Иркутский радар Некогерентного Рассеяния

Технические характеристики
Антенная система
Приемные устройства
Проект модернизации

Радар некогерентного рассеяния в Иркутске является одним из девяти действующих в мире радаров, позволяющих исследовать ионосферу методом некогерентного рассеяния. Географическое положение радаров отражено на карте радаров НР. Первоначально в 60-х годах при финансировании США была создана американская широтная цепь из четырех радаров Сондерсром (Гренландия), Миллстон-Хилл (США), Аресибо(Пуэрто-Рико) и Джикамарка (Перу). Целью этой цепи было изучение широтного распределения параметров ионосферы. Позднее, во время активного изучения полярной ионосферы, была построена трехпозиционная установка в Скандинавии, финансируемая Европейским союзом. В 90-х годах им также был построен радар Свалбард на Шпицбергене. В бывшем СССР в 70-х годах был построен единственный специализированный радар НР в Харькове. В 80-х годах построен радар в Киото (Япония), который больше используется как МСТ радиолокатор.

В 1993 году институту солнечно-земной физики ИСЗФ СО РАН была передана по конверсии радиолокационная станция "Днепр", расположенная в 120 км к северо-западу от Иркутска. На базе данной РЛС был создан радар НР, предназначенный для проведения ионосферных исследований. Возможность использовать РЛС "Днепр" для измерений методом НР определяется ее основными характеристиками:

Рабочие частоты	154 - 162 МГц
Импульсная мощность	2.5 - 3.2 МВт
Длительность импульсов	70 - 820 мкс
Частота повторения импульсов	24.4 Гц
Коэффициент усиления антенны	38 дБ
Шумовая температура системы после модернизации	440 о K
Антенна	секториальный рупор
Система облучения	две волноводно-щелевые атенны
Размер основного лепестка диаграммы направленности	0.5 0 (С-Ю), 10 0 (В-З)
Сектор сканирования за счет изменения частоты зондирования	(С-Ю)

Антенная система

Чтобы получить представление о том, что представляет собой антенная система РЛС "Днепр", рассмотрим несколько видов радара, приведенных на фотографиях Общий вид и Вид сбоку . Антенна представляет собой сдвоенный секториальный рупор. Размеры антенны составляют 24 4 м в длину, 12 м в ширину и 20 м в высоту. Площадь раскрыва составляет около 3000 м ² . Очевидно, что построить такое сооружение силами института при имеющихся сегодня ресурсах было бы практически невозможно.

Рассмотрим немного подробнее конструкцию и принцип действия радара. Антенная система радара (Рисунок 1) представляет собой пару параллельных волноводно-щелевых антенн (ВЩА) 4, ограниченных в поперечнике секториальным рупором 1 с перегородкой 2. Обе ВЩА могут быть запитаны с двух концов возбуждающими рупорами 3. Вследствие специального расположения щелей и замедляющей структуры 5, можно изменять диаграмму направленности (ДН) антенны от зенита на 30 градусов в обоих направлениях вдоль ВЩА (Рисунок 2), меняя несущую частоту от 154 МГц до 162 МГц.

Рис.1 Структура Антенной системы

Рис.2 Диаграмма направленности Радара

Ширина луча антенны составляет 0.5 градуса в продольном направлении. Когда обе ВЩА сфазированны, ширина луча в поперечном направлении составляет 10 градусов, когда разность фаз составляет p , формируется два луча шириной 20 градусов, разнесенных на 20 градусов. Ось антенны повернута на 7 градусов от меридиана (Рисунок 2), и вся система наклонена на 10 градусов к западу. Такая антенная система может излучать и принимать только одну линейную поляризацию сигнала. Дополнительно к этому, в антенне установлен поляризационный фильтр, состоящий из металлических полос 6, что предотвращает проникновение сигнала из ортогональной поляризации.

Каждая из двух волноводно-щелевых антенн радара может возбуждаться с двух сторон, поэтому в системе предусмотрена возможность работы четырьмя передатчиками , каждый из которых имеет пиковую мощность 1.1-1.4 МВт. Кроме того, с каждой стороны установлен дополнительный "резервный" передатчик, который может включаться вместо любого из основных. Таким образом, Зал Передатчиков объединяет 6 комплектов однотипных передающих устройств. Модуляторы и зарядные линии расположены на нижнем технологическом этаже под передатчиками. Рабочий цикл модуляторов длится около 40 мкс, что определяет частоту повторения импульсов 24.4 Гц. Максимальная длительность импульса передатчика составляет 960 мкс.

Для предотвращения возгорания антенной структуры работа передатчиков с противоположных сторон разнесена во времени, поэтому в цикле работы выделяется два интервала излучения по ~1мс, в каждом из которых формируются лучи диаграммы, направленные к северу или к югу от нормали. Диаграмма направленности наклонена в сторону, противоположную от запитываемого конца антенны.

Существует возможность одновременно запитать две ВЩА с разных сторон. Если на одной из ВЩА использовать рабочую частоту ниже частоты нормали154 МГЦ на некоторую частоту df (то есть наклонить ДН этого луча к запитывающему концу), а на другой ВЩА использовать частоту 154 МГц + df, тогда в пространстве будет одновременно сформировано два луча, с разностной частотой 2*df, которая может быть выбрана равной плазменной частоте на некоторой высоте в ионосфере. Предполагается, что в результате взаимодействия этих двух волн будут возбуждаться резонансные колебания плазмы, что приведет к созданию в ионосфере искусственных неоднородностей. Методическая проработка такого эксперимента проводится в настоящее время.

Приемные устройства

В связи со спецификой работы НР радаров, штатный приемный тракт РЛС "Днепр" не удовлетворял нас по своим техническим характеристикам. Во время модернизации в 1998 году он практически полностью был заменен специальным оборудованием. Установлены чувствительные предварительные усилители, для гетеродинирования сигнала были установлены магистральные КВ радиоприемники Р-160П. Однако это не позволило полностью решить задачу проведения измерений, поскольку характеристики данных приемников позволяли проводить измерения только кислородной линии спектра НР.

Однако повышение уровня солнечной активности в 1999-2000 годах поставило необходимость измерения водородной линии спектра НР и перехода на измерения корреляционной функции сигнала НР при работе сложными импульсами. Одновременно данные задачи заставили существенно модернизировать регистрирующие устройства и программы первичной и вторичной обработки. Развитие средств коммуникации также наложило свои требования на состав и свойства комплекса регистрации и обработки данных, что нашло отражение в новом проекте модернизации, который реализуется в настоящее время.

Проект Модернизации

Проект включает в себя:

• Модернизацию приемного тракта, с целью и проведения корреляционных измерений сложным импульсом и регистрации водородной линии спектра НР.
• Разработку системы формирования сложных зондирующих импульсов.
• Разработку системы контроля и управления мощностью передатчиков и контроля фазы зондирущих сигналов.
• Разработку современного регистрирующего комплекса на основе быстродействующих аналогово-цифровых преобразователей и сигнальных процессоров ADSP.
• Подключение локальной сети радара к Internet, и организация оперативной передачи информации.
• Разработку программ обработки результатов эксперимента в реальном масштабе времени с оперативной передачей результатов в базу данных.