами R и R, в каждый момент времени, определяется по формуле:

Дт (Д,Д,) = (?-(Д-Д)),

где q = ë/V . Используя задержки между ДNe, наблюдаемыми на двух лучах радара HP и ионозонде DPS-4, на каждой высоте получаем систему линейных уравнений для определения qx и qy:

qx U - )■+ Чу ( >', ~ Уг ) =

qx (х3 - J0+<7>- (У, ~ У. ) = Ат31

где (xi, )'0, (х2, у2) и (хъ, уз), - координаты точек наблюдения в плоскости XY.

С помощью задержки Дт, между ANe, наблюдаемыми ионозондом DPS-4 на различных высотах, определяем q^AxJAz. Зная полный вектор q, можно вычислить характеристики ПИВ (V, 6, \|/) для всех высот наблюдения, согласно известным выражениям преобразования координат:

¥ =

/<?.<), qy>0,qx>0 агсГё(<7У/<7.1.)+7Г, дх<0

ду <0, цх >0.

Отметим, что можно определить и по наклонным лучам радара - тогда общая система уравнений становится избыточной и эту избыточность можно использовать для уменьшения погрешности измерений с помощью усреднения результатов или для введения критерия достоверности измерений.

Работу описанных выше методов можно рассмотреть на примере мощных возмущений 11 сентября 2005 г. (рис. 14). Результаты определения параметров движения ПИВ приведены на рис. 15. Видно, что в целом два способа действий дают удовлетворительное совпадение результатов. Обобщенные результаты измерений можно усреднить по высотам и представить в итоге следующим образом.

Первое возмущение, наблюдаемое с 02:30 до 05:30 ЦТ (09:30-12:30 ЬТ), имело характерный период Г,--1.5 ч, модуль фазовой скорости У|=45±8 м/с, наклон фазового фронта 9,=-45°±14° и азимут \|/,=201°+6° (знак «±» указывает на вариативность характеристик по высоте).

После фильтрации в полосе периодов 1—4 ч наиболее высокий коэффициент корреляции данных (0.9 и выше) на всех трех лучах наблюдался в интервалы времени 2-4 иТ в диапазоне высот 230-370 км и в 10-12 иТ на высотах 280-380 км.

Для второго возмущения, наблюдаемого с 07:00 до 12:30 1ГГ (14:00— 19:30 ЬТ), сделаны следующие оценки: Т2~2.8 ч, К2=44±14 м/с, е2=-70о±10°, \|/2=210°±25°.

Рис. 14. Вариации электронной концентрации 11 сентября 2005 г.: левая панель - исходные профили электронной концентрации; правая панель - профили возмущений после полосовой фильтрации в полосе периодов 1-4 ч.

200 ' ! ' ' ' ' 180 210 240 2"0

Лзимуп'град.)

6

1 о

т

Рис. 15. Высотные профили параметров распространения ПИВ, вычисленные кросскор-реляционным (штриховая линия) и фазоразностным (сплошная линия) методом: 2-4 11Т (¿г); 10-12 ОТ (б).

На начальном этапе исследований предложенным методом были проанализированы данные более 30 суток наблюдений в периоды сентября 2005, марте 2006 и июне 2007 г. Кратко обобщить результаты обработки можно следующими выводами. Возмущения А/Ч. амплитудой от 5 до 10 % присутствуют в каждых сутоках из рассмотренных, достигая в магнитовозмущенные дни амплитуды 30 % и более от фонового содержания. В магнитоспокойные периоды в марте 2006 и июне 2007 г. картина ионосферных возмущений имеет сложную пространственно-временную структуру, сформированную интерференцией волн от различных источников, при этом восстановленные динамические характеристики возмущений демонстрируют очень высокую вы-сотно-временную вариативность.

Статистические исследования характеристик ВГВ на базе совместного анализа данных ИРНР и 1)Р$-4. Для организации исследования не только отдельных событий движения мощных ВГВ в верхней атмосфере, но для систематического и долговременного изучения свойств волновой активности на ионосферных высотах, их суточной, сезонной зависимости, связи с уровнем солнечной и геомагнитной активности был разработан автоматизированный метод выделения волновых возмущений [Мес1уес1еу е1 а!., 2013]. В основу автоматического программного метода выделения ПИВ было положено предположение о том, что из всего спектра волнового возмущения можно выделить доминирующую гармонику в которой сосредоточена большая часть энергии. Существование локального максимума в спектре на данной частоте как минимум на трех соседних высотах на каждом инструменте (ионозонд и два луча радара) являлось критерием наличия волнового возмущения. Анализ данных осуществлялся с использованием скользящего 12-часового окна Блэкмена. Внутри каждого окна определялось наличие возмущения, его дальнейший анализ осуществлялся по алгоритму, изложенному выше.

Модуль скорогак'м'с) Наклон фазового фронтаОрад)

А3имуг(град ) Модуль скоростн(м/с) Наклон фазового фронта(фад-)

На основе совместных непрерывных измерений ионозонда вертикального зондирования БР8-4 и ИРНР был проведен статистический анализ характеристик ПИВ в периоды длительной работы ИРНР. Такими периодами стали события развития зимних стратосферных потеплений с 15 января по 17 февраля 2011 и с 1 по 21 января 2013 г, а также непрерывный продолжительный ряд наблюдений в летний период с 22 июня по 1 июля 2013 г.

Осуществлен анализ дисперсионных зависимостей характеристик ПИВ. На рис. 16 показано распределение характеристик общего числа наблюдаемых ПИВ в период января 2011 и января 2013 г. на фазовой плоскости модуль фазовой скорости V - угол наклона волнового вектора относительно горизонта. Нижняя граница распределения, отражающая зависимость минимальных значений наблюдаемой скорости от угла наклона, может быть объяснена двумя факторами: 1) наличием минимальной длины волны ^¡„=100 км, которая может быть однозначно определена на пространственной базе радар-ионозонд, составляющей около 50 км в направлении север-юг, и 2) дисперсионным соотношением для ВГВ. Особенностью распространения ВГВ является то, что направленный вниз волновой вектор соответствует ВГВ, распространяющимся от источника, лежащего ниже Р2-слоя ионосферы, а волновой вектор, направленный вверх, подразумевает наличие источника выше Р2-слоя. Из рис. 16 видно, что положительные углы наклона наблюдаются значительно реже, чем отрицательные, но при этом характер распределения скоростей в этой области фазовой плоскости также удовлетворяет условиям распространения ВГВ.

Этот факт позволяет сделать заключение о том, что среди наблюдаемых нами волновых возмущений действительно существуют ВГВ, распространяющиеся сверху вниз. Возможным объяснением этого явления может служить возникновение условий для отражения волн на высотах выше области наблюдения. Условия отражения могут быть созданы ветровым сдвигом, при котором на некоторой высоте достигается такая скорость горизонтального ветра, которая обращает в ноль внутреннюю частоту и групповую скорость ВГВ. Таким образом, анализ дисперсионных зависимостей характеристик ПИВ показал, что основной массив наблюдаемых волновых возмущений соответствует существующим представлениям о законах распространения ВГВ, включая случаи распространения ВГВ сверху вниз.

500 | , 500

-90 -60 -30 0 30 60 90 -90 -60 -30 0 30 60 90

Наклонение (град.} Наклонение (гоад.)

Дневные условия Ночные условия

Рис. 16. Распределения на фазовой плоскости модуль фазовой скорости - угол наклона волнового вектора относительно горизонта (положительные значения соответствуют распространению вверх, отрицательные - вниз).

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Разработка новых методов и технологий прецизионной, многопараметрической диагностики верхней атмосферы Земли является актуальной задачей фундаментальных и прикладных исследований. Настоящая работа посвящена решению важной научно-прикладной проблемы - расширению информационных возможностей метода НР и, в частности, повышению эффективности уникальной исследовательской установки - Иркутского радара некогерентного рассеяния. Исходя из современных требований к инструментам подобного типа, с целью обеспечения комплексных исследований солнечно-земных связей, плазменных и аэрономических процессов в атмосфере Земли в диссертации определены направления глубокой модернизации основного оборудования ИРНР. Составлен проект и разработана структура нового аппаратно-программного комплекса ИРНР. Создан и внедрен цифровой, многоканальный, управляющий и приемно-регистрирующий комплекс, расширяющий диагностические возможности ИРНР.

В диссертации представлены оригинальные методы радиофизической диагностики верхней атмосферы Земли, разработанные на основе новых диагностических возможностей ИРНР. Показано, что новые методы позволяют улучшить точность измерения базовых параметров околоземной плазмы, расширить набор измеряемых параметров среды и повысить коэффициент использования уникального оборудования. В частности,

• Новый метод определения скорости дрейфа плазмы, учитывающий особенности ИРНР, позволяет в несколько раз повысить точность определения этой важной характеристики среды.

• Новый комплексный метод исследования пространственно-временной структуры и характеристик распространения ПИВ позволяет на основе совместного анализа данных ИРНР и других радиофизических средств ИСЗФ СО РАН изучать трехмерную картину волновых возмущений и измерять полный вектор скорости ПИВ.

• Новый метод автоматического выделения волновых возмущений на основе анализа высотных профилей вариаций электронной концентрации, полученных на различных установках радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН, позволяет проводить статистический анализ длинных непрерывных рядов данных, выявлять суточные, сезонные и долговременные закономерности проявления волновых возмущений в верхней атмосфере.

• Новый вид измерений - пассивные наблюдения в режиме непрерывного сканирования неба - позволяет использовать ИРНР как эффективный радиоастрономический инструмент, позволяющий исследовать динамику и степень пространственной неоднородности солнечного радиоизлучения в диапазоне длин волн около 2 м и на основе регистрации мерцаний радиосигналов от дискретных космических источников определять параметры мелкомасштабных ионосферных неоднородностей.

Результаты комплексных технических и методологических решений, изложенных в работе, обобщены в таблице 2.

Технические характеристики нового УПРК Новые возможности ИРНР Развитие радиофизических методов диагностики ВА и ОКП

Многоканальность (четыре независимых приемных канала) с одновременной регистрацией двух типов сигналов (узкополосных и широкополосных) из раздельных полурупоров антенной системы. 1. Возможность в одном такте зондирования принимать сигналы с высоким спектральным и временным разрешением. 2. Возможность проводить фазоразностные измерения. 3. Применение на ИРНР интерферометрических методов исследования неод-породностей в ВА. 1. Излучение и прием в одном такте зондирования сигналов разных типов позволяет в два раза повысить временное разрешение как при определении характеристик плазмы, извлекаемых из спектра обратного рассеяния, так и при определении параметров высотного профиля электронной концентрации. 2. Фазоразностные измерения повышают точность определения угловых координат КО более чем в 10 раз. 3. Комплексный коэффициент когерентности в шггерферометриче-ских измерениях позволяет оценивать угловые размеры ионосферных неоднородностей, отслеживать динамику их перемещения относительно фазового центра антенны ИРНР.

Широкий линейный динамический диапазон сквозного приемного гракга (-70 дБ). 1. Возможность проводить без амплитудных искажений одновременные измерения мощных сигналов от КА на фоне слабых сигналов НР. 2. Регистрация в пассивном режиме космического радиоизлучения от уровня спокойного Солнца до уровня мощных вспышек. 1. Проведение активных экспе-риме!ггов в ближнем космосе. Исследование влияния работы бортовых двигателей ТПС «Прогресс» на состояние ионосферы и радиооблик КА. 2. Исследование вариаций солнечного радиоизлучения в метровом диапазоне и получение данных о структуре и динамике явлений в солнечной короне (шумовые бури, радиовсплески II и Ш типа, корональные выбросы, корональные дыры).

Регистрация полной формы принятого сигнала в каждом такте зондирования и последующее сохранение всей первичной информации зондирования. 1. Отнесение затратных вычислительных процедур на «постпроцессорное» отложенное время. 1. Повышение эффективности зондирования за счет возможности применения современных вычислительных методов: а) для устранения помех и выделения когерентных сигналов на радиолокационной развертке; б) для согласованной обработки при использовании сложных составных последовательностей зондирующих импульсов;

2. Возможность изменения приемной ДН антенны ИРНР в процессе обработки данных в отложенном времени. 3. Возможность раздельной обработки данных, содержащих сигналы от КО и «чистых» сигналов обратного рассеяния от ионосферной плазмы. в) для внедрения корреляционной методики обработки данных НР с гибким изменением процедур определения параметров плазмы в зависимости от текущих ионосферных условий. 2. Изменение формы приемной ЦН антенны позволяет исследовать ракурсные зависимости мощности сигналов рассеяния от ионосферных неоднородностей. 3. Раздельная обработка данных позволяет регистрировать поток, определять координатные и некоординатные характеристики КО во время проведения ионосферных наблюдений.

Автоматическое программное управление ДН антенны с изменением направления зондирования от такта к такту. Возможность быстрого сканирования пространства в секторе обзора ИРНР. 1. Исследование пространственных градиентов ионосферных параметров. 2. Автоматическое сопровождение КО в секторе обзора ИРНР.

Автоматическая система формирования зондирующих сигналов с произвольным видом модуляции. Возможность автоматического или задаваемого оператором выбора типа сигналов, оптимального для задач и условий зондирования. 1. Повышение точности определения координатных и некоординатных характеристик КО. 2. Повышение пространственного и временного разрешения при определении параметров ионосферной плазмы.

Полная сквозная когерентность приемопередающего тракта. Стабильность начальной фазы излучения и всех гетеродинов приемного тракта во всем диапазоне частот и для всех типов сигналов. 1. Возможность эффективного устранения с радиолокационной развертки сигналов от местных предметов. 2. Повышение эффективности когерентного накопления сигналов от малоразмерных КО. 3. Исследование комплексного коэффициента когерентности сигналов обратного рассеяния при интерференционных ионосферных измерениях.

Распределенный вычислительный комплекс. Трансляция данных зондирования во внутреннюю сеть ИРНР с распределением информационного потока по независимым вычислительным средствам. Параллельная обработка данных зондирования различного типа в реальном времени и получение предварительной информации • высотном профиле электронной концентрации; • высотном профиле температур ионов и электронов;

• лучевой скорости дрейфа плазмы • потоке и характеристиках движения КО в секторе обзора ИРНР.

Система удаленного доступа ИРНР. Возможность контроля текущего состояния систем и режимов работы радара, дистанционное управление основными системами ИРНР. Повышение эффективности работы ИРНР за счет возможности быстрого изменения режимов работы в соответствии с текущими задачами и состоянием среды.

В результате настоящей работы решена важная научная проблема в области экспериментальной радиофизики - расширение диагностических возможностей уникальной научной установки - Иркутского радара HP - с целью получения новых физических характеристик верхней атмосферы Земли и преобразование ИРНР в современный многофункциональный исследовательский инструмент, способный решать широкий спектр фундаментальных и прикладных задач исследования околоземного космического пространства.

Список публикаций

Статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов:

1. Incoherent scatter radar directional pattern using radioastronomical observation / A.V. Medvedev, A.V. Zavorin, V.P. Lebedev, B.I. Lubyshev, M.V. Yakimov, V.E. Nosov // Proceedings of SPIE. — 2001. — Vol. 4678. — P. 586—591.

2. Иркутский радар некогерентного рассеяния / Г.А. Жеребцов, A.B. Заворин, A.B. Медведев, В.Е. Носов, А.П. Потехин, Б.Г. Шпынев // Радиотехника и электроника. — 2002.— Т. 47, №11.— С. 1339—1345.

3. Сравнение параметров F-слоя ионосферы, измеренных на дигизонде DPS-4, ЛЧМ-ионозонде и радаре некогерентного рассеяния в Иркутске во время магнитной бури 29-31.10 2003 г. / К.Г. Ратовский, В.П. Грозов, А.Г. Ким, A.B. Медведев, А.П. Потехин, Б.Г. Шпынев // Геомагнетизм и аэрономия.^ 2005. — Т. 45, № 1.— С. 135—140.

4. Особенности спорадических образований в E-области ионосферы во время сильных геомагнитных возмущений 29-31 октября 2003 г. по данным радиофизического комплекса инструментов ИСЗФ СО РАН / A.B. Медведев, В.П. Грозов, К.Г. Ратовский, Б.Г. Шпынев, О.И. Бернгардт, А.Г. Ким, H.A. Золотухина, А.В.Заворин, В.И. Куркин, А.П. Потехин // Геомагнетизм и аэрономия. — 2005. — Т 45, № 5. — С. \—6.

5. Сравнение вариаций электронной концентрации, измеренных на инструментах радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН в условиях различной геомагнитной возмущённое™ / К.Г. Ратовский, Б.Г. Шпынев, А.Г. Ким, А В. Медведев, А.П. Потехин, П.В. Петько, Д.С. Кушнарев // Геомагнетизм и аэрономия. — 2007. — Т. 47, № 3. — С. 373—378.

6. Одновременные наблюдения усиления атмосферной эмиссии 557,7 нм [Ol] и образования спорадических слоев в периоды температурных воз-

мущений в страто-мезосфере / А.В. Михалев, К.Г. Ратовский, А.В. Медведев, М.А. Черниговская, И.В. Медведева // Оптика атмосферы и океана. —2007.

— Т.20,№ 12. —С. 1071—1076.

7. Развитие диагностических возможностей Иркутского радара некогерентного рассеяния / А.П. Потехин, А.В. Медведев, А.В. Заворин, Д.С. Куш-нарев, В.П. Лебедев, Б.Г. Шпынев // Космические исследования. — 2008. — Т. 46, № 4. — С. 356—362.

8. Case studies of height structure of TID propagation characteristics using cross-correlation analysis of incoherent scatter radar and DPS-4 ionosonde data / K.G. Ratovsky, A.V. Medvedev, M.V. Tolstikov, D.S. Kushnarev // Adv. Space Res. —2008.—Vol.41. —P. 1454—1458.

9. Метод исследования пространственно-временной структуры волновых возмущений в ионосфере / А.В. Медведев, К.Г. Ратовский, М.В. Толсти-ков, Д.С. Кушнарев // Геомагнетизм и аэрономия. — 2009. — Т. 49, № 6. — С. 812—823.

10. Alsatkin, S.S. Analyzing the characteristics of phase-shift keyed signals applied to the measurement of an electron concentration profile using the radio-physical model of the ionosphere / S.S. Alsatkin, A.V. Medvedev, D.S. Kushnarev // Geomagnetism and Aeronomy. — 2009. — Vol. 49, N 7. — P. 200—205.

11. Recording and control digital systems of the Irkutsk Incoherent Scatter Radar / A.P. Potekhin, A.V. Medvedev, A.V. Zavorin, D.S. Kushnarev, V.P. Le-bcdev, V.V. Lcpetaev, B.G. Shpynev // Geomagnetism and Aeronomy. — 2009.

— Vol. 49, N7,—P. 1011—1021.

12. Response of the midlatitude ionosphere to extreme geomagnetic storms of the 23rd solar cycle / A.P. Potekhin, G.A. Zherebtsov, V.I. Kurkin, A.V. Medvedev, K.G. Ratovsky, B.G. Shpynev // Geomagnetism and Aeronomy. — 2009. — Vol. 49, N 8. — P. 1218—1222.

13. Ratovsky, K.G. Diurnal and seasonal variations of F2 layer characteristics over Irkutsk during the decrease in solar activity in 2003-2006. Observations and IRI-2001 model predictions / K.G. Ratovsky, A.V. Oinats, A.V. Medvedev // Adva. Space Res. — 2009. — Vol. 43, N 11. — P. 1806—1811.

14. Shcherbakov, A.A. Correlation method for determining the ionospheric plasma drift velocity at the Irkutsk scatter radar / A.A. Shcherbakov, A.V. Medvedev, D.S. Kushnarev // Geomagnetism and Aeronomy. — 2009. — Vol. 49, N 7.

— P. 206—211.

15. An analysis of the topside ionosphere parameters based on the long-duration Irkutsk incoherent scatter radar measurements / K.G. Ratovsky, B.G. Shpynev, A.V. Oinats, A.V. Medvedev // Advances in Space Research. — 2010.

— Vol. 46, N 8. — P. 984—989.

16. Исследование динамических процессов в ионосфере в период низкой солнечной активности по данным радиофизического комплекса ИСЗФ СО РАН / А.В. Медведев, Г.А. Жеребцов, В.И. Куркин, А.П. Потехин, К.Г. Ратовский, С.С. Алсаткин, М.В. Толстиков, А.А. Щербаков // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. — 2011. — Т. 8, №4, —С. 117—126.

17. Медведев, А.В. Прогноз космической погоды / А.В. Медведев // Наука из первых рук. Новосибирск, ИНФОЛИО.— 2011, № 3. — С. 22—35.

18. Литовкин Г.И., Куркин В.И., Медведев А.В, Орлов А.И, Подлес-ный А.В. Способ обеспечения электромагнитной совместимости однопози-ционного ионозонда. Патент РФ RU 2411540 С2, опубликован 10.02.2011.

19. Perspectives of usage of Irkutsk incoherent scatter radar (HSR) as an imaging riometer and radio-heliograph / R.V. Vasilyev, D.S. Kushnarev, V.P. Lebe-dev, A.V. Medvedev, N.I. Nevidimov, K.G. Ratovsky // J. Atm. Solar-Terr. Phys. — 2013, —Vol. 105/106,—P. 273—280.

20. Первые результаты радионаблюдений солнца и мощных дискретных источников на Иркутском радаре HP / Р.В. Васильев, Д.С. Кушнарев, Л.К. Кашапова, В.П. Лебедев, А.В. Медведев, Н.И. Невидимое, К.Г. Ратовский // Астрономический журнал. — 2013. — Т 90, № 11. — С. 948—958.

21. Studying of the spatial-temporal structure of wavelike ionospheric disturbances on the base of Irkutsk incoherent scatter radar and Digisonde data / A V Medvedev K.G. Ratovsky, M.V. Tolstikov, S.S. Alsatkin, A.A. Scherba-kov // J. Atm. Solar-Terr. Phys. — 2013. — Vol. 105/106. — P. 350—357.

Статьи в других изданиях

22. Лебедев, В.П. Первые результаты эксперимента по радиолокации Луны на Иркутском радаре HP / В.П. Лебедев, А.В. Медведев // Байкальская молодежая научная школа по фундаментальной физике (БШФФ-2002). Труды V сессии молодых ученых «Гелио-и геофизические исследования». Иркутск. — 2002. — С. 50—52.

23. Исследование динамических процессов в атмосфере Азиатского региона России / А.П. Потехин, В.И. Куркин, А.В. Медведев, А.В. Михалев // Сб. докладов ХХШ Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн». 23-26 мая 2011 г., Йошкар-Ола, МарГТУ. — 2011. —Т. 1, —С. 55—61.

24. Лебедев, В.П. Результаты наблюдения космического мусора на Иркутском радаре некогерентного рассеяния в 2007-2010 гг. / В.П. Лебедев, А.В. Медведев, В.В. Хахинов // Солнечно-земная физика. — 2012а. — Вып. 20. — С. 97—102.

25. Лебедев, В.П. Использование интерференционного метода исследования HP-сигнала на Иркутском радаре некогерентного рассеивания: теория и практика / В.П. Лебедев, А.В. Медведев, М.В. Толстиков // Труды П Всероссийской научной конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды». — 20126. — Т 2. — С. 28—36.

Отпечатано в издательском отделе ИСЗФ СО РАН Заказ № 152 от 3 марта 2014 г. Объем 36 с. Тираж 180 экз.