Тонкая структура отражений от спорадического слоя Е

Юсупов, Камиль Маратович

Тонкая структура отражений от спорадического слоя Е тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Юсупов, Камиль Маратович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Тонкая структура отражений от спорадического слоя Е»

Автореферат диссертации на тему "Тонкая структура отражений от спорадического слоя Е"

На правах рукописи

ЮСУПОВ КАМИЛЬ МАРАТОВИЧ

ТОНКАЯ СТРУКТУРА ОТРАЖЕНИЙ ОТ СПОРАДИЧЕСКОГО СЛОЯ Ж

Специальность 01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

9 ИЮН 2011

Казань-2011

4849659

Диссертационная работа выполнена на кафедре радиоастрономии в Институте физики Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет».

Научный руководитель: зав. каф. радиоастрономии,

кандидат физико-математических наук Казанский федеральный университет Акчурин Ад ель Джавидович.

Официальные оппоненты: зав. каф. радиофизики,

доктор физико-математических наук, Казанский федеральный университет профессор Шерстюков Олег Николаевич.

зав. каф. высшей математики, доктор физико-математических наук, Марийский государственный технический университет

профессор Иванов Дмитрий Владимирович.

Ведущая организация: ФГНУ Научно-исследовательский

радиофизический институт г.Нижний Новгород

Защита диссертации состоится 23 июня 2011г. в 16 ч. 00 мин в ауд. 210 Института физики на заседании Диссертационного совета Д212.081.18 в ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».

Автореферат разослан 20 мая 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного

совета д.ф.-м.н, профессор ^ А.В. Карпов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

В настоящий момент для исследования отражающих свойств и причин происхождения слоя Еб применяются различные методы: вертикальное, ЛЧМ-, наклонное и возвратно-наклонное зондирования, некогерентное рассеяние, СРБ-мониторинг, ракетные и др. Эти методы являются основными источниками информации о структуре и динамике слоя Еб. Детальное знание свойств слоя Еб имеет большое практическое значение, т.к. слой Еб воздействует на распространение радиоволн вплоть до гигагерцового диапазона. Если в КВ диапазоне вариации электронной концентрации Ев-слоя приводят к разрыву связи, то в гигагерцовом - к изменению фазы радиосигналов. Поэтому необходимо прогнозировать и учитывать влияние слоя Еэ на условия распространения радиоволн в заданных интервалах времени при известном техническом оборудовании.

Согласно [1-3] слой Ее - это локальное и случайное плазменное образование, появляющееся в интервале высот 90-150 км. Параметры слоя Еб трудно прогнозировать в связи со случайностью появления слоя Еэ и отсутствием длительных наблюдений параметров слоя с помощью ракетной техники, а также с многообразием физических явлений, оказывающих воздействие на образование и существование слоя Еб.

Наибольшее количество информации о спорадическом слое Е накоплено с помощью ионозондов, при этом важнейшей задачей исследований является получение профиля электронной концентрации. Известные в настоящее время теоретические и эмпирические модели ионосферы достаточно хорошо описывают спокойную ионосферу, ее зависимость от магнитной возмущенности солнечной активности, а также средние долготные, широтные, суточные и сезонные изменения. Эти модели имеют большую практическую ценность, например, для выбора оптимальных условий радиосвязи, оценки ситуации в приземной плазме, расчета конкретных радиотрасс и т.д. К сожалению, даваемое моделями значение электронной концентрации может отличаться от реальной ионосферной обстановки на десятки (в среднем на 30) процентов.

Существует несколько путей совершенствования моделей, но требование повышения точности сведений об электронной концентрации влечет за собой необходимость учета как можно большего числа факторов, оказывающих влияние. Так, информативность классических ионозондов можно повысить за счет исследования взаимодействия различных магнитоионных компонент [4-7].

Взаимодействие магнитоионных компонент при отражениях от слоев Б и Еб должно носить различный характер. В связи с тонкостью Ее слоев, разность высот отражения между магнитоионными модами (компонентами)

сравнима не только с длительностью импульсов, но и с длинами волн. Такая близость точек отражения позволяет исследовать явление интерференции магнитоионных компонент.

Согласно современным воззрениям, взаимодействие магнитоионных мод может носить не только интерференционный характер, но и возможность перехода одной компоненты в другую. Для исследования таких тонких эффектов необходимо применять как учащенный режим зондирования, так и методики определения высоты отражения с максимально возможной точностью.

Между тем в литературе отсутствует сколько-нибудь систематическое исследование интерференционных биений магнитоионных компонент сигналов, отраженных от слоя Es.

Решению этих вопросов и посвящена настоящая работа.

Целью диссертационной работы является: исследование свойств сигналов, отраженных от слоя Es при вертикальном зондировании ионосферы в учащенном режиме зондирования.

Исходя из указанной цели, поставлены следующие задачи:

1. Спроектировать, изготовить и протестировать новую систему управления ионозонда «Циклон» на шине PCI с GPS-синхронизацией по времени (необходимой для наклонного зондирования), позволяющую реализовать зондирование в учащенном режиме (1 мин) и применять алгоритм повышения точности определения действующей высоты методом максимального правдоподобия в спектральной области (ММП) [8,9].

2. Для детального изучения вариаций действующей высоты отражения следов Es оценить точность определения действующей высоты методом ММП на тестовых ионограммах (с искусственными следами) и на полученных при вертикальном зондировании ионограммах, содержащих следы Es с многократными отражениями.

3. Выполнить исследование параметров слоя Es, характеризующих его структуру и отражающие свойства, методом вертикального зондирования в учащенном режиме.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые на продолжительном интервале времени при вертикальном зондировании (со скоростью регистрации 1 ионограмма в минуту) детально исследованы экспериментальным путем зависимости амплитудно-частотных характеристик слоя Es.

2. Впервые исследованы квазипериодические биения амплитудно-частотных характеристик слоя Es.

3. Впервые определены вероятности появления слоев Es в зависимости от структуры отражения.

4. Впервые установлено, что на частотах выше критической частоты слоя Е на величину гирочастоты электронов (/н) квазипериодические биения следов Es возникают из-за интерференции о- и х-мод.

5. Впервые показано, что параметры интерференционной картины следов Es могут быть использованы в определении величины фоновой концентрации ниже максимума Е-слоя.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Разработана новая система управления ионозонда «Циклон» с GPS-синхронизацией по времени (необходимой для наклонного зондирования) на основе современной элементной базе (ГШ СБИС), подключаемая к шине PCI с возможностью реализации алгоритма повышения определения действующей высоты методом максимального правдоподобия в спектральной области (ММП).

2. Разработаны новые формы представления долговременных последовательностей учащенно снятых ионограмм, позволяющих не только показывать вариации действующих высот отражения, критических и предельных частот, но и исследовать тонкую структуру отражений слоев ионосферы.

3. Составлен банк ионограмм с 1 минутной периодичностью регистрации за годовой период измерений.

4. Предложена методика, использующая тонкую структуру и модельные представления об ионосфере, в определении некоторых ионосферных параметров непосредственно нерегистрируемых на обычных ионозондах.

Реализация результатов работы:

Разработанная система управления ионозондом внедрена в Институт

земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.

Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН), имеются

соответствующие документы о внедрении.

На защиту выносятся:

1. Частотные и высотные вариации параметров квазипериодических биений амплитудно-частотной характеристик слоя Es.

2. Вероятностные параметры появления слоев Es в зависимости от его структуры отражения.

3. Объяснение основной причины появления наблюдаемых квазипериодических биений амплитудно-частотных характеристик слоя Es в диапазоне частот выше критической частоты слоя Е на величину гирочастоты электронов.

4. Формы представления долговременных последовательностей ионограмм, позволяющие не только показывать вариации действующих высот

отражения, критических и предельных частот, но и исследовать тонкую структуру отражений от слоев ионосферы.

5. Методика определения критической частоты слоя Е (/оЕ) по начальной границе диапазона биений следов Es в случае расположения /оЕ ниже начального частотного порога регистрации ионозонда.

6. Методика определения электронного содержания (ЕС) ниже максимума слоя Е, используя параметры интерференционной картины следов Es.

Достоверность результатов обусловлена большим объемом проведенных исследований за 2010 г., статистической надежностью измерений, совпадением результатов измерений и обработанных данных с модельными представлениями и с выводами других авторов.

Апробация работы и публикации:

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на международной конференции IRI/COST Workshop в г. Прага (Чехия, 2007 г.), на Второй Волжской региональной молодежной научной конференции "Радиофизические исследования природных сред и информационные системы" в г. Зеленодольске (2010 г.), на V международной молодежной научной конференции "Тинчуринские чтения" в г. Казани (КГЭУ, 2010 г.), на юбилейной конференции Физического факультета КФУ (2011 г.), на ежегодных итоговых конференциях КФУ (КГУ) 2005-2010.

По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них 2 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень научных изданий ВАК, рекомендованных для публикации основных результатов диссертации.

Результаты работы реализованы при поддержке грантов; РФФИ 06-0565150 (2006-2008 г.), ДЗН 09-9 (2009 г), ДЗН 1-27 (2010 г), П11-23 1.23.11(2011 г).

Личный вклад автора:

Автор спроектировал и изготовил схемы, дополнительную плату системы управления ионозонда "Циклон", создал формы представления долговременного потока учащенно снятых ионограмм, осуществлял обработку, анализ, интерпретацию и моделирование результатов измерений параметров слоя Es. Автором сформулированы научные выводы и положения, которые выносятся на защиту.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 140 страниц основного текста, 41 рисунок, 5 таблиц и список литературы из 112 наименований.

Во введении обосновывается актуальность работы, отмечается ее научная новизна, практическая ценность, цель и задачи flHccqnaipffi.

В первой главе диссертации приводится обзор исследований параметров слоя Ея, которые влияют на свойства отраженных радиосигналов методом вертикального 'зондирования.

Показывается, что для исследования слоя Еб применяются методы: вертикальное, ЛЧМ-, наклонное, возвратно-наклонное зондирования, некогерентное рассеяние, СРВ-мониторинг и ракетные измерения. Наиболее подробно рассмотрен метод вертикального зондирования, т.к. с этим методом связана тема исследования.

Описаны существующие методы определения действующей высоты отражения слоев ионосферы, позволяющие повысить точность (относительно типовой 2,5-5 км).

Спорадический слой Е - это слой ионосферы, обычно располагаемый в высотном диапазоне 85-150 км. Такие слои являются тонкими слоями с повышенной электронной концентрацией и имеют толщину от нескольких сотси метров до 6 км (и более), а их горизонтальная протяженность может превышать сотни километров. Вариации действующих высот слоя Ее (Ь'Ея) изучаются на основе данных вертикального зондирования. Из-за группового запаздывания действующие высоты могут отличаться от истинных, тем не менее, этот метод широко используется для исследоваш и суточных и сезонных изменений высот слоя Еб.

Основное внимание уделено результатам изучения отражающих свойств слоя Еб с помощью ионозондов. Главной особенностью слоев Ее является полупрозрачность, поэтому рассматриваются результаты экспериментальных исследований этого явления. На основе этих экспериментов выделено три основных механизма, в результате которых слой Ее мог стать полупрозрачным. Первый механизм - это облачная модель, которая связывает частоту экранирования (/ЬЕв) и предельную частоту (/оЕб) с плазменными частотами фоновой ионизации и уплотнений электронной плотности, второй - с рассеянием на неоднородностях, встроенных в слой, третий - с отражениями от крутого градиента электронной концентрации тонкого горизонтально однородного слоя Ее с взаимодействием мод [10-12].

Рассмотрены эксперименты, в которых исследованы амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) Еб-слсдов в диапазоне полупрозрачности. Так, в ряде случаев наблюдались квазипериодические биения АЧХ, объясняемые третьим механизмом с помощью взаимодействия двух обыкновенных волн. Показаны основные свойства АЧХ следов Ее с биениями, а также оценки величины градиента электронной концентрации в диапазоне биений слоя Ее.

Описаны результаты, полученные с помощью современных методов цифровой обработки сигналов, позволяющих в автоматическом режиме не только интерпретировать одиночные ионограммы, но и способствующих развитию новых форм представления долговременного потока учащенно снятых

ионограмм. Показано, что использование современных форм представления большого потока ионограмм повышает информативность ионозондов в ряде исследований высотных вариаций, вероятностей появления и структуры отражений от слоя Es, а также способствует простой состыковке результатов вертикального зондирования с другими методами.

Ставятся задачи по дальнейшему исследованию структуры отражений и вариаций АЧХ слоя Es на средних широтах, требующих проведения модернизации системы управления ионозонда "Циклон", а также по разработке новых форм представления долговременных потоков данных вертикального зондирования.

Во второй главе диссертации описывается экспериментальная аппаратура по исследованию слоя Es методом вертикального зондирования.

Показано, что для более детальных изучений структурных особенностей слоя Es необходима регистрация его параметров с повышенной точностью определения действующей высоты в учащенном режиме зондирования через ~1 мин. Для этого необходима модернизация предшествующей системы управления ионозонда "Циклон". До модернизации управление периферийными устройствами ионозонда осуществлялось посредством ЭВМ и системы управления, связанных между собой по шине ISA (Industry Standard Architecture). Недостатком данной системы управления является использование морально устаревшей шины ISA. Кроме того, блок управления требует наличия трех слотов ISA, что в современных компьютерах большая редкость. При этом некоторые платы системы управления были выполнены навесным монтажом. К тому же, предшествующая система управления не имела общего тактового генератора, что приводило к нежелательному фазовому дрейфу при измерениях. В данной системе отсутствует также привязка к шкале времени, что не позволяет производить наклонное зондирование ионосферы.

Описана новая система управления ионозонда "Циклон" [13] с синхронизацией от GPS-часов (необходимой для реализации наклонного зондирования), позволяющая организовать алгоритм определения действующий высоты с повышенной точностью. Новая система управления разработана на основе заводского отладочного комплекта, содержащего программируемую логическую интегральную микросхему большой емкости (ГШ СБИС), позолоченного краевого ламелыюш разъема PCI (Peripheral Component Interconnect) и 44 свободных контактов (сгруппированные в разъемы, называемые Santa Cruz Connectors) для подключения внешних устройств. Эти контакты использованы для подключения дополнительной платы, спроектированной для стыковки отладочного комплекта с исполнительными устройствами ионозонда и содержащей конверторы уровней, цифровые ключи, микросхемы распределения сетки тактовых частот и прямого цифрового синтеза частот (ПЦСЧ, DDS), а также усилители фильтры.

В феврале 2010 г. новая система управления ионозондом вступила в работу с ежедневной регистрацией ионограмм с 1 мин периодичностью.

В третьей главе диссертации предложена новая форма представления долговременных последовательностей ионограмм, показывающая высотные вариации слоев ионосферы с помощью Н-карты в координатах высота-время-амплитуда. Н-карта формируется последовательным приложением высотных ЗЭ-гистограмм (сумма амплитуд ионограммы вдоль оси частот) друг к другу для всех ионограмм целого дня измерений. Такие карты позволяют определить существование кратных отражений, скорости приливов, одновременное существование двух Ев-слоев и множество других явлений ионосферы.

Проведение исследования тонкой структуры отражения слоя Ее требует изучения высотных вариаций следов с повышенной точностью, но для этого необходимо оценить точность определения действующей высоты по отраженным сигналам, записанным с помощью новой системы управления ионозонда «Циклон». Показаны результаты оценки точности определеши действующей высоты по тестовым ионограммам с искусственными следами.

Проверка заключалась в получении тестовых ионограмм с помощью аппаратных средств новой системы управления, при этом в ходе эксперимента создавались два вида тестовых ионограмм. Первая разновидность ионограмм (с горизонтальным искусственным следом) составлялась из радиоимпульсов с различными частотами заполнения, но с одинаковыми временами задержек и длительностями импульсов. Вторая разновидность (с наклонным искусственным следом) отличалась от первой тем, что каждый последующий импульс был сдвинут относительно предыдущего на 0,1 км [13]. Таким образом, общий рост высоты для одной тестовой ионограммы с наклонным следом составил 40 км. Для определения действующей высоты отражения таких ионограмм, применялась методика ММП [8,9], описанная в первой главе.

Результаты оценки точности для различных длительностей импульсов и вариантов подключения АЦП приведены в таблицах. Точность для некоторых тестовых сигналов с длительностью импульсов 70 мке при большом соотношении сигнал/шум равна значению -72 м. Среднее значение точности для всех тестовых ионограмм (при различных отношениях сигнал/шум и с различных длительностях импульсов) составило -0,197 км (при типовой точности ионозонда —2,5 км).

Описаны результаты оценки точности определения действующей высоты отражений от слоя Ее при наличии многократных отражений. Чтобы выполнить такую оценку, необходимо выбрать такие ионограммы, на которых зарегистрированы следы Ее и 2Еб без рассеяния. Первый этап проверки заключался в определении действующей высоты Ь'Еб для следа Еб и ЮЕб для следа 2Ея методом ММП. На следующем этапе находилась разность между этими действующими высотами Д11=11'2Е5/2-Ь'Е$. В качестве показателя точности был

выбран интерквартильный диапазон распределения значений АЬ, который составил величину -300 м. Эта точность (для следов Ее) получилась ниже аппаратной точности (для тестовых ионограмм), что связано с изменением действующей высоты отражения от слоя Ее с ростом частоты зондирования и с влиянием фоновой концентрации Е-области.

В четвертой главе исследуется отражающая способность слоя Еб при вертикальном зондировании, при этом часто наблюдаются квазипериодические биения АЧХ слоя Ев. Пример одной из таких ионограмм приведен на рис. 1 а. Ниже ионограммы на рис. 1 а приведены АЧХ слоев Е и Ее двумя способами представления. Первый традиционный 2Э-график АЧХ слоев Е и Ее (рис. 1 в) удобен для исследования АЧХ одного следа. Второй способ - представление АЧХ слоев Е и Ее в виде ЗО-карты (с фиктивной вертикальной координатой), где амплитуды отражений изображены на основе цветовой шкалы (рис. 1 б).

юподгат 20-Мау-2010 1807:00

частота, МГц

Рис. 1. Пример ионограммы и АЧХ, показывающих квазипериодические вариации амплитуд следа Ев в диапазоне частот -3,7-5,7 МГц. (а) - монограмма, (б) - АЧХ слоев Е и Ез на основе цветовой шкалы амплитуд, (в) традиционные АЧХ слоев Е и Ее.

Предложена новая форма представления данных (с помощью А-карты, образованной из АЧХ следов Е и Еэ таких как на рис. 1 б, пример приведен на рис. 2), позволяющая определить как критические частоты слоев ионосферы, так продолжительность устойчивой картины биений и зависимость от времени суток частотного диапазона биений. С помощью А-карты также не сложно определить как полную вероятность появления отражений от слоя Еб (РЕб), так и вероятность в зависимости от структурных особенностей отражений [14].

Проведен анализ статистики появления слоя Ее в зависимости от структуры отражения. В июне 2010 г. при -82% среднемесячной полной вероятности появления отражений от слоя Ее наибольшая условная вероятность с величиной 73% наблюдается у слоя Ее со свойствами рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. Вероятность появления слоя Ее без биений составила 15%, а с биениями - 12% [14].

Установлено, что продолжительность устойчивой картины биений от слоя Es варьируется от ~10 мин до ~5 ч в летние месяцы, для слоев Es типов /,' I и h биения возникают только тогда, когда наблюдаемая частотная протяженность следа Es больше половины гирочастоты электронов. Для слоя Es типа с частотная протяженность должна быть больше гирочастоты электронов (из-за наличия рожка на следе) [14].

Показано, что расположение частотного диапазона биений зависит от наличия фоновой концентрации слоя Е. Конечная граница диапазона биений примерно равна предельной частоте слоя Es (/maxbEs~/óEs). Независимо от величины yminbEs для слоев типов /,' с, /, и h в диапазоне биений АЧХ наблюдается увеличение частотного расстояния между последовательными минимумами с ростом частоты зондирования. Уменьшение частотного расстояния между последовательными минимумами АЧХ слоя Es наблюдается редко и, в основном, в ночное время. Если такие следы слоя Es наблюдаются, то они содержат два участка диапазона биений: в первом (низкочастотная часть следа Es) частотное расстояние между последовательными минимумами увеличивается, во втором (высокочастотная часть следа Es) это расстояние уменьшается [14].

Частотное расстояние между последовательными минимумами АЧХ слоя Es является показателем разницы действующих высот отражения между о- и х-модами с чувствительностью -200 м. На частотах появления интерференционных биений частотное расстояние между последовательными минимумами соответствует 30-45 кГц, с увеличением частоты зондирования это расстояние увеличивается до 150-700 кГц. Частотному расстоянию между последовательными минимумами в 30 кГц (700 кГц) соответствует разница между действующими высотами о и х- мод в 5 км (0,21 км). Частотная протяженность диапазона биений варьируется от 0,5 МГц до 2,5 МГц.

Проведено детальное изучение высотного расположения Es слоев во время существования интерференционных биений. К отраженным импульсам применена методика оценки действующей высоты методом ММП [8,9]. Для анализа были выбраны ионограммы, содержащие как рожки х-следов Es типа с, так и биения на следе. Такой выбор позволяет, с одной стороны, воспользоваться методикой ММП отдельно для о- и х-следов, пока они не сольются, а с другой, по высотным вариациям в зоне наложения следов попытаться определить причину возникновения биений. Показано, что биения на следах Es начинают появляться, когда разность действующих высот отражения между о- и х-следами ЛЬ достигает ~5 км, и возникают из-за интерференции о- и х-мод.

Используя расстояния между минимумами интерференционной картины Д(/), определены разности между действующими высотами отражения о- и х-мод от слоя Es: 8h = d (2ДГ) [5]. Отличия между разностями

высот отражений ДЬ и 8Ь, оцененных различными методами, укладываются в интервал ± 300 м.

Определена аппроксимирующая зависимость расстояния между последовательными интерференционными минимумами от частоты зондирования Д(/). Приведены примеры ионограмм с квазипериодическими биениями слоя Ее и с такой же частотной сеткой график зависимости разности частот между последовательными минимумами АЧХ от частоты зондирования. Для 50 ионограмм, зарегистрированных в дневные часы в различные времена года, найдены коэффициенты аппроксимации зависимости вида &(/)=а0+а^+а2/~. Близкие значения коэффициентов аппроксимации говорят о существовании единого механизма, отвечающего за образование биений при различных ^штЬЕв и /тахЬЕя. Значение общей ошибки параболической аппроксимации составило величину -3% от минимального расстояния между минимумами. Для описания зависимости расстояний между последовательными минимумами от частоты зондирования достаточна параболическая аппроксимация.

Отмечается, что схожая интерференционная картина для сигналов, отраженных от слоя Б (поляризационный фединг) была исследована ранее [4-7]. Отличительной характерной чертой биений на следах П при вертикальном зондировании является наличие двух участков с разными свойствами АЧХ следов Е2, симметричных относительно точки нулевых биений /*(/*- частота зондирования, на которой разность действующих высот о- и х-мод стремится к нулю) [5,6]. На первом участке частотное расстояние между последовательными минимумами увеличивается, на втором - это расстояние уменьшается. Приведены примеры и основные свойства таких АЧХ с биениями слоя Б.

Д ля проверки полученных нами экспериментальных результатов произведены модельные вычисления групповой задержки о- и х-мод слоя Еб в зависимости от электронной концентрации Е-слоя (на основе профилей ПИ) с учетом магнитного поля Земли. По модельным ионограммам вычислены вариации начальной границы биений и точки нулевых биений следов Ее. Показано, что начальная граница диапазона биений находится выше на величину гирочасготы электронов (/¡¡) относительно критической частоты слоя Е, как и на экспериментальных ионограммах. Для демонстрации такого поведения вариаций частотных параметров /оЕ и /тшЬЕя на рис. 2 приведен пример А-карты для 20 мая 2010 г. (содержащий отражения только от слоев Е и Ее). На рис. 2 отражены: вариации /оЕ (кривая - 1), /ттЬЕз (кривая - 2) и /оЕ+/(1 (кривая - 3, удаленная относительно ^оЕ на величину /н). Видно, что во время появления биений на следах Ее величина /гтипЬЕя примерно совпадает со значением/оЕ+/н.

Рис. 2. Пример А-карты (суточных вариации АЧХ слоев Е и Еэ) в координатах частота-время-амплитуда 20 мая 2010г.

Следовательно, по начальной границе диапазона биений на следах Ее можно оценить критическую частоту слоя Е, расположенной в частотном диапазоне ниже частотного порога ионозонда.

Выполнена аппроксимация профиля электронной концентрации ниже максимума слоя Е на основе модели Ж1-90. Показано, что параметры интерференционной картины следов Ее можно использовать для уточнения параметров профиля электронной концентрации ниже максимума Е-слоя.

Таким образом, тонкая структура отражений от слоя Ее исследована экспериментальным путем методом вертикального зондирования с 1 минутной периодичностью регистрации ионограмм. Приведенные факты о высотных и частотных вариациях квазипериодических биений АЧХ следов Ея позволили заключить, что наблюдаемые биения на частотах выше /оЕ+/и, главным образом, происходят из-за интерференции о- и х-мод от тонкого слоя Ее.

В заключении сформулированы основные выводы, полученные в данной диссертационной работе:

1. Спроектирована и изготовлена новая система управления ионозонда "Циклон" с синхронизацией от СРБ-часов (необходимой для реализации наклонного зондирования), позволяющая организовать измерения в учащенном режиме, и применять алгоритм определен™ действующей высоты с повышенной точностью. Новая система управления спроектирована и изготовлена на современной элементной базе.

2. Проведена оценка точности определения действующей высоты отражения новой системы управления па тестовых ионограммах с искусственными следами и на ионограммах, содержащих следы многократных отражений от Ев-слоя. Результаты определения точности на искусственных ионограммах

^ ___ __

с длительностью импульсов 70 мкс при большом отношении сигнал/шум составили 70-80 м, а на реальных ионограммах со следами слоя Es -300 м (при типовой точности 2,5 км).

3. Проведен продолжительный эксперимент по исследованию отражающих свойств слоя Es с 1 мин периодичностью регистрации ионограмм в течении 2010 г. При обработке данных были:

а) разработаны новые формы представления долговременных последовательностей ионограмм, позволяющие не только наглядно показывать вариации действующих высот отражения, критических (предельных) частот, но исследовать тонкую структуру отражений слоев ионосферы;

б) найдены квазипериодические биения на АЧХ следов Es и исследованы их свойства. Установленные факты о высотных и частотных вариациях диапазона биений следов Es позволили заключить, что квазипериодическис биения сигналов, отраженных от слоя Es, происходят из-за интерференции мапштоионных компонент (о- и х-мод), и мы имеем дело с поляризационным интерферометром с чувствительностью -200 м. На частотах появления интерференционных биений частотное расстояние между последовательными минимумами соответствует 30-45 кГц, с увеличением частоты зондирования это расстояние увеличивается до 150700 кГц. Частотному расстоянию между последовательными минимумами в 700 кГц соответствует разница между действующими высотами о- и х-мод в 0,21 км. Частотная протяженность диапазона биений варьируется от 0,5 МГц до 2,5 МГц;

в) определены вероятности появления слоя Es в зависимости от структуры отражения. В июне 2010 г. при -82% среднемесячной полной вероятности появления отражений от слоя Es, наибольшая условная вероятность, с величиной 73%, наблюдается у слоя Es со свойствами рассеяния на мелкомасштабных пеоднородностях. Вероятность появления слоя Es без биений составила 15%, а с биениями - 12%;

г) выявлена зависимость частотного расстояния между последовательными минимумами АЧХ от частоты зондирования;

д) выполнены модельные расчеты групповых задержек о- и х-мод слоя Es с учетом магнитного поля Земли в зависимости от электронной концентрации E-слоя (на основе профилей IRI), показавшие, что по начальной границе диапазона биений следов Es можно оценить критическую частоту слоя Е. Параметры интерференционной картины следов Es можно использовать в оценке параметров профиля электронной концентрации Е-слоя.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Акчурин А.Д., Юсупов КМ. Система управления ионозонда «Циклон».// Научно-технические ведомости СПбПТУ. Серия "информатика, телекоммуникации, управление". - 2010. -Вып.5 - С.49-56.

2. Акчурин А.Д., Юсупов К.М. Частотные свойства биений на АЧХ среднеширотного слоя Es. // Учен. зап. Казан, ун-та. - 2011. - Т. 153. - кн. 1. -С.7-16.

Публикации в других научных изданиях:

1. Акчурин АД, Юсупов КМ. PCI-блок управления ионозонда "Циклон". Аппаратная часть. // Прием и обработка информации в сложных информационных системах. - 2010. - Вып.23. - С.81-90.

2. Акчурин А.Д., Латьшов Р.Р., Юсупов КМ. PCI-блок управления ионозонда «Циклон». Конфигурирование ПЛИС. // Прием и обработка информации в сложных информационных системах. - 2010. - Вып.23. - С.91 -99.

3. Акчурин АД, Юсупов КМ. Генераторы гармонических сигналов на интегратьных микросхемах прямого цифрового синтеза частот. // Доклады 2529 октября 2010г. Всероссийской научно-практической конференции -Высокочастотная связь, электромагнитная совместимость, обнаружение и плавка гололеда на линиях электропередачи (Казанский Государственный Энергетический Университет). Изд-во КГЭУ. -2010. - С.146-153.

4. Акчурин А.Д, Юсупов КМ. PCI-блок управления ионозонда "Циклон". // Сборник докладов второй Волжской региональной молодежной научной конференции 11-12 декабря 2009г. - "Радиофизические исследования природных сред и информационные системы" (Казань-Зеленодольск). Сборник докладов. Изд-во КГУ. - 2010. - С. 128-131.

5. Акчурин А.Д, Юсупов КМ. PCI-блок управления ионозонда "Циклон". // Материалы докладов 28-29 апреля 2010г. V международной молодежной научной конференции — "Тинчуринские чтения" (Казанский Государственный Энергетический Университет). Изд-во КГЭУ. -2010.-С.120-121.

6. Akchurin AD., Bochkarev V.V., Yusupov KM. Short-period variations of virtual heights of the middle ionosphere by vertical sounding with enhanced precisioa // Abstracts. IRI'COST 296 Workshop «Ionosphere «Modelling, Forcing, Telecommunications», Prague. Czech Republic. 10-14 July 2007. -P.32

Список используемой литературы:

1. Чавдаров С.С., Часовитин Ю.К., Чернышева СЛ., Шефтель В.М. Среднеширотный спорадический слой Е ионосферы. - М.: Наука, 1975. -120с.

2. Whitehead J.D. Recent work on mid-latitude and equatorial sporadic-E, // J. Atm. Terr. Phys. -1989.-V.51.-P.401-424.

3. Шерспоков O.H. Отражающая способность среднеширотного спорадического слоя Е. Дисс.... кавд. физ.-мат. наук. - Казань, 1989. - 200с.

4. Апьперт Я.Л. Распространение элегаромагнитных волн. - М.: Наука, 1972. -564с.

5. Дробжев В.И., Куделин Г.М., Нургожин В.И., Пеленицин Г.М., Рудина М.П., Троицкий Б.В., Яковец А.Ф. Волновые возмущения в ионосфере. - Алма-Ата: Наука, 1975,-178с.

6. Афраймович ЭЛ. Интерференционные методы радиозондирования ионосферы.-М.: Наука, 1982,- 198с.

7. Троицкий Б.В. Отклик сигнала радиозондирования на ионосферные неоднородности. - Алма-Ата: Наука, 1983. -164с.

8. Акчурин А.Д, Бочкарев BJB. Повышение высотного разрешения импульсного ионозонда при зондировании когерентными импульсными сигналами. // Уч. зап. КГУ, -2008.-Т.150.-Кн.З.—С.5-12.

9. Akchmn A.D., Bochkarev V.V. Improved precision of virtual height measurements with coherent radio pulse sounding based on the maximum likelihood method. // Adv. Space Res. -2009.—Y.43. - P.1595-1602.

10. Chessell С. I., Thomas J. A, Bourne I. A. Experimental observations of the amplitudes of Es and F-region reflections and their comparison with the thin-layer model forEs. //J. Atmos. Terr. Phys. -1973. - V.35. -P.545-561.

11. Miller K. L., Smith L,G. Incoherent scatter radar observations of irregular structure in mid-latitude sporadic E layers. // J. Geophys. Res. -1978. - V.83. - P.3761-3775.

12. Turunen Т., Nygren Т., Jalonen L. Observations of the reflection coefficient of the sporadic E-layer at high latitudes. // J. Atmos. Terr. Phys. - 1980. - V.42. - P.147-154.

13. Акчурин АД., Юсупов KM. Система управления ионозонда «Циклон», // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия "Информатика. Телекоммуникации. Управление". -2010. -Вьш.5(108). -С.49-56.

14. Акчурин А.Д., Юсупов КМ. Частотные свойства биений на АЧХ среднеширотного слоя Es. // Учен. Зап. Казан, ун-та. - 2011. - Т. 153. - кн. 1. -С.7-16.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства Казанского университета Тираж 100 экз. Заказ 86/5

420008, ул. Профессора Нужина, 1/37 тел.: (843)233-73-59, 292-65-60

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Юсупов, Камиль Маратович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПОРАДИЧЕСКОГО СЛОЯ Е.

ВВЕДЕНИЕ.

1.1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ.

Вертикальное зондирование ионосферы.

ЛЧМ-зондирование.

Наклонное импульсное зондирование.

Возвратно-наклонное зондирование.

Радары некогерентного рассеяния.

СРВ-мониторинг.

Ракетные методы исследования.

1.2. Структурные особенности слоя Еб.

1.3. Совершенствование методик обработки данных вертикального зондирования и форм представления результатов.

НТ1-карта.

ШТ-карта.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АППАРАТУРА.

ВВЕДЕНИЕ.

2.1. МОДЕРНИЗАЦИЯ ИОНОСФЕРНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА "ЦИКЛОН".

2.2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ИОНОЗОНДА.

2.3. ЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В ПЛ СБИС.

2.4. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПЛАТА.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ВЫСОТЫ ОТРАЖЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

3.1. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ НА ТЕСТОВЫХ МОНОГРАММАХ.

3.2. ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ ВЫСОТЫ ОТРАЖЕНИЯ НА СЛОЕ Es.

3.2.1. Вариации действующей высоты отражения слоев ионосферы.

3.2.2. Оценка точности определения действующей высоты отражения при многократных отражениях от слоя Es.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИЕ БИЕНИЯ АЧХ СЛОЯ Es.

ВВЕДЕНИЕ.

4.1. ДАННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБРАБОТКА.

4.2. ВАРИАЦИИ ЧАСТОТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СЛОЯ Es.

4.2.1. 3D представление последовательности АЧХ.

4.3. ВЕРОЯТНОСТЬ ПОЯВЛЕНИЯ ОТРАЖЕНИЙ ОТ СЛОЯ Es.

4.4. ГРАНИЦЫ ДИАПАЗОНА БИЕНИЙ НА СЛЕДАХ Es.

4.5. ДЕЙСТВУЮЩАЯ ВЫСОТА ОТРАЖЕНИЯ.

4.6. КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИЕ БИЕНИЯ НА СЛЕДАХ СЛОЯТ.

4.7. АППРОКСИМАЦИЯ ЗАВИСИМОСТИ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМИ МИНИМУМАМИ ОТ ЧАСТОТЫ ЗОНДИРОВАНИЯ АЧХ СЛОЯ Es.

4.8. ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ ОТСУТСТВИЯ СВЕДЕНИЙ О ДАННЫХ БИЕНИЯХ НА СЛЕДАХ Es.Ill

4.9. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОТНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

4.10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОФИЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ НИЖЕ МАКСИМУМА Е СЛОЯ.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ.

Введение диссертация по физике, на тему "Тонкая структура отражений от спорадического слоя Е"

Актуальность темы исследования

В настоящий момент для исследования отражающих свойств и причин происхождения слоя Еб применяются различные методы: вертикальное, ЛЧМ-, наклонное и возвратно-наклонное зондирования, некогерентное рассеяние, ОР8-мониторинг, ракетные и др. Эти методы являются основными источниками информации о структуре и динамике слоя Еб. Детальное знание свойств слоя Еб имеет большое практическое значение, т.к. слой Еб воздействует на распространение радиоволн вплоть до гигагерцового диапазона. Если в КВ диапазоне вариации электронной концентрации Еб-слоя приводят к разрыву связи, то в гигагерцовом - к изменению фазы радиосигналов. Поэтому необходимо прогнозировать и учитывать влияние слоя Еб на условия распространения радиоволн в заданных интервалах времени при известном техническом оборудовании.

Согласно [1-3] слой Еб - это локальное и случайное плазменное образование, появляющееся в интервале высот 90-150 км. Параметры слоя Еб трудно прогнозировать в связи со случайностью появления слоя Еб и отсутствием длительных наблюдений параметров слоя с помощью ракетной техники, а также с многообразием физических явлений, оказывающих воздействие на образование и существование слоя Еб.

Взаимодействие магнитоионных компонент при отражениях от слоев F и Es должно носить различный характер. В связи с тонкостью Es слоев, разность высот отражения между магнитоионными модами (компонентами) сравнима не только с длительностью импульсов, но и с длинами волн. Такая близость точек отражения позволяет исследовать явление интерференции магнитоионных компонент.

Согласно современным воззрениям, взаимодействие магнитоионных мод может носить не только интерференционный характер, но и возможность перехода одной компоненты в другую. Для исследования таких-тонких эффектов необходимо применять как учащенный режим зондирования, так и методики определения высоты отражения с максимально возможной точностью.

Решению этих вопросов и посвящена настоящая работа.

Исходя из указанной цели, поставлены следующие задачи: 1. Спроектировать, изготовить и протестировать новую систему управления ионозондом на шине PCI с GPS-синхронизацией по времени (необходимой для наклонного зондирования), позволяющую реализовать зондирование в учащенном режиме (1 мин) и применять алгоритм повышения точности определения действующей высоты методом максимального правдоподобия в спектральной области (ММП) [8,9].

2. Для детального изучения вариаций действующей высоты отражения следов; Еб оценить точность определения действующей высоты методом ММП на тестовых ионограммах (с искусственными следами) и на полученных при вертикальном зондировании ионограммах, содержащих следы Еб с многократными отражениями.

3. Выполнить исследование параметров; слоя Еэ, характеризующих его структуру и отражающие свойства^, методом вертикального зондирования в учащенном режиме;

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые на продолжительном интервале времени, при вертикальном зондировании (со скоростью регистрации; 1 ионограмма- в минуту) детально исследованы экспериментальным путем зависимости амплитудно-частотных характеристик слоя Еб.

2. Впервые исследованы квазипериодические биения амплитудно-частотных характеристик слояЕб.

3. Впервые определены вероятности появления слоев Еб в зависимости от структуры отражения.

4. Впервые установлено, что на частотах выше критической частоты слоя Е на величину гирочастоты электронов- (/н) квазипериодические; биения* следов Еб возникают из-за интерференции о-и х-мод.

5. Впервые показано, что параметры интерференционной картины: следов Еб могут быть использованы в определении величины фоновой концентрации ниже максимума Е-слоя.

Практическая ценность работы состоит в том* что:

1. Разработана новая система управления ионозонда «Циклон» с ОР8-синхронизацией по времени (необходимой для наклонного зондирования) на основе современной элементной базе (ГШ СБИС), подключаемая к шине РСТ с возможностью реализации алгоритма повышения определения действующей высоты методом максимального правдоподобия в спектральной области (ММП).

3. Составлен банк ионограмм с 1 минутной периодичностью регистрации за годовой период измерений.

Реализация'результатов работы:

Разработанная система управления ионозондом внедрена в Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.

Пушкова Российской академии наук (ИЗМИРАН), имеются соответствующие документы о внедрении.

На защиту выносятся:

1. Частотные и высотные вариации параметров квазипериодических биений амплитудно-частотной характеристик слоя Еэ.

2. Вероятностные параметры появления слоев Еэ в зависимости от его структуры отражения.

3. Объяснение основной причины появления наблюдаемых квазипериодических биений амплитудно-частотных характеристик слоя Еэ в диапазоне частот выше критической частоты слоя Е на величину гирочастоты электронов.

4. Формы представления долговременных последовательностей ионограмм, позволяющие не только показывать вариации действующих высот отражения, критических и предельных частот, но и исследовать тонкую структуру отражений от слоев ионосферы.

5. Методика определения критической частоты слоя Е (/оЕ) по начальной границе диапазона биений следов Es в случае расположения foЕ ниже начального частотного порога регистрации ионозонда.

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на международной конференции IRI/COST Workshop в г. Прага (Чехия, 2007 г.), на Второй Волжской региональной молодежной^ научной конференции "Радиофизические исследования природных сред и j информационные системы" в г. Зеленодольске (2010 г.), на V международной молодежной научной конференции "Тинчуринские чтения" в г. Казани (КГЭУ,

2010 г.), на юбилейной конференции Физического факультета КФУ (2011 г.), на i ежегодных итоговых конференциях КФУ (КГУ) 2005-2010.

Результаты работы реализованы при поддержке грантов: РФФИ 06-0565150 (2006-2008 г.), ДЗН 09-9 (2009 г), ДЗН 10-27 (2010 г), ДЗН П11-23 (2011 г).

Личный вклад автора:

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

На панели в правом верхнем углу приведены зависимости АЬЬеа1 (на основе интерференционной картины следа Еб ионограммы) и ЛЬщ^о (на основе расчетов группового пути, используя профиль 1Ме(11)ьеаО от частоты зондирования в диапазоне биений. Среднеквадратичное отклонение их разности (ЛЬъеаг-ДЬщ1-9о) составило -170 м, что является показателем достаточно высокой точности оптимизации параметров профиля- электронной концентрации по интерференционной картине следов Еб. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

В с период февраль 2010 г. - февраль 2011 г. под Казанью проводилось зондирование ионосферы в учащенном режиме. Зарегистрировано и обработано около 300 000 ионограмм. Обнаружены квазипериодические биения АЧХ слоя Еб.

Проведен анализ статистики появления слоя Еб в зависимости от структуры отражения. В июне 2010 г. при -82% среднемесячной полной вероятности появления отражений от слоя Еб, наибольшая условная вероятность, с величиной 73%, наблюдается у слоя Еб со свойствами рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. Условные вероятности появления слоя Еб без биений составили 15%, а с биениями -12%.

Новая форма представления данных (А-карта) позволяет определять как критические частоты слоев ионосферы, так и продолжительность устойчивой картины биений и зависимость от времени суток частотного диапазона биений:

1) продолжительность устойчивой картины биений от слоя Еб варьируется'от —10 мин до -5 ч в летние месяцы;

2) установлено, что для слоев Еб типов I и к биения возникают только тогда, когда наблюдаемая частотная протяженность следа Еб больше половины гирочастоты электронов. Для слоя Еб типа с частотная протяженность должна быть больше гирочастоты электронов (из-за наличия рожка на следе);

3) расположение частотного диапазона биений в дневные часы отличается от ночных часов и зависит от наличия фоновой концентрации слоя Е;

4) конечная граница диапазона биений примерно равна предельной частоте слоя Еб СЬшхЬЕб^/оЕб);

5) независимо от величины/гшпЬЕб для слоев типовс, /, и к в диапазоне биений АЧХ слоя Еб наблюдается увеличение частотного расстояния между последовательными минимумами с ростом частоты зондирования. Уменьшение частотного расстояния между последовательными минимумами АЧХ слоя Еб с биениями наблюдается редко, и обычно такие следы имеют два диапазона биений. В первом частотное расстояние между последовательными минимумами увеличивается. Во втором это расстояние уменьшается, второй диапазон расположен в высокочастотной части следа Еб, преимущественно такие следы наблюдаются в ночные часы;

6) на частотах появления интерференционных биений частотное расстояние между последовательными минимумами соответствует 30-45 кГц, с

12Ь увеличением частоты зондирования это расстояние увеличивается до 150700 кГц. Частотному расстоянию между последовательными минимумами в 30 кГц (700 кГц) соответствует разница между действующими высотами о и х-мод в 5 км (0,21 км);

7) частотная протяженность диапазона биений варьируется от 0,5 МГц до 2,5 МГц;

8) выполнены модельные вычисления групповой задержки о- и х-мод слоя Еб с учетом магнитного поля Земли в зависимости от электронной концентрации Е-слоя (на основе профилей ЖГ), и они показали схожую зависимость разности действующих высот отражения о- и х-мод слоя Еб с экспериментально наблюдаемыми результатами;

9) на основе аппроксимации параметров интерференционной картины следов Еб показано, что в дневные часы электронное содержание (ЕС) при-различных значенияхуЬЕ ниже максимума слоя Е почти не изменяется;

10) предложена методика оценки параметров модельного профиля электронной концентрации ниже максимума Е-слоя на основе подгонки'рассчитанных по этому профилю разностей времен групповых задержек обыкновенной и необыкновенной мод, отраженных от слоя Еб, к разностям задержек, полученным из интерференционной картины.

Таким образом, тонкая структура коэффициента отражения слоя Еб исследована экспериментальным путем методом вертикального зондирования с 1 минутной периодичностью регистрации ионограмм. Установленные факты о высотных и частотных вариациях квазипериодических биений АЧХ следов Еб позволили заключить, что наблюдаемые биения происходят из-за интерференции о-и х-мод от тонкого слоя Еб. Эти биения позволяют определить разницу действующих высот отражения между о- и х-модами. Начальная граница диапазона биений и точка нулевых биений следов Еб являются одними из немногочисленных источников информации о величине остаточной ионизации нижней части Е-области.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спроектирована и изготовлена новая система управления ионозонда "Циклон" с синхронизацией от СР8-часов (необходимой для реализации наклонного зондирования), позволяющая организовать измерения, в учащенном режиме, и применять алгоритм определения действующей высоты с повышенной . точностью. Новая система управления спроектирована и изготовлена на современной элементной базе. Проведена оценка^ точности определения-действующей высоты- отражения новой системы управления на тестовых ионограммах с искусственными ■ следами; и на ионограммах, содержащих следы многократных отражений от Еб-слоя. Результаты определения точности на искусственных ионограммах с длительностью импульсов 70 мкс при большом отношении сигнал/шум составили 70-80 м, а на реальных ионограммах со следами слоя Еб ~300 м (при типовой точности 2,5 км).

Проведен продолжительный- эксперимент по исследованию отражающих свойств слоя Еб-с 1 мин периодичностью регистрации ионограмм в.течении 2010 г. При.обработке данных,были: а) разработаны новые формы. представления долговременных последовательностей ионограмм, позволяющие не только наглядно показывать: вариации; действующих высот отражения, критических (предельных) частот, но исследовать тонкую структуру отражений слоев ионосферы;: б) найдены квазипериодические биения на АЧХ следов Ея и исследованы их свойства; Установленные факты о высотных и частотных вариациях диапазона биений следов Еб позволили заключить, что квазипериодические биения сигналов, отраженных от слоя Еб, происходят из-за интерференции магнитоионных компонент (о- и хмод), и мы имеем дело с поляризационным, интерферометром с чувствительностью ~200 м. На частотах появления интерференционных биений частотное расстояние между последовательными; минимумами

128 соответствует 30-45 кГц, с увеличением частоты зондирования это расстояние увеличивается до 150-700 кГц. Частотному расстоянию между последовательными минимумами в 700 кГц соответствует разница между действующими высотами о- и х-мод в 0,21 км. Частотная протяженность диапазона биений варьируется от 0,5 МГц до 2,5 МГц; определены вероятности появления слоя Еб в зависимости от структуры отражения. В июне 2010 г. при -82% среднемесячной полной вероятности появления отражений от слоя Еб, наибольшая условная вероятность, с величиной 73%, наблюдается у слоя Еб со свойствами рассеяния на мелкомасштабных неоднородностях. Вероятность появления слоя Еб без биений составила 15%, а с биениями - 12%; выявлена зависимость частотного расстояния между последовательными минимумами АЧХ от частоты зондирования; выполнены модельные расчеты групповых задержек о- и х-мод слоя Еб с учетом магнитного поля Земли в зависимости от электронной концентрации Е-слоя (на основе профилей ГО1), показавшие, что по начальной границе диапазона биений следов Еб можно оценить критическую частоту слоя Е. Параметры интерференционной картины следов Еб можно использовать в оценке параметров профиля электронной концентрации Е-слоя.

БЛАГОДАРНОСТИ

• Научному руководителю кандидату физико-математических наук Акчурину Аделю Джавидовичу за обсуждение результатов и внимание, оказанное за время научной деятельности.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Юсупов, Камиль Маратович, Казань

1. Чавдаров С.С., Часовитин Ю.К., Чернышева СЛ., Шефтель В.М. Среднеширотный спорадический слой Е ионосферы. — М. : Наука. — 1975. — 120с.

2. Whitehead J.D. Recent work on mid-latitude and equatorial sporadic-E. // J. Atrn. Terr. Phys. -1989. V.51. -P.401-424.

3. Шерсгюков O.H. Отражающая способность среднеширотного спорадического слоя Е. Дисс. канд. физ.-мат. наук.—Казань. 1989. - 200с.

4. Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн. М.: Наука, 1972. -564с.

5. Дробжев В.И., Куделин Г.М., Нургожин В.И., Пеленицин Г.М., Рудина М.П., Троицкий Б.В., Яковец А.Ф. Волновые возмущения в ионосфере. Алма-Ата: Наука. -1975. - 178с. "

6. Афраймович ЭЛ. Интерференционные методы радиозондирования ионосферы. -М.: Наука. -1982. 198с.

7. Троицкий Б.В. Отклик сигнала радиозондирования на ионосферные неоднородности.—Алма-Ата: Наука. — 1983. 164с.

8. Акчурин А.Д., Бочкарев В.В. Повышение высотного разрешения импульсного ионозонда при зондировании когерентными импульсными сигналами. // Уч. зап. КГУ, 2008. - Т. 150. - Кн.З. - С.5-12.

9. Akchurin A.D., Bochkarev V.V. Improved precision of virtual height measurements with coherent radio pulse sounding based on the maximum likelihood method. // Adv. Space Res. 2009. - V.43. - P. 1595-1602.

10. Chessell С. I., Thomas J. A., Bourne I. A. Experimental observations of the amplitudes of Es and F-region reflections and their comparison with the thin-layer model forEs. //J. Atmos. Terr. Phys. 1973. - V.35.-P.545-561.

11. Miller K. L., Smith L.G. Incoherent scatter radar observations of irregular structure in mid-latitude sporadic E layers. // J. Geophys. Res. 1978. - V.83. - P.3761-3775.

12. Turunen Т., Nygren Т., Jalonen L. Observations of the reflection coefficient of the sporadic E-layer at high latitudes. // J. Atmos. Terr. Phys. 1980. - V.42. - P. 147154.

13. Акчурин А.Д., Юсупов K.M. Система управления ионозонда «Циклон». // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия "Информатика. Телекоммуникации. Управление".—2010.—Вып.5(108). — С.49-56.

14. Акчурин А.Д., Юсупов К.М. Частотные свойства биений на АЧХ среднеширотного слоя Es. // Учен. Зап. Казан, ун-та. 2011. - Т. 153. - кн. 1. -С.7-16.

15. Breit G., Tuve М.А. A test for the existence of the conducting layer. Phys. Rev. -1926. — V.28 -P.554-575.16; Reinisch B.W. Modern Ionosondes. // Modern Ionospheric Science. -1996. -P.440-458. ;

16. Budden K.G. The propagation of radio waves, the theoiy of radio waves of low power in the ionosphere and magnetosphere: Cambridge : Cambridge University Press,-1985.-542p.

17. Davies K. Ionospheric Radio. London: Peter Peregrinus, -1990. - 580p.

18. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, -1973. - 504с.

19. Гинзбург B.JI. Распространение электромагнитных волн в плазме. — М.:Наука.-1967.-684с.

20. Stix Т.Н. The theoiy of plasma waves. New York: McGraw-Hill, - 1962.

21. Rawer K., Suchy K. Radio observations of the ionosphere. Encyclopedia of Physics edited by S. Flugge. New York: Springer Verlag, -1967. Vol.XLIX/2.

22. Piggott W.R, Rawer K. URSI Handbook of Ionogram Interpretation and Reduction. New York: Elsevier, -1972. - 325p.

23. Пиггот B.P., Равер К. Руководство URSI по интерпретации и обработке ионограмм. Перевод с англ. под ред. Медниковой Н.В. — М. : Наука, 1977. -342с.

24. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы

25. Земли. Иркутск: ГУ НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, - 2006. - 480с.132

26. Брюнелгш Н.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М. : Наука, 1988. -528с.

27. Haines D.M. A portable ionosonde using coherent spread-spectrum waveforms for remote sensing of the ionosphere. Ph.D. Thesis, University of Massachusetts, Lowell. —1994. — Эллектронный ресурс. URL: http://ulcar.uml.edu/DPS.htm.

28. Reinisch B.W., Bibl K., Kitrosser D.F., Sales G.S., Tang J.S., Zhang Z.M., Bullett T.W., Ralls J.A. The Digisonde 256 Ionospheric Sounder, World Ionosphere. Thermosphere Study, WITS Handbook, edited by C.H. Liu, -1989. V.2.

29. Huang X., Reinisch B.W. Vertical electron density profiles from digisonde ionogramms. Average representative profile. // Ann. Di Geofis, 1996. — V.39. — No.4.-P.751-756.

30. Huang X., Reinisch B.W. Vertical electron density profiles from the Digisonde network. // J. Adv. Sp. Res. 1996.- V.18.-P<121-129.

31. Федоркж M.B. Метод перевала. M.: Наука. 1977. - 368с.

32. Галкин А.И. О точности регистрации ионосферных параметров при вертикальном зондировании. // Ионосферные исслед 1968. - №16. — С.173-178.

33. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь. -1981.-416 с.

34. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям. М : Сов. радио.-1976.-392с.

35. Справочник по радиолокации. Т. 1. Основы радиолокации / Под ред. М. Сколника. М.: Сов. радио. -1976. - 456 с.

36. Reinisch B.W., Haines D.M., Kukinski W.S. The new portable digisonde for wertical and oblique sounding. AGARD-CP-502, February 1992. Эллектронный ресурс. URL: http://ulcar.uml.edu/DPS.htm.

37. Ким В.Ю., Панченко B.A., Полиматиди Д.П. Аналого-цифровая обработка когерентных импульсных сигналов при фазовом измерении групповой задержки. // Цифровые ионозонды и их применение. М.: ИЗМИР АН, -1986.-С. 52-61.

38. Huang X., Reinisch B.W. Automatic calculation of electron density profiles from digital ionograms. 1. Automatic О and X trace identification for topside ionograms. //Radio Sci.-1982.-'V.17.-No.2.-P.421-434.

39. Huang X., Reinisch B.W. Automatic calculation of electron density profiles from digital ionograms 3. Processing of bottomside ionograms. // Radio Sci. 1983. -V.18.-P.477-492.

40. Barry G.H., Fenwick RB. Extraterrestrial and ionospheric sounding with synthesized frequency sweeps. // J. Hewlett-Packard. -1965. V. 16 - P.8-12.

41. Lynn K.J.W. Oblique Sounding in Australia. Ionosonde network advisoiy group (INAG). // Ionospheric Station Information, Bulletin No.62 -P. 14-18.

42. ИвановВ.А., Малышев Ю.Б., Нога Ю.Г., Терехов С.А., Урядов В.П., Шумаев В.В. Автоматизированный JI4M комплекс для ионосферных исследований. // Радиотехника, -1991. -№4. с.69 -72.

43. Вакман Д.Е. Сложные сигналы и> принцип неопределенности в радиолокации.—М. : Сов. Радио, —1965. — 304с.

44. Виницкий А.С. Очерки основ радиолокации при непрерывном излучении ' радиоволн. М. : Сов. Радио, -1971. - 495с.

45. Михайлов СЛ. Ионозонд с линейной частотной модуляцией радиосигнала как измеритель импульсной характеристики и передаточной функции радиоканала. // Изв. вузов. Радиофизика. 2009. - Т.52. - №12. - С.933-944.

46. Таран В.И. Наблюдения ионосферы методом некогерентного рассеяния. // Ионосферные исследования. -1979 №27. - С.7-9.

47. Mathews J.D. Sporadic Е: current views and recent progress. // J. Atmos. Terr. Phys.- 1998.-V60.-P.413-435.

48. Kagan L.M., Bakhmeteva N.V., Belikovich V.V., Tolmacheva A.V., Kelley M.C. Structure and dynamics of sporadic layers of ionization in the ionospheric E region. // J. Radio Sci.-2002. V.37. -No.6. -P.l 106-1117.

49. Maruyama T., Saito S., Yamamoto M., Fukao S. Simultaneous observation ofsporadic E with a rapid-run ionosonde and VHF coherent backscatter radar. // J.

50. Ann. Geophys. 2006. -V.24. - P. 153-162.134

51. Падохин A.M. Оценка параметров атмосферы и ионосферы по данным наземного и спутникового приема сигналов высокоорбитальных навигационных систем. Дисс. канд.физ.-мат. наук: Москва. — 2008. — 113с.

52. Оуа Н. Irregular type sporadic-E observed by rocket borne gyroplasma probe at a temperate latitude. //J. Geomag. Geoelectr. 1967. -VI9. -No4. -P.267-272.

53. Smith L.G., Mechtly E.A. Rocket observation of sporadic-E layers. // Radio Sci. -1972. V.7. - P.367-376.

54. Smith, L.G. Rocket observations of sporadic E layers and related features of the E region. // Radio Sci. -1966. V.l. - PP. 178-186.

55. Часовитин Ю.К., Нестеров B.A. Динамические процессы и формирование ночной Е-области ионосферы. М. : Гидрометеоиздат. — 1975. - Вып.З. — 145с.

56. Иванов-Холодный Г.С., Лазарев В.И. Об одном из возможных механизмов образования узких спорадических слоев ионосферы. // Геомагнетизм и аэрономия. -1966. Т.6. - №2. - С.397-400.

57. Казачевская Т.В., Иванов-Холодный Г.С. Ракетные данные о поведении электронной концентрации в ионосфере на высотах 100-300 км. // Геомагнетизм и аэрономия. 1965. - Т.5. -№6: - С. 1009-1024.

58. MacDougall J.W., Jayachandran Р.Т., Plane J.M.C. Polar cap Sporadic-E: part 1, observations. // J. Atm. Solar Terr. Phys. 2000. -V.62. - P. 1155-1167.

59. Haldoupis C., Meek C., Christakis N., Pancheva D., Bourdillon A. Ionogram height-time-intensity observations of decending sporadic E layers at mid-latitudes. // J: Atmos. Solar Terr. Phys. 2006. - V.68. - P.539-557.

60. Кореньков Ю.Н. Формирование и динамика слоя металлических ионов под воздействием нестационарной зональной компоненты ветра. // Ионосферныеисследования. -1987. -№42. С.81-89.135

61. Ходжа-Ахметов 4.JT. Спорадический слой при наклонном зондировании. // Труды ААНИИ. -1972. Т.310. - С. 131-140.

62. Whitehead J. D. The formation of the sporadic-E layer in the temperate zones. // J. Atmos. Terr. Phys. -1961. V20. - P.49-58.

63. Axford W.I. The formation and vertical movement of dense ionized layers in the ionosphere due to neutral wind shears. // J. Geophys. Res. 1963. - V68. - P.769-779.

64. Гершман Б.Н. Динамика ионосферной плазмы.—М.: Наука. —1974. — 256с.

65. Гершман Б.Н., Игнатьев Ю.А., Каменецкая Г.Х.,. Механизм образования ионосферного спорадического слоя Е на различных широтах. М.: Наука. -1976.-108с.

66. Кореньков Ю.Н. Влияние движений в нейтральной атмосфере на сезонно-суточное поведение слоя Es. // Геомагнетизм и аэрономия. 1979. — Т. 19. -№1. —С.27-33.

67. Whitehead J.D. Sporadic Е A Mystery Solved? // QST, October. -1997. ^P.l-5.

68. Whitehead, J.D. Sporadic E A Mystery Solved? // QST, November. - 1997. - P. 2-7.

69. Miller K.L., Smith L.G. Horizontal structure of midlatitude sporadic E layers. // Radio Sci. -1975. V.10. -P.271-276.

70. Miller K.L., Smith L.G. Reflection of radio waves by sporadic-E layers. // J. Atmos. Terr. Phys. -1977. V.39. - P.899-911.

71. Chessel C.I. The numerical calculation of reflection and transmission coefficients for thin highly ionised layers including the effect of the Earth's magnetic field. // J. Atmos. Terr. Phys. 1971. - V.33. -P.1515-1532.

72. Chessel C.I. Results of numerical calculation of reflection and transmission coefficients for thin highly ionised* layers and their application to- sporadic-E reflections. //J. Atmos. Terr. Phys. -1971. V.33. -P.1803-1822.

73. Nygren T. A simple method for obtaining reflection and transmission coefficientsand fields for an electromagnetic wave in a horizontally stratified ionosphere. //

74. Planet. Space Sc. -1981. V.29. -No5. -P.521-528.136

75. Thomas J.A., Smith E.K. A survey of the present knowledge of sporadic-E ionization. //J. Atmos. Terr. Phys. 1959. - V.13. -P.295-314.

76. Rawer K. Structure of Es at temperate latitudes. /Ionospheric Sporadic E, A Pergamon Press book. Edited by E.K. Smith, Jr. and S. Matsushita. / New York: MacMillian Company, -1962. P.292-343.

77. Heisler L.H., Whitehead J.D. Rapid variations in the sporadic-E region. // J. Atmos. Terr. Phys. -1962. V.24. - P.753-764.

78. Reddy C.A., Mukunda Rao M. On the physical significance of the Es parameters fbEs, ffis and foEs. // J. Geophys. Res. -1968. V.73. -P.215-224.

79. Briggs B.H. An investigation of certain properties of the ionosphere by means of a rapid frequency-change experiment. // Proc. Phys. Soc. -1951. V.64. - P.255.

80. Jalonen L. Quasi-periodic frequency dependence of Es- and E-layer echo amplitudes caused by mode coupling. // J. Atmos. Teir. Phys. — 1981. — V.43. -P.1285-1288.

81. Aggarwal K.M., Nath N, Setty C.S.G.K. Collision frequency and .transport properties of electrons in the ionosphere. // Planet. Space Sc. — 1979. V.27. -P.753-768.

82. Lee C.-C., Liu J.-Y., Pan C.-J., Hsu H.-H. The intermediate1 layers and associated tidal motions observed by a digisonde in the equatorial anomaly region. // Ann. Geophis. -2003. V21. -P.847-1391.

83. Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой. СПБ. : БХВ-Петербург, -2006.-736 с.

84. Соловьев В.В. Структурные модели конечных автоматов при их реализации на ПЛИС. // Chip News. Инженерная микроэлектроника. — 2002. — № 9. — С.4— • 14.

85. Соловьев В.В. Проектирование конечных автоматов на ПЛИС со структурой двух программируемых матриц. // Chip News. Инженерная микроэлектроника. -2002. № 10. -С.20-24.

86. Соловьев В.В. Использование выходных макроячеек ПЛИС в качестве элементов памяти конечных автоматов. // Chip News. Инженерная микроэлектроника. 2003. - № 1. - С. 17-23.

87. Соловьев В.В., Климович А. Использование входных буферов ПЛИС в качестве элементов памяти конечных автоматов. // Chip News. Инженерная* микроэлектроника. — 2003. — № 21 — С.30-34.

88. Шипулин С., Губанов Д., Стешенко В., Храпов В. Тенденции развития ПЛИС и их применение для цифровой обработки сигналов. // Электронные компоненты. 1999. -№5. - С.42-45.

89. Щербаков М.А., Стешенко В.Б., Губанов-Д. А. Цифровая полиноминальная фильтрация: алгоритмы и реализация на ПЛИС. // Инженерная микроэлектроника. -1999. -№1(3). С.12—17.

90. Губанов Д.А., Стешенко В.Б., Шипулин С.Н. Современные алгоритмы ЦОС: перспективы реализации. // Электроника: наука, технология, бизнес. — 1999. — №1.-С.54—57.

91. Акчурин А.Д:, Юсупов К.М. PCI-блок управления ионозонда "Циклон". Аппаратная часть. // Прием и обработка информации в сложных информационных системах. — 2009.—Вып.23. — С.69-76.

92. Сборник докладов. Изд-во КГУ. 2010. - С. 128-131.138

93. Гук М. Интерфейсы ПК Справочник. СПБ.: ЗАО "Издательство "Питер". -1999.-416с.

94. Акчурин А.Д., Латыпов P.P., Юсупов K.M. PCI-блок управления ионозонда «Циклон». Конфигурирование ПЛИС. // Прием, и обработка информации в сложных информационных системах. — 2009. — Вып.23. — С.77-83.

95. Техническое описание микросхемы AD9851 Электронный ресурс. — URL: http://vAvw.analog.com/static/imported-fi 1 es/datasheets/AD9851 .pdf.

96. Hammer P.R., Bourne I.A. A high resolution ionosonde. // J. Atmos. Terr. Phys. -1976. V.38. - PP.935-956.

97. Зыков Е.Ю., Акчурин А.Д., Сапаев АЛ, Шерстюков О.Н. Автоматическая интерпретация ионограмм вертикального зондирования. // Уч. зап. КГУ. — 2008.—Т. 150. Кн.З. - С.36-45.

98. Smith L.G. A sequence of rocket observations of night-time sporadic-E. // J. Atrnos. Terr. Phys. -1970.-V.32.-P. 1247-1257.

99. Kantarizis E. Measurement of the thickness of the sporadic E layer. // J. Atmos. Terr. Phys. 1971. - V.33. - P. 1651-1656.

100. Damtie В., Nygren Т., Lehtinen M.S., Huuskonen A. High resolution observations of sporadic-E layers within the polar cap ionosphere using a new incoherent scatter radar experiment. // J. Ann. Geophys. 2002. - No.20. - P. 1429-1438.

101. Ландсберг Г. С. Оптика. М.:: Наука. 1976. - 927с.

102. Сивухин Л.Б. Оптика. М.:: Наука. -1980. 752с.

103. International Reference Ionosphere IRI-2007 Official site NASA.,— URL: http://ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models/irivitmo.php.

104. Opperman, BDL,. Reconstructing Ionospheric TEC over South Africa using Signals from a Regional GPS Network. PhD dissertation. Rhodes University. -2007.-159p.

105. Christakis N., Haldoupis C., Zhou Q., Meek C. Seasonal variability and descent of mid-latitude sporadic E layers at Arecibo. // Ann. Geophys. 2009. - V.27. -P.923-931.

106. Billitza D. International Reference Ionosphere: IRI-90. National Space Science Data Center, Rep. 90-22, Greenbelt, Maryland, -1990. 155p.