ЦЕНТР КОЛЛЕКТИВНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ Восточно-Сибирский центр исследования ионосферы Земли (ЦКП ВСЦИИЗ) Институт Солнечно-Земной физики СО РАН Отдел физики верхней атмосферы и распространения радиоволн

Цифровой ионозонд DPS-4

Оснащение обсерваторий Сибири новыми ионозондами

В конце 2002 г. ионосферные обсерватории ИСЗФ СО РАН (Иркутск, Норильск) и ИКФИА СО РАН (Якутск, Жиганск) за счет средств СО РАН оснащены новейшими цифровыми ионозондами DPS-4, выпускаемыми Центром атмосферных исследований Лоуэллского университета США. Подробную информацию о Центре атмосферных исследований и ионозондах системы DPS можно получить на сайте  http://ulcar.uml.edu.

В Иркутске и Норильске ионозонды были запущены в эксплуатацию в декабре 2002г. Информацию об ионограммах можно получить на сайте http://hawk.iszf.irk.ru.

Современный цифровой ионозонд DPS-4 и его возможности

Организованная в 50-х годах прошлого века мировая сеть ионозондов вертикального зондирования ионосферы, включавшая более 120 станций, в последнее десятилетие интенсивно заменяется цифровыми ионозондами различной конструкции. Портативный ионозонд DPS-4 является одним из наиболее современных и распространенных средств радиозондирования ионосферы. На рис.1 представлена география размещения более 70-ти ионозондов DPS-4, функционирующих в настоящее время.

Рис. 1. Размещение ионозондов DPS-4 в научно-исследовательских центрах мира

Состав DPS-4

DPS-4 состоит из основного блока, монитора; 2-х передающих антенн; 4-х приемных антенн с поляризационными ключами; GPS-приемника и блока батарей резервного питания. Основной блок включает в себя два компьютера, передатчик, четыре приемника, и сигнальный процессор. Внешний вид основного блока DPS-4 показан на pис.2. Основной компьютер управляет процессами приема и передачи, считывает данные из выходного буфера сигнального процессора, осуществляет преобразование данных в необходимый формат, записывает данные на жесткий диск вспомогательного компьютера. Вспомогательный компьютер осуществляет вторичную обработку данных, записывает данный на жесткий диск, на CD-диск, пересылает данные на сервер через FTP-канал.

Рис.2. Внешний вид основного блока и монитора DPS-4.

Отличительной особенностью ионозонда DPS-4 является его малая мощность, в ионозонде используются два передатчика мощностью по 150 Вт каждый. Тем не менее, за счет специальных методов обработки сигнала удается достичь достаточно высокого отношения сигнал/шум (c/ш).

Поляризационное согласование.

Поскольку волна, отраженная от ионосферы, имеет левую (обыкновенная компонента)  либо правую (необыкновенная компонента) круговую поляризацию, передающие и приемные антенны настраиваются на левую либо правую круговую поляризацию одновременно, что дает дополнительный выигрыш в 3 дБ в отношении с/ш. Настройка передающей системы осуществляется излучением с 2-х взаимно перпендикулярных антенн сигналов, сдвинутых по фазе на ± 90 ° . Приемная система DPS состоит из 4-х антенн, каждая из которых представляет собой две скрещенные ортогональные рамки размером 1.6 x 1.4 м. Настройка на круговую поляризацию осуществляется сложением сигналов с двух рамок со сдвигом фаз ± 90 ° . Кроме выигрыша в отношении с/ш поляризационное согласование позволяет разделять обыкновенную и необыкновенную компоненты, что существенно облегчает интерпретацию экспериментальных данных.

Согласованная обработка

Вместо традиционного импульса вида:

используются 2 фазоманипулированных комплиментарных кода вида:

С каждым сигналом, осуществляется согласованная обработка, после чего результаты обработки суммируются. Сумма автокорреляционных функций сигналов имеет вид треугольного  импульса:

Параметры комплиментарных кодов:

длительность одного элемента                     33.33 мкс;

количество элементов                                    16;

полная длительность сигнала                        533.33 мкс;

ширина  суммарной АКФ по уровню 0.5     33.33 мкс;

ожидаемый выигрыш в с/ш                            32 (15дБ) 

Таким образом, за счет согласованной обработки исходный код длительностью 533.33 мкс сжимается в треугольный импульс длительностью 33.33 мкс, при этом отношение с/ш возрастает в 32 раза (на 15 дб).

Когерентное накопление

Идея когерентного накопления основана на том, что в течении некоторого интервала времени фазы сигналов, отраженных от ионосферы меняются линейно по времени. В этом случае появляется возможность когерентного сложения сигналов q_n с компенсацией фазовых сдвигов, что повышает отношение с/ш пропорционально количеству суммируемых сигналов. Когерентное доплеровское интегрирование принимаемых сигналов осуществляется на основе дискретного преобразование Фурье:

.

Параметры Фурье преобразования:

число точек N                                                         8, 16, 32, 64, 128;

минимальный шаг по времени                             0.01 с;

максимальный доплеровский диапазон              ± 50 Гц;

минимальное время интегрирования                   0.08 с;

максимальный шаг по времени                             0.32 с;

максимальное время интегрирования                  40.96 с;

максимальное доплеровское разрешение            0.024 Гц;

максимальный  ожидаемый выигрыш в с/ш       128 (21дБ) 

Кроме выигрыша в отношении с/ш когерентное доплеровское интегрирование позволяет измерять доплеровский сдвиг частоты.

Поиск частот с минимальным уровнем помех

Для повышения отношения с/ш в ионозонде предусмотрен система поиска частот с минимальным уровнем помех. Перед зондированием ионозонд измеряет уровень помех, как на заказанной частоте, так и на соседних частотах с выбранным шагом. В итоге поиска для зондирования выбирается частота с минимальным уровнем помех.

Параметры поиска:

Количество шагов:   5

Шаг по частоте:       10,15, 20, 25 кГц.

Работа на частотах с минимальным уровнем помех, когерентное накопление, согласованная обработка и поляризационное согласование позволяют достичь чрезвычайно высокого соотношения с/ш при малой мощности излучения.

Разнесенный прием

Приемная система DPS состоит из 4-х антенн,  три антенны  расположены  в вершинах равностороннего треугольника со стороной 60 м, одна - в центре этого треугольника (Рис.3). Разнесенный прием позволяет измерять вертикальный θ и азимутальный ψ углы прихода отраженной от ионосферы волны:

где φ_j- разность фаз между сигналами на j-ой и центральной антеннах, λ - длина волны, R=34.64м - радиус окружности, описанной около треугольника расположения антенн.

Метод оцифровки данных

Сигнальный процессор осуществляет первичную обработку принятого сигнала на промежуточной частоте 225 кГц. Итогом оцифровки являются квадратуры сигнала  a(t_k), b(t_k), k=1..K.

Параметры оцифровки:

шаг по времени между a(t_k) и b(t_k)           1.11 мкс;

шаг между a(t_k), b(t_k)  и  a(t_k+1), b(t_k+1)      16.66 мкс,  33.33 мкс,  66.66 мкс;

в пересчете на действующую высоту       2.5 км,        5 км,          10 км;

количество точек по времени (высоте)    128,  256,  512 

Полный набор измеряемых на ионозонде параметров включает:

·    амплитуду (максимальное разрешение 3/4 дБ);

·    фазу (максимальное разрешение 2 p /256 рад);

·    задержку (максимальное разрешение 16.66 мкс);

·    доплеровский сдвиг частоты (максимальное разрешение 0.024 Гц);

·    вертикальный угол прихода;

·    азимутальный угол прихода.

Вторичная обработка состоит из согласованной обработки сигнала и когерентного доплеровского интегрирования. Итогом вторичной обработки является набор доплеровских спектров F_mjkn, где m - номер доплеровской линии, k - номер высотного отсчета, j - номер антенны, n - номер действующей высоты. В дальнейшем эта информация записывается или в виде собственно набора спектров (при измерениях скорости дрейфа ионосферной плазмы), или в виде ионограмм (при измерении профиля электронной концентрации). Основу ионограммы представляет матрица амплитуд A_nk

, где f_n - несущая частота, k - номер высотного отсчета. В дополнение к амплитудной информации записываются значения доплеровского сдвига частоты и  углов прихода.

Диагностика ионосферы состоит из восстановления профиля электронной концентрации и измерении скорости дрейфа ионосферной плазмы.

Восстановление профиля электронной концентрации осуществляется на основе обработки ионограмм. Обработка состоит из 2-х частей:

1) Выделение треков, построение высотно-частотной характеристики h'(f_n), соответствующих E, F1 и F2-слою ионосферы.

2) Восстановления профиля электронной концентрации.

В основе алгоритма восстановления лежит аппроксимация:

;   ,

где f - несущая частота,  z - высота отражения на частоте f,

f_s и f_m - начальная и максимальная частота слоя,

z_m - высота максимума электронной концентрации,

T_i^* - смещенные полиномы Чебышева i-ого порядка.

Используется модель E-F-долины, построенная на основе данных некогерентного рассеяния. При отсутствии E-трека на ионограмме используется модельный параболический E-слой (h_mE = 110 км, y_mE = 20 км, f_oE - на основе IRI). Выше высоты максимума профиль прописывается слоем Чепмена.

Измерении скорости дрейфа ионосферной плазмы  основано на измерении характеристик сигналов, отраженных от ионосферных неоднородностей. Предполагается, что неоднородности движутся как единое целое, т.е. с одинаковой скоростью и в одинаковом направлении (Рис. 4).

Регистрация доплеровских доплеровских спектров позволяет:

1) разделять сигналы, отраженные от различных неоднородностей;

2) измерять доплеровские сдвиги частоты сигналов f_d ;

3) измерять разность фаз между сигналами, принятыми на различные антенны и вычислять вертикальный θ  и азимутальный ψ углы прихода, которые отождествляются с направлением на неоднородность.

Доплеровские сдвиги частоты f_d  определяет лучевую скорость движения неоднородности ν=f_dλ/2, которая связаны с компонентами скорости дрейфа (V_x,V_y,V_z) следующим соотношением:

ν  = V_x · sinθ · cosψ + V_y · sinθ · sinψ + V_z · cosθ

При наличии сигналов, отраженных от 3-х неоднородностей, компоненты (V_x,V_y,V_z) вычисляются решением линейной системы из 3-х уравнений, при наличии сигналов, отраженных более от 3-х неоднородностей, компоненты (V_x,V_y,V_z) вычисляются методом наименьших квадратов. Следует отметить, что для вычисления скорости дрейфа необходимо, наличие сигналов, отраженных, как минимум, от 3-х неоднородностей. Это требование успешно реализуется на полярных и субполярных ионосферных станциях, и далеко не всегда выполняется для среднеширотных станций.