КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 4, с. 356-362
УДК 550.388.2+621.391
РАЗВИТИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИРКУТСКОГО РАДАРА НЕКОГЕРЕНТНОГО РАССЕЯНИЯ
© 2008 г. А. П. Потехин, А. В. Медведев, А. В. Заворин, Д. С. Кушнарев,
В. П. Лебедев, Б. Г. Шпынев
Институт солнечно-земной физики РАН, г. Иркутск medvedev@iszf. irk. ru Поступила в редакцию 21.02.2007 г.
Дано описание радара некогерентного рассеяния Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук. Описаны, полученные в результате модернизации, новые диагностические возможности. Рассмотрены виды измерений, проводимых с его помощью при исследовании верхней атмосферы Земли и околоземного космического пространства.
PACS: 94.20.D-
1. ВВЕДЕНИЕ
Радары некогерентного рассеяния (PHP) используются в ионосферных исследованиях в течение уже более четырех десятилетий, до сих пор оставаясь наиболее информативными наземными средствами диагностики верхней атмосферы. Все это время непрерывно развивается методики, совершенствуются отдельные PHP и, несмотря на сложность и высокую стоимость, расширяется их сеть. Основными направлениями совершенствования диагностических возможностей действующих радаров признаны [7]: обеспечение гибкости и разнообразия методов вторичной обработки за счет сохранения максимально возможного объема первичной информации; повышение пространственного разрешения и расширения высотного диапазона ионосферных измерений путем использования сложных, оптимизированных под конкретные задачи сигналов; расширение возможностей изучения пространственно неоднородной структуры ионосферы за счет применения антенн с возможностями электронного сканирования и интерференционных измерений. В настоящее время в мире действуют 10 радаров HP, каждый из которых уникален по своей конструкции и методикам диагностики. В их число входит единственный в Pоссии Иркутский радар некогерентного рассеяния (ИPHP) [1]. К настоящему времени на HPHP разработаны новые методики обработки сигналов, внедрены новые виды наблюдений, потребовавшие существенной модернизации приемных, регистрирующих и управляющих систем радара.
2. ЗАДАЧИ И НАПРАВЛЕНИЯ МОДЕРНИЗАЦИИ
ИPHP представляет собой моностатическую импульсную P.C с частотным сканированием. Пико-
вая мощность, достигаемая на двух передатчиках до 3.2 МВт. Частота следования импульсов - 24.4 Гц. Длительность зондирующего импульса - от 70 до 900 мкс. Диапазон рабочих частот радара - 154162 МГц. Коэффициент усиления антенны - около 35 дБ. Устройство передающих, антенно-фидер-ных систем и состав существовавшего до 2006 года комплекса приемно-регистрирующей аппаратуры подробно описаны в работе [1].
Развитие диагностических возможностей ИРНР на новом этапе было связано с коренной модернизацией 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 стали обеспечение следующих возможностей радара:
1. Измерения параметров ионосферной плазмы одновременно в нескольких направлениях для исследования ее пространственно неоднородной структуры;
2. Одновременные измерения без потери необходимой точности мощных сигналов от космических аппаратов или когерентного эха (КЭ) на фоне слабых сигналов рассеяния на тепловых флуктуа-циях плазмы;
3. Программное управление формой диаграммы направленности (ДН) радара и проведение ин-терферометрических измерений;
4. Повышение пространственного разрешения путем использования оптимальных зондирующих сигналов и расширения высотного диапазона ионосферных измерений за счет устранения с радиолокационной развертки сигналов от местных предметов;
5. Регистрация на электронные носители полного объема первичной информации зондирова-
Амплитуда поля, отн. ед. 1.0
-1.5 -1.0 -0.5
0.5 1.0 1.5-1.5 -1.0 -0.5 Азимут, град
Рис. 1. Диаграмма направленности антенны в азимутальной плоскости.
а - сечение ДН в азимутальной плоскости; б - зависимость изменения формы сигнала при отклонении цели от центра ДН в азимутальной плоскости.
ния для обеспечения выбора способа вторичной обработки в зависимости от решаемых задач и обработка большого массива данных ионосферного и спутникового зондирования в реальном масштабе времени.
Реализация поставленных задач потребовала создания нового управляющего и приемно-регистри-рующего комплекса (УПРК), в состав которого вошли многоканальное приемное устройство, цифровая система синхронизации и формирования рабочих частот, система автоматического фазирования передатчиков, быстродействующее устройство регистрации сигналов и управления радаром, распределенная вычислительная система вторичной обработки данных зондирования в реальном масштабе времени.
3. ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Возможности антенной системы. ДН антенны радара вдоль длинной оси (азимутальное направление в антенной системе координат) формируется протяженной линейной решеткой щелевых излучателей и имеет ширину около 0.5° (рис. 1а). ИРНР является радаром с частотным сканированием, т.е. текущий азимут £(/) определяется рабочей частотой. При этом если наблюдаемый космический объект (КО) находится на угловом расстоянии Ъ(() от центра ДН, то в принятом сигнале появляется искажения в виде дополнительной фазовой модуляции (квадратура Ъ(г) на рис. 16), амплитуда которой в первом приближении пропорциональна Ае, а форма соответствует производной огибающей излученного сигнала. Была разработана специаль-
ная методика, позволяющая на основе анализа амплитуды искажений в принятом сигнале снизить погрешность определения азимута цели до нескольких угловых минут.
Вдоль поперечной оси антенны (угломестное направление в антенной системе координат) ДН радара формируется сложением в пространстве сигналов от двух независимых полурупоров. Каждый полурупор имеет довольно широкую ДН (рис. 2а) и высокая точность определения угловой координаты объекта локации может быть достигнута только интерференционным методом. В результате проведенной технической модернизации ИРНР, появилась возможность регистрировать сигналы независимо в каждом полурупоре антенны и измерять фазовый сдвиг между ними. Фазово-угломестная характеристика антенны измерялась экспериментально путем наблюдения мощного космического источника радиоизлучения "Лебедь-А" в пассивном режиме циклического сканирования [4]. Полученная фазовая характеристика изображена на рис. 26. Крутизна фазовой характеристики антенны ИРНР составляет 16 электрических градусов на один градус угла места, что обеспечивает высокую точность угломестных измерений.
Определение параметров ионосферной плазмы
является основным видом измерения ИРНР [1]. Диагностика ионосферы методом НР основана на радиолокационном уравнении, связывающим усредненный спектр принимаемого сигнала со спектром тепловых флуктуаций ионосферной плазмы. Многопараметрическая подгонка спектров - задача сложная, зачастую однозначного решения не имеющая. Важно иметь возможность понизить число па-
Фаза между полурупорами, град
Угол места, град
Рис. 2. Диаграмма направленности антенны в угломестной плоскости.
Рис. 3. Экспериментальная автокорреляционная функция сигнала НР, усредненная по 1000 реализаций.
раметров, по которым производится подгонка, устранить возможные источники ошибок. Новая система регистрации сигналов НР, сохраняющая первичные данные зондирования, дает возможность гибкого и эффективного применения различных методов при вторичной обработке, изменения времени накопления (от 40 с для дневной нижней ионосферы до 1 часа ночью на 1000 км), устранения из ионосферных данных когерентных сигналов и помех. В частности, система регистрации позволила внедрить новый метод определения скорости дрейфа ионосферной плазмы. В практике метода НР для этого обычно используют Фурье - преобразование спектра НР - его автокорреляционную функцию (АКФ). Считается [6], что в первом приближении скорость дрейфа плазмы может быть определена независимо от других параметров, как угол наклона фазы АКФ. На ИРНР методика определения скорости дрейфа путем линейной регрессии давала большую погрешность. Было установлено, что основным источником погрешности является нелинейность фазовой характеристики АКФ, вы-
званная асимметрией спектра НР-сигналов (рис. 3). При малости значений коэффициента асимметрии и доплеровского смещения частоты спектра их вклад в фазу АКФ аддитивен и может быть успешно разделен в рамках того же метода линейной регрессии. Обработка экспериментальных данных показала, что модифицированный алгоритм позволяет понизить дисперсию определения скорости дрейфа плазмы в несколько раз. Определение этих параметров независимым способом упрощает задачу дальнейшего фиттирования спектров НР-сигналов, что, в свою очередь, повышает точность определения других параметров плазмы. Применение новых методик обеспечивает получение основных характеристик ионосферной плазмы практически по всей толще ионосферы в различных гелио- и геомагнитных условиях. Пример результатов таких измерений 11.IX.2005 г. приведен на рис. 4.
Регистрация аномально мощных сигналов КЭ
является одним из видов наблюдений, проводимых на ИРНР [2]. Эти мощные сигналы принимаются боковыми лепестками ДН радара с северного на-
700
Высота, км 700
600 500 400 300 200 100
700 600 500 400 300
20 40 Уф, м/сек
Рис. 4. Высотные профили параметров ионосферы.
Сплошная линия - дневные значения; пунктирная - ночные значения.
80 90 100 0+/(0+ + Н+), %
правления, где выполняется условие перпендикулярности линий геомагнитного поля и направления излучения. Возникновение КЭ связано с развитием плазменных неустойчивостей во время мощных геомагнитных событий. Для пространственной локализации источника КЭ и изучения его ракурсных характеристик применяется особый режим измерений с непрерывным сканированием в заданной полосе частот. На рис. 5. приведен пример наблюдения КЭ 10.XI.2004 г. на 10 частотах в полосе от 159 до 160 МГц, рис. 5а - временная динамика мощности КЭ, рис. 56 - мощность КЭ в зависимости от дальности.
Исс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.