Восточно-Сибирский центр исследования
ионосферы Земли (ЦКП ВСЦИИЗ)

Состав
Задачи
Возможности и образцы
Заявка на выполнение работы
В начало

Подразделение диагностики ионосферы методом некогерентного рассеяния

Специфика измерений параметров ионосферы на Иркутском радаре НР

Несмотря на хорошие потенциальные возможности, ряд особенностей конструкции РЛС "Днепр" не позволил применить на ней непосредственно те методы измерений, которые обычно используются на специализированных радарах НР. Одна из особенностей -- это конструкция антенной системы РЛС, которая возбуждает (и, соответственно, принимает) линейно поляризованное поле. В ионосферной плазме вследствие эффекта Фарадея происходит вращение вектора поляризации, которое приводит к периодическим замираниям сигнала на входе приемного устройства. На специализированных радарах НР для учета этого эффекта обычно измеряют две ортогональные поляризации, либо излучают и принимают радиоволны с круговой поляризацией. Поэтому для измерения сигналов НР на данном радаре потребовалось разработать специальные методы регистрации и обработки сигналов НР, учитывающие его особенности.

Для решения этой задачи на основе статистической теории рассеяния электромагнитных волн на слабых флуктуациях диэлектрической проницаемости плазмы было получено уравнение радиолокации метода НР, учитывающее эффект Фарадея. Это позволяет применять метод НР на радарах, оснащенных антенной с линейной поляризацией. Для спектральной плотности сигналов НР уравнение имеет вид:

   (1)

где ,
P  -- импульсная мощность излучения,
G  -- коэффициент усиления антенны,
k ₀  -- волновой вектор,
 -- частота,
c  -- скорость света, 
 -- радиус вектор,
,
 -- угол поворота плоскости поляризации волны,
 --спектральная плотность флуктуаций электронной концентрации плазмы, на которых происходит рассеяние,
W  -- функция неопределенности, имеющая вид:

(2)

 -- комплексная огибающая излученного импульса,
 -- стробирующая функция (окно) спектральной обработки,
 -- задержка данного окна от начала зондирующего импульса.

Уравнение радиолокации для мощности сигнала НР с заданной дальности получается интегрированием по частоте. При интегрировании учитывается, что сечение рассеяния единицы объема плазмы представляется в виде

            (3)

где r _e  -- классический радиус электрона, и то, что в этих измерениях является  -- функцией. При этом для мощности сигнала НР имеем

       (4)

где

Искомые параметры ионосферной плазмы N _e , T _e , T _i и V _d , определяющие плотность флуктуаций , можно найти из выражения (1). При измерении необходимо, чтобы спектр зондирующего импульса был значительно уже спектра . Так как ширина спектра при длине волны составляет ~4-6кГц, то выбирается длительность импульса ~1милисекунда.

Величина в (1) экспериментально определяется из дополнительных измерений мощности на основе решения уравнения (4) относительно . В этих измерениях используется более короткий импульс для обеспечения необходимого пространственного разрешения. После решения уравнения (4) (т.е. обращения свертки с зондирующим импульсом) уравнение (1) принимает вид

(5)

где отношение коэффициентов усиления двух каналов измерений.

Так как для получения необходимого частотного разрешения в (1) необходим длинный импульс, а для получения необходимого пространственного разрешения в (4) при измерении мощности нужны более короткие импульсы, то в эксперименте требуется проводить два типа измерений длинным и коротким импульсами. Поскольку параметры ионосферы меняются достаточно быстро, то два данных типа измерений проводятся одновременно. При практической реализации мы проводим измерения спектров мощности импульсом ~750мкс, а для измерения мощности используем короткий импульс 70-200мкс, длительность которого изменяется в эксперименте в зависимости от ионосферных условий. Чем выше электронная концентрация, тем короче длительность импульса.

Следующие рисунки иллюстрируют экспериментальные данные, обычно измеряемые на радаре ИСЗФ, вариации профиля мощности соответствуют поляризационным замираниям сигнала, огибающая пропорциональна концентрации электронов плазмы. Второй рисунок -- распределение спектральной плотности сигналов НР, высотные вариации также обусловлены поляризационными замираниями.

Уравнения (4-5) являются основой методов вторичной обработки данных, применяющихся для получения ионосферных параметров.

С одной стороны, наличие одной линейной поляризации вызывает усложнение алгоритмов анализа сигналов НР по формулам (1-4), с другой стороны, детерминированный характер вращения плоскости поляризации позволяет проводить абсолютную калибровку измерений электронной концентрации, что на других радарах требует привлечение данных ионозондов. Электронная концентрация в данном случае определяется, исходя из решения уравнения (4), которое дает однозначное соотношение между фазой поляризации и концентрацией электронов.

В регулярных экспериментах обычно проводится статистическое усреднение измеряемых спектров мощности на интервале 40 сек и профилей мощности на интервале 2 минуты.