способ определения профиля электронной концентрации слоя плазмы

Формула изобретения

Способ определения профиля электронной концентрации слоя плазмы, заключающийся в том, что слой плазмы зондируют нормально к поверхности радиоимпульсами, несущие частоты которых возрастают с выбранным шагом в исследуемом диапазоне плазменных частот слоя плазмы для каждой из несущих частот, до начала зондирования определяют ширину спектра зондирующего радиоимпульса, в выбранной полосе частот измеряют время задержки отраженного радиоимпульса относительно зондирующего, определяют профиль электронной концентрации слоя плазмы, а также определяют отношение _i-1 сигнал/шум для отраженных радиоимпульсов на несущих частотах, отличающийся тем, что ширину спектра f_i радиоимпульса для несущих частот f_i, где i=3,4, определяют по формуле



где параметр, зависящий от формы огибающей радиоимпульса;

t_i-1, t_i-2 время задержки отраженного радиоимпульса относительно излученного на несущей частоте f_i-1, f_i-2 соответственно,

при этом шаг возрастания несущих частот и полоса частот измерения времен задержки равны ширине спектра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к диагностике неоднородного слоя плазмы с помощью радиоимпульсов и может быть использовано для контроля параметров плазмы в технологических установках, исследованиях по термоядерному синтезу и космической плазме, определению параметров плазмы ионосферы с целью прогноза распространения отражаемых ионосферой радиоволн.

Известен способ измерения распределения электронной концентрации N с высотой h в ионосфере (так называемый N(h)-профиль) при ракетном зондировании (Smith L.G. Weeks L.H. McKinnon P.I. Rocket observations of electron temperature in the E-region. Journ. Atmos. Terr. Phys. 1968, v. 30, N 7, p. 1301), включающий запуск геофизической ракеты и измерение электронного содержания с помощью датчиков.

Недостаток этого способа заключается в эпизодичности запусков и большого временного интервала между моментом запуска и получением необходимой информации. Кроме того, это дорогой способ.

Известны МСТ-радары (мезосферно-стратосферно-термосферные) некогерентного рассеяния и способ измерения с их помощью N(h)-профиля (Balsey B.B.l. et al. The MST-radar at Poker Plate, Alaska, Radio Sci. 1980, v. 15, N 2, p. 213-223), включающий вертикальное зондирование верхней атмосферы на частоте, много большей критической частоты ионосферных слоев, прием обратно рассеянного сигнала, стробирование принятого сигнала в различные моменты времени, соответствующие высотам рассеяния, измерение параметров этих выделенных частей принятого рассеянного сигнала и вычисление N(h)-профиля.

Недостаток этого способа заключается в том, что радары некогерентного рассеяния уникальные, дорогостоящие и энергоемкие устройства, которых на Земле всего около двух десятков. Результаты измерений, полученные с их помощью, верны в окрестности нескольких сот километров от радара и не могут быть поэтому широко использованы.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является известный способ определения высотно-частотной характеристики (ВЧХ) ионосферы, т.е. получение ионограммы, а также определение распределения электронной концентрации по высоте, т.е. получение N(h)-профиля (прототип), реализованный в современной разработке серии ионозондов "Циклон" (Цифровые ионосферные комплексы "Циклон-7", "Циклон-8", "Циклон-9". Рекламный проспект. Информация по адресу: 420008 г. Казань, ул. Ленина, 18 Университет, НИЧ. Телефоны: 39-80-95, 32-09-20. Телетайп: Нептун-224176. Руководитель работ д.ф.-м.н. Минуллин Р.Г.). На типовых ионозондах результаты наблюдений получаются в виде ионограм, дающих изменения действующей высоты отражения h" в функции несущей частоты f (частоты зондирования), т.е. так называемые h"(f)-записи. По сути ионограмма показывает время прохождения импульсного сигнала t от передатчика до ионосферы и обратно. Сигнал распространяется в ионосфере медленнее, чем в свободном пространстве, поэтому действующие или наблюдаемые высоты отражения h" всегда превышают истинные высоты отражения h. С увеличением частоты зондирования радиосигнала f, отражаемого слоем, действующая высота растет значительно быстрее, чем истинная. При достижении сигналом уровня максимальной электронной концентрации в слое действующая высота h" достигает максимального значения, превосходя истинную высоту h ионосферного слоя F2 в несколько раз. Частота зондирования, на которой это происходит, называется критической частотой слоя.

Известный способ получения ионограммы /прототип/ заключается в том, что нормально к поверхности ионосферного слоя излучают трапецеидальные радиоимпульсы с установленными до начала сеанса зондирования параметрами: длительностью Т, связанной с шириной спектра f_и соотношением f_и= 1/T (С.И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Высш. шк. 1988, с. 51); последовательностью несущих (зондирующих) частот, также установленной до начала зондирования; мощностью; принимают отраженные от различных высот ионосферы радиоимпульсы; измеряют времена задержки t отраженных ионосферой радиоимпульсов относительно излученных в полосе частот, установленной до начала зондирования; по формуле h"=(сxt)/2, где с скорость света, вычисляют действующую высоту отражения h" радиоимпульсов и, таким образом, по массиву пар чисел (время задержки, соответствующая несущая частота) строят график зависимости действующей высоты h" от несущей частоты f. Этот график называют ионограммой или ВЧХ. Так называемая плазменная частота определена таким образом, что она пропорциональна электронной концентрации N и равна частоте зондирования f, на которой отражается волна от высоты с данной электронной концентрацией. Поэтому график ВЧХ характеризует распределение электронной концентрации N в зависимости от действующей высоты h". Современные ионозонды в качестве своего конечного продукта имеют не только ионограмму, т.е. зависимость N N(h"), но также и распределение электронной концентрации N по истинной высоте h, т.е. зависимость N N(h), получаемую из массива пар чисел (время задержки, соответствующая несущая частота) вычислением по известному алгоритму, называемую N(h)-профилем, а также мощность отраженного ионосферой сигнала и отношение сигнал/шум (ионозонды "Циклон"; Ионосферная станция вертикального и наклонного зондирования ионосферы "Базис". Техническое описание. М. СКБ "Физическое приборостроение" АН СССР, 1980; Bulluten INAG 48, August, 1986, р. 13 The digisonde 256 system and Ionospheric Research).

Недостаток способа-прототипа заключается в низкой и неизвестной по всему диапазону частот зондирования точности измерения времен задержек, а вместе с этим высот отражения по всему диапазону частот зондирования, а в итоге в низкой точности определения распределения электронной концентрации по высоте, т. е. в низкой точности определения N(h)-профиля. Наибольшие ошибки в областях критической частоты (в наибольшей степени) и основания слоя, диагностика которых особенно важна в практике радиосвязи в декаметровом диапазоне.

Причины названных ошибок измерения состоят в следующем.

При отражении радиоимпульса от неоднородного слоя плазмы, т.е. от среды с сильной дисперсией, характеризующейся тем, что различные спектральные составляющие имеют сильно различающиеся запаздывания, происходит растяжение отраженного импульса в пространстве и увеличение неопределенности регистрации импульса во времени, что и ведет к неопределенности оценки дальности, т. е. к ошибке измерения дальности. Ошибка измерения высоты отражения, таким образом, возрастает в таких областях слоя, где быстро меняется высота отражения с частотой и возрастает при этом тем больше, чем больше имеется спектральных составляющих импульса, т.е. чем шире спектр импульса. Высота отражения наиболее быстро меняется вблизи критической частоты слоя F2 ионосферы (в области, информация о которой имеет наибольшую ценность для практики радиосвязи), где, таким образом, и возникают наибольшие ошибки измерения. Так в ионозонде "Циклон" ширина спектра радиоимпульса изменяется от 5 до 20 кГц. При зондировании вблизи критической частоты слоя на частоте 9,99 МГц (при критической частоте слоя 10 МГц) с шириной спектра радиоимпульса 5 кГц ошибка измерения h" составляет 27 км, при зондировании на этой же частоте с шириной спектра 20 кГц ошибка измерения h" составляет 101 км, что уже сравнимо с самой величиной действующей высоты h" на частоте 9,99 МГц, равной 579 км. С другой стороны, в области основания или нижней части слоя высота отражения почти не зависит от изменения частоты зондирования, различные спектральные составляющие приходят в приемник почти одновременно. В этом случае ошибка измерения высоты отражения, напротив, тем меньше, чем круче фронт регистрируемого импульса (и/или меньше длительность импульса), т.е. чем шире его спектр.

Таким образом, оказывается невозможным выбрать единственное значение величины ширины спектра импульса, одинаково уменьшающее ошибку измерения высоты отражения в различных областях слоя плазмы. Невозможным также оказывается назначить, не зная определяемого профиля, т.е. до начала зондирования, ширину спектра радиоимпульса для каждой частоты зондирования по всему диапазону частот зондирования, уменьшающую ошибку измерения высоты h". Необходимо решить проблему проведения зондирования слоя плазмы с неизвестным распределением электронной концентрации сигналами с параметрами, соответствующими на каждой частоте зондирования этому неизвестному распределению концентрации. Существующие же известные способы зондирования, основанные на установлении таких параметров, как ширина спектра радиоимпульса, частоты зондирования (несущие частоты), полоса частот, в которой измеряется время задержки, еще до начала зондирования, и, таким образом, устанавливаемых независимо от существующего в настоящий момент вида профиля, обречены на значительные и неизвестные по различным участкам профиля ошибки измерения. Известная формула ошибки измерения действующей высоты h" при зондировании слоя плазмы радиоимпульсами (Галкин А.И. и др. Ионосферные измерения. М. Наука, 1961, с. 15) не учитывает искажения отражаемого слоем плазмы радиоимпульса вследствие дисперсии и приводит к заниженным значениям ошибок измерения при расчетах и, что является практически более важным, не позволяет ни увидеть степень приближенности известного способа, ни тем более найти иной способ зондирования, сводящий ошибки измерения к минимально возможным значениям, определяемым так называемым соотношением неопределенности в радиолокации (Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. М. Мир, 1965, с. 568).

Выше рассматривалось влияние ширины спектра только излучаемого радиоимпульса на ошибки измерения h, хотя в полном объеме необходимо учитывать ширину спектра не только излучаемого, но и принимаемого, анализируемого сигнала, влияние полосы частот приема, в которой анализируется сигнал. В рассматриваемом случае этот анализ заключается в измерении времени задержки отраженного радиоимпульса относительно излученного. Согласно упомянутым выше результатам авторов по вкладу дисперсии в ошибки измерения при импульсном зондировании, для каждой частоты зондирования существует свое значение оптимальной ширины спектра анализируемого сигнала и при этой ширине спектра ошибка измерения h, оказывается минимальной. Ниже эта величина спектра, определяемая для каждой частоты зондирования, называется оптимальной шириной спектра (ОШС), а само зондирование, минимизирующее ошибки измерения высоты h", называется зондированием с ОШС.

Экспериментальное подтверждение изложенному выше представлению о неучитываемой ошибке измерения высоты h", что в свою очередь ведет к неоптимальному способу зондирования и к значительно и систематической ошибке измерения высоты h", особенно вблизи критической частоты, дают распределения электронной концентрации, вычисленные по ионограммам внешнего (со спутника) и наземного зондирования (Руководство URSI по интерпретации и обработке ионограмм. М. Наука, 1977, с. 145, рис. 5.5). Расхождение данных внешнего и наземного зондирования по высоте отражения увеличивается при приближении к критической частоте и достигает 50 км. Но качественно так и должно быть согласно изложенной выше картине. Количественный же анализ данного эксперимента не проведен из-за отсутствия сведений о ширине спектра использованных в эксперименте радиоимпульсов. Авторы этого "Руководства.", проводя анализ эксперимента, по-видимому, на основании известных представлений об ошибках измерения, т.е. без учета вклада дисперсии в ошибку измерения высоты, упустили из виду влияние ширины спектра радиоимпульса и полосы частот, в которой измеряется время задержки, на ошибку измерения высоты и поэтому не приводят данных по ширине спектра и полосе частот. По этой же причине авторы "Руководства.", очевидно, и не смогли объяснить причину расхождений данных внешнего и наземного зондирования.

Таким образом, известный способ зондирования не позволяет уменьшить ошибки измерения высот отражения до минимально возможных значений, определяемых соотношением неопределенности в радиолокации.

Задачей изобретения является более точное определение профиля электронной концентрации слоя лабораторной, технологической, космической и ионосферной плазмы. Задача конкретизирована на примере уточнения профиля ионосферной плазмы путем уменьшения ошибок измерения времени задержки t (или высоты отражения h") при импульсном зондировании слоя ионосферной плазмы, которые по известному способу наиболее велики вблизи критической частоты слоя F2, т.е. в области, информация о которой наиболее ценна для практики радиосвязи. Решение этой задачи должно дать возможность определения ионосферного канала связи на основе данных зондирования ионосферного слоя с меньшими ошибками и с большей детализацией его структуры, что позволит более полно использовать частотный ресурс КВ канала связи.

Сущность изобретения состоит в следующем. Установлено, что для каждой несущей частоты импульсного зондирования неоднородного слоя плазмы существует свое оптимальное значение ширины спектра анализируемого сигнала (ОШС), обозначаемое ниже f_i, которое может быть и определено, и реализовано. При ОШС ошибка измерения h оказывается минимальной и ограничивается снизу практически лишь соотношением неопределенности в радиолокации. Как было выше отмечено, ширина спектра анализируемого сигнала определяется и формируется для каждой частоты зондирования как шириной спектра излучаемого радиоимпульса, так и полосой частот, в которой измеряется время задержки t. Соотношение между шириной спектра излучаемого радиоимпульса и полосой частот, в которой измеряется время задержки, известно из условия согласованного приема (Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. М. Мир, 1965, с. 492). Согласно этому условию при рассматриваемой трапецеидальной форме радиоимпульсов отношение сигнал/шум максимально, если ширина спектра радиоимпульса равна полосе частот, в которой измеряется время задержки. Поэтому ширина спектра излучаемого радиоимпульса и полоса частот, в которой измеряется время задержки, устанавливаются равными между собой (что в технике известно) и равными ОШС (что следует из предлагаемого способа). ОШС определяется двумя переменными величинами, зависящими в свою очередь от частоты зондирования: производной от времени задержки t(f) по частоте зондирования f, а также отношением (f) сигнал/шум для отраженного слоем плазмы радиоимпульса. Разрешение же возникающей при этом проблемы, заключающейся в проведении зондирования слоя плазмы с неизвестным распределением электронной концентрации с параметрами зондирования, соответствующими этому неизвестному распределению на каждой частоте зондирования, осуществлено следующим путем. Сначала проводится зондирование по способу-прототипу на двух исходных, близко расположенных (на расстоянии стандартного шага по частоте) частотах f₁ и f₂ (как и в прототипе, зондирование проводится на возрастающих частотах, поэтому возрастающей нумерации частот i в настоящем описании соответствует возрастание величины самих частот f_i), что дает возможность получить оценку производной от времени задержки t(f) по частоте зондирования f, аппроксимируемую отношением конечных разностей времен задержек t₁(f) и t₂(f) к соответствующей разности частот зондирования f₁ и f₂ (времена задержек t(f), как и высоты отражения h"(f) функции частоты зондирования f). Кроме измерения времени задержек определяется также отношение ₂ сигнал/шум для отраженного слоем плазмы радиоимпульса на частоте зондирования f₂. Располагая названным выше отношением конечных разностей и отношением сигнал/шум в интервале частот [f₁, f₂] можно вычислить ОШС для зондирования на частоте f₃, расположенной в ближайшей окрестности частоты f₂. Значение отношения конечных разностей на интервале частот [f₁, f₂] где это отношение и вычислено, отличается от соответствующего значения в окрестности частоты f₃ тем меньше, чем ближе частота f₃ к частоте f₂ и чем меньше абсолютная величина производной dt(t)/df. Величина ОШС определена таким образом, что чем больше абсолютная величина производной dt(f)/df, т.е. чем больше отношение разностей времен задержек к соответствующей разности частот зондирования, тем меньше величина ОШС. Поэтому естественно в качестве шага от частоты f>₂ к частоте f₃ выбрать величину ОШС. Таким образом, величина ОШС кроме своего основного назначения уменьшать ошибку измерения h непосредственно может служить естественным масштабом для шага по частоте зондирования и, таким образом, способствовать уменьшению ошибки измерения h еще и косвенно. Например, в основании слоя на частоте зондирования 1 МГц упомянутая производная мала и медленно меняется с частотой (высота отражения меняется медленно с частотой) и шаг при переходе от одной частоты к другой, равный ОШС, достигает почти 67 кГц. Напротив, в области критической частоты названные величины быстро меняются и шаг по частоте составляет около 1 кГц. В изобретении шаг по частоте зондирования полагается равным ОШС. ОШС f_i и ошибки h, вычисленные для частот, отстоящих друг от друга на шаг, равный величине ОШС, даже в области сильной дисперсии вблизи критической частоты, практически равны. Шаг зондирования, равный ОШС, позволяет, таким образом, делая мелкие шаги в областях, где профиль быстро меняется с частотой и делая большие шаги в областях медленного изменения профиля, автоматически "прорисовывать" все области профиля слоя плазмы одинаково хорошо. Очевидно поэтому, что шаг зондирования, равный ОШС, позволяет также уменьшить количество шагов зондирования в исследуемом диапазоне частот (при требуемой степени проработки деталей профиля) до минимума. Практически это важно, поскольку, во-первых, повышает оперативность диагностики, и, во-вторых, уменьшает помехи в эфире от работы ионозонда. Выше описано использование измерений, полученных на исходных несущих частотах f₁ и f₂ по способу-прототипу, для определения следующей несущей частоты f₃ и измерения времени задержки t₃ на этой частоте уже по предлагаемому способу, и так далее, т.е. вообще измерения времени задержек t_i-1 и t_i-2, где i 3, 4, n, а также отношение сигнал/шум _i-1, полученные на предшествующих несущих частотах f_i-1 и f_i-2, используются для определения текущего значения ОШС f_i и соответствующего текущего значения несущей частоты f_i, начиная с третьей несущей частоты f₃.

Таким образом, суть изобретения сводится к следующим признакам. Во-первых, установлено существование ОШС, которая может быть определена и реализована. Во-вторых, возникающее противоречие, заключающееся в зондировании слоя плазмы с неизвестными распределением электронной концентрации и отношением сигнал/шум с параметрами зондирования, соответствующими на каждой частоте зондирования этому неизвестному распределению концентрации и отношению сигнал/шум, разрешается в изобретении возможностью использования параметров слоя плазмы на частотах f_i-1 и f_i-2 для построения ОШС f_i на достаточно близко расположенной к интервалу [f_i-1, f_i-2] частоте f_i. Использование одного и того же значения отношения сигнал/шум для частот f_i-1 и f_i, отстоящих на величину, равную ОШС, основано на результатах по измерению мощности источников шумов различной природы. В декаметровом диапазоне частот основным источником шума являются атмосферные шумы, уровень мощности которых в диапазоне частот, начиная от самых низких и до 20 МГц, имеет приращение не более 0,25 дБ на интервале частот 100 кГц (HF Communications: A System Approach. Nicolas M Maslin MA, PhD, CEng, MIERE. Plenum Press. New York and London, 1987, р. 89). Учитывая также, что величина ошибки измерения времени задержки (и действующей высоты) зависит от _i-1 очень слабо, в степени 1/4, получим, что ошибки измерения времени задержек (и действующих высот) на соседних частотах, отстоящих на величину ОШС, отличаются не более, чем на 1,5 даже при ОШС равной 100 кГц. Поэтому принятое выше приближение по использованию одной и той же величины отношения сигнал/шум на частотах, разнесенных на величину ОШС, оправдано. В третьих, необходимая для практически пренебрежимой ошибки такого переноса величина шага по частоте устанавливается равной величине ОШС.

Предлагаемое техническое решение заключается в том, что сначала, также как в прототипе, нормально к поверхности исследуемого слоя плазмы излучают радиоимпульсы с устанавливаемой до начала сеанса зондирования шириной спектра на исходных частотах f₁ и f₂, измеряют соответствующие времена задержек t₁ и t₂ отраженных слоем радиоимпульсов относительно излученных в устанавливаемой до начала зондирования полосе частот, а также определяют отношение сигнал/шум ₂ на несущей частоте f₂. В отличие от известного способа по предлагаемому способу проводят зондирование радиоимпульсами на третьей f₃ и последующих несущих частотах f_i с шагом f_i, равным ОШС, определяемым для каждой несущей частоты f_i по формуле (1):



где параметр, числовое значение которого определяется задаваемой формой огибающей радиоимпульса. Для трапецеидальных радиоимпульсов, принятых при зондировании ионосферы, a = 4. Формула (1) получена на основе решения задачи о минимизации ошибки измерения действующей высоты Dh в среде с дисперсией. Если информация об уточненном профиле плазмы требуется также и на исходных частотах f₁ и f₂, то после зондирования, проводимого в порядке возрастания зондирующих частот f_i, необходимо провести зондирование в порядке убывания зондирующих частот f_i, начиная с номера любой частоты зондирования, большего или равного четырем, то есть с частоты f₄ или большей по номеру i. ОШС определяется и в этом случае также по формуле (1), лишь индексы у времен задержек и частот, в соответствии с обратным следованием зондирующих частот, нужно соответственно изменить.

После перехода к частоте зондирования f₃, которая определяется как f₃= f₂+f₃, излучают радиоимпульс на частоте f₃ с шириной спектра, равной ОШС f₃ принимают отраженный ионосферой радиоимпульс и измеряют время задержки t₃ отраженного ионосферой радиоимпульса относительно излученного в полосе частот ОШС f₃ измеряют мощность отраженного ионосферой сигнала на частоте f₃, измеряют уровень шума на частоте f₃, определяют отношение ₃ сигнал/шум на частоте f₃. Далее полученные времена задержек t₂ и t₃ на частотах f₂ и f₃ и отношение ₃ сигнал/шум на частоте f₃ используются для получения ОШС f₄ по формуле (1) для зондирования на частоте зондирования f₄, равной f₃+f₄, и так далее, определяя ОШС для каждой частоты зондирования f_i по формуле (1), по всему исследуемому диапазону частот. Величина мощности излучаемого радиоимпульса устанавливается так же, как в способе-прототипе.

Причинно-следственные связи между существенными признаками, характеризующими изобретение, и уменьшением ошибок измерения высоты отражения и плазменной частоты состоят в следующем. Отношение разности времен задержек, пропорциональных высотам отражения, к разности соответствующих частот есть дискретный аналог производной, характеризующей крутизну ВЧХ или профиля слоя плазмы. Формула (1) определяет, таким образом, величину ОШС как функцию крутизны профиля и отношения сигнал/шум. Чем круче профиль слоя плазмы на данной частоте зондирования, тем уже требуется спектр анализируемого радиоимпульса, обеспечивающий минимальную ошибку измерения высоты h" на этой частоте зондирования. Качественно это понятно, поскольку область высоких значений крутизны ВЧХ это область, где быстро меняется высота отражения с высотой, это область сильной дисперсии, где искажение отраженного сигнала вследствие разных скоростей различных спектральных составляющих отраженного сигнала сильно возрастает, что и дает неопределенность регистрации сигнала, т. е. ошибку измерения h, тем большую, чем шире спектр, или, тем меньшую, чем спектр уже. Величина ОШС, минимизирующая ошибку h, уменьшается также с увеличением отношения сигнал/шум просто потому, что ошибка регистрации фронта сигнала (а вместе с этим и ошибка измерения h) тем меньше, чем фронт круче, фронт же сигнала можно делать круче за счет увеличения отношения сигнал/шум, а не только путем расширения спектра. Однако проводить зондирование, делая спектр уже, чем ОШС, также нецелесообразно, ошибки измерения h начнут возрастать по причине расплывания фронта импульса, обедненного высокочастотными спектральными составляющими, формирующими фронт.

Технический результат изобретения состоит в минимизации ошибки определения профиля электронной концентрации слоя плазмы по всему диапазону частот зондирования практически до предела, обусловленного соотношением неопределенности в радиолокации. Ошибки измерения высоты отражения h по диапазону частот зондирования от 1 до 9,99 МГц представлены в таблице. Расчеты проведены в приближении геометрической оптики для параболического профиля слоя плазмы, принятого в ионосферных расчетах в качестве модельного, с параметрами, соответствующими значениям параметров ионосферного слоя F2 (Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М. Наука, 1967, с. 684).

Параметры слоя суть следующие: высота основания слоя над поверхностью земли 200 км, полутолщина слоя 100 км, критическая частота 10 МГц. Нижняя частота зондирования 1 МГц соответствует нижней границе несущих частот ионозонда "Циклон". Частота зондирования 1,06694 соответствует следующей по порядку зондирования частоте, образованной согласно предлагаемому способу, т. е. суммированием значения предыдущей частоты 1 МГц с соответствующим значением шага зондирования, равным ОШС и численно равным в области основания слоя 66,94 кГц, что и дает в результате 1,06694 МГц. Такую же пару соседних частот зондирования, разделенных соответствующим шагом 1,42 кГц в области критической частоты, образуют частоты 9,98858 и 9,99 МГц. Частоты зондирования 7 и 9,85 МГц ограничивают диапазон частот, в котором возможно провести зондирование по предлагаемому способу для ионосферного слоя с указанными выше параметрами и с ограниченной возможностью перестраивания ширины спектра радиоимпульсов 5 20 кГц ионозондов "Циклон". Верхняя частота 9,99 МГц взята на 10 кГц ниже критической частоты слоя, поскольку геометрооптическое приближение для слоя плазмы с выбранными параметрами дает возможность вычислить практически верные значения действующей высоты вплоть до частоты 9,99 МГц, но не более. Ошибки измерения действующей высоты h, возникающие при зондировании по способу-прототипу, вычислены для двух значений ширины спектра f_и анализируемого сигнала 5 и 20 кГц, охватывающих граничные значения этих величин ионозонда "Циклон". Ошибки измерения , возникающие при зондировании по предлагаемому способу, вычислены с оптимальной для каждой частоты зондирования шириной спектра ОШС. В таблице также приведено отношение , иллюстрирующее эффективность предлагаемого способа. Из таблицы видно, что ОШС меняется почти от 67 до 1 кГц по диапазону частот зондирования 1 9,99 МГц, намного превосходя диапазон ширины спектров излучаемых радиоимпульсов 20 5 кГц ионозондов "Циклон". Наиболее значителен относительный эффект уменьшения ошибки измерения h, по предлагаемому способу в наиболее важных для диагностики слоя областях: на низких частотах, т.е. в определении высоты основания слоя (в 1,8 6,7 раза) и на высоких частотах в определении высоты максимума электронной концентрации слоя (в 2 - 7,5 раза). В области критической частоты (на частоте зондирования 9,99 МГц) наиболее значительно уменьшается также и абсолютная ошибка измерения h с 101 до 13,5 км. Уменьшение ошибки измерения h почти на порядок должно позволить измерять действующую высоту h" по предлагаемому способу и на самой критической частоте. Действующая высота на критической частоте известными способами, как можно видеть, не может быть измерена и, как известно, не измерялась. Положительным эффектом, даваемым изобретением, является также минимальное количество шагов зондирования по исследуемому диапазону частот при заданной степени проработанности деталей профиля.

Осуществимость технического решения по предлагаемому способу покажем на примере работы программно-управляемых ионозондов "Циклон" (Цифровые ионосферные комплексы "Циклон-7", "Циклон-8", "Циклон-9". Рекламный проспект. Информация по адресу: 420008 г. Казань, ул. Ленина, 18 Университет, НИЧ. Телефоны: 39-80-95, 32-09-20. Телетайп: Нептун-224176. Руководитель работ д.ф. -м. н. Минуллин Р.Г.), штатный режим зондирования которых осуществляется в комплексе с ПЭВМ "Искра 1030", совместимой с IBM РС. В данном ионозонде предусмотрено лишь одно значение полосы частот РПУ 30 кГц. В то же время ионозонд имеет перестраиваемую ширину спектра радиоимпульса от 5 до 20 кГц. Этих возможностей ионозонда достаточно для проведения упрощенного зондирования по предлагаемому способу, т.е. меняя лишь ширину спектра излучаемого радиоимпульса для каждой несущей частоты в соответствии с величиной ОШС для этой же несущей частоты (но в пределах 5 20 кГц) и измеряя время задержки отраженного радиоимпульса в постоянной полосе частот РПУ 30 кГц. Осуществить зондирование с ОШС согласно изобретению можно по крайней мере двумя упрощенными путями, устанавливая равными величине ОШС (для каждой частоты зондирования) или только ширину спектра радиоимпульса, или только полосу частот приемника, в зависимости от имеющихся инструментальных возможностей. Например, при фиксированной и достаточно большой ширине спектра излучаемого радиоимпульса (ширина спектра должна быть шире полосы частот РПУ) можно регулировать лишь полосу частот приемника для каждой частоты зондирования, "вырезая" этим самым необходимую для анализа сигнала часть спектра излученного радиоимпульса, равную ОШС. При этом часть энергии радиоимпульса, приходящаяся на спектр за пределами полосы частот приемника, теряется, загрязняя эфир. Если же фиксирована полоса частот приемника, то при достаточно широкой полосе частот приемника можно регулировать ширину спектра излучаемого радиоимпульса (ширина спектра радиоимпульса должна быть уже полосы частот РПУ), приравнивая ее величине ОШС на каждой частоте зондирования. При этом, чтобы сохранить хорошее отношение сигнал/шум, потребуется большая излучаемая мощность радиоимпульса. Тем не менее, осуществление предлагаемого способа по любому из этих упрощенных путей возможно, поскольку измерение времени задержки для сигнала с шириной спектра, равной ОШС, выполняется. Не выполнение же условия согласованного приема, хотя и ухудшает отношение сигнал/шум, однако не затрагивает существа предлагаемого способа. В ионозондах "Циклон" (прототип) ширина спектра сигнала перестраивается от 5 до 20 кГц при фиксированной полосе частот приемника 30 кГц, а в ионозондах "Базис", напротив, перестраивается полоса частот приемника от 1 до 100 кГц при ширине спектра радиоимпульса 10 кГц, что может позволить осуществить упрощенное зондирование по предлагаемому способу с ОШС с помощью любого из этих зондов.

Блок-схему ионозонда "Циклон" (фигура) можно представить в виде следующих функциональных блоков, в которых непосредственно выполняются необходимые операции по предлагаемому способу. Эти функциональные блоки суть следующие: передатчик 1, синтезатор частот 2, радиоприемник (РПУ) 3, измеритель времен задержек t_i на частотах f_i 4, измеритель мощности отраженного радиоимпульса Р_иi и мощности шумов Р_шi 5, управляющее работой ионозонда устройство (ПЭВМ "Искра 1030") 6. Устройства регистрации и отображения конечных результатов работы ионозонда профиля электронной концентрации и ионограммы объединены в блоке 7.

Конкретные операции по осуществимости изобретения излагаются далее в соответствии с штатными возможностями ионозонда "Циклон". Для практического применения предлагаемого способа представляет затруднение то, что диапазон изменений ОШС ограничен значениями ширины спектра излучаемого радиоимпульса ионозонда "Циклон" 5 20 кГц, в то время как для зондирования ионосферного слоя F2 по предлагаемому способу требуется диапазон изменений ОШС от 67 до 1 кГц. Указанное затруднение преодолевается следующим путем. Значениям ОШС 5 - 20 кГц соответствует область частот зондирования шириной около 3 МГц вблизи критической частоты слоя F2 (таблица). Поэтому предварительно проводится зондирование по известному способу и определяется критическая частота f_к и после этого проводится зондирование уже по предлагаемому способу, начиная с частоты f₁, на 3 МГц меньшей частоты f_к. Верхняя частота зондирования в обычном ионозонде может быть установлена как выше ожидаемого значения критической частоты, так и ниже. В первом случае зондирование фактически обрывается на критической частоте вследствие отсутствия отраженного сигнала на частотах выше критической, во втором случае зондирование прекращается автоматически при достижении установленного предела. Согласно таблице величине ОШС 5 кГц отвечает частота зондирования, отстоящая от критической частоты примерно на 150 кГц ниже. На частотах зондирования, отстоящих от критической частоты меньше, чем на 150 кГц, требуются значения ОШС, меньшие 5 кГц. Поскольку в ионозонде "Циклон" не предусмотрена ширина спектра, меньшая 5 кГц, то для проведения зондирования по предлагаемому способу верхняя частота зондирования устанавливается меньше критической на 150 кГц. В итоге для ограниченных пределов изменений ОШС от 5 до 20 кГц, диктуемых возможностями перестраивания ширины спектра ионозонда "Циклон", оказывается возможным найти соответствующий диапазон частот зондирования вблизи критической частоты ионосферного слоя. Например, при зондировании ионосферного слоя с параметрами, близкими к принятым выше, нижняя частота зондирования f₁ была бы равна 7 МГц, а верхняя f_n 9,85 МГц. После установления нижней f₁ и верхней f_n границ частот зондирования для режима работы ионозонда в ПЭВМ вводятся следующие типовые программы: "Вычисление арифметического выражения для f_i согласно формулы (1)", "Передача сигналов управления шириной спектра излучаемого радиоимпульса f_i в блок 1 и полосы частот РПУ f_i в блок 3, а также частоты зондирования f_i в блок 2". Затем проводят зондирование на исходных частотах f₁ (частота f₁ нижняя граница частот зондирования) и f₂, разделенных наименьшим (для лучшей аппроксимации значения производной dt/df отношением конечных разностей) штатным шагом зондирования ионозонда "Циклон" 1 кГц, получая времена задержек t₁ и t₂ и отношение ₂ сигнал/шум на частоте f₂. Таким образом, по подготовленным исходным данным t₁, t₂, ₂ вычисляется ОШС f₃ по формуле (1) для частоты f₃ в блоке 6. Частота f₃ вычисляется по формуле f₃= f₂+f₃ также в блоке 6. По сигналам управления из блока 6 в блоке 2 устанавливаются колебания частоты f₃, которые одновременно передаются в качестве частоты излучаемого радиоимпульса в блок 1 и в качестве частоты гетеродина РПУ в блок 3. По сигналам управления из блока 6 устанавливаются ОШС f₃ радиоимпульса для частоты f₃ в блоке 1 и полоса частот РПУ для частоты f₃, равная ОШС f₃, в блоке 3. После этого в автоматическом штатном режиме ионозонда излучается на частоте f₃ радиоимпульс с определенной согласно формуле (1) ОШС f₃ из блока 1, отраженный слоем ионосферы радиоимпульс принимается в фиксированной для всех частот зондирования полосе частот 30 кГц в блоке 3, измеряется время задержки t₃ в блоке 4. В блоке 5 измеряются мощность Р_и3 отраженного ионосферой радиоимпульса и мощность шума Р_ш3. Частота зондирования (несущая частота) f₃ и соответствующие этой частоте время задержки t₃ и мощности Р_и3 и Р_ш3 поступают в блок 6 и запоминаются. В блоке 6 по типовой штатной программе вычисляется отношение ₃ сигнал/шум. На этом этапе подготовленными исходными данными для частоты зондирования f₄ являются времена задержки t₂ и t₃, полученные на частотах зондирования f₂ и f₃, и отношение ₃. Для частоты f₄ и последующих описанный выше цикл повторяется вплоть до установленного верхнего предела частот зондирования f_n. В результате проведенного зондирования по исследуемому диапазону частот в памяти ПЭВМ накапливается массив чиселt_i, f_i} соответствующих временам задержек t_i для использованных в цикле частот зондирования f_i. Полученный массив чисел, содержащий более точную информацию о профиле электронной концентрации слоя плазмы, нежели массив чисел, получаемый по способу-прототипу, формально ничем не отличается от последнего, поэтому преобразование данного массива в уточненные ионограмму и профиль электронной концентрации осуществляются штатно в блоке 7.

Возможность получения технического результата требует также того, чтобы необходимый для реализации данного способа диапазон изменения параметров был бы достижим при работе реального ионозонда. Первый переменный параметр - отношение _i для получения качественной ионограммы, подлежащей штатной обработке, находится в пределах 6 10 (Галкин А.И. и др. Ионосферные изменения. М. Наука, 1961), и достигается соответствующей мощностью передатчика обычного ионозонда, которая устанавливается с "запасом" обычно в пределах от 1 до 5 кВт в импульсе. В ионозонде "Циклон" излучаемая мощность составляет 2 5 кВт в импульсе, что обеспечивает достаточно хорошее отношение _i, поскольку по предлагаемому способу не требуется мощность большая, чем по известному. Второй переменный параметр величина ОШС. Для достижения технического результата требуется излучать радиоимпульс с ОШС и измерять время задержки отраженного радиоимпульса в полосе частот ОШС. Для зондирования ионосферного слоя требуется изменение ОШС примерно от 1,34 до 67 кГц (таблица). Пределы перестройки полосы частот РПУ, обеспечивающей соответствующее изменение величины ОШС, в ионозонде "Базис" составляют 100 1 кГц, что перекрывает требуемый диапазон частот. Получение перестраиваемой ширины спектра радиоимпульса в требуемых пределах в декаметровом диапазоне также решенная техническая задача. Верхний предел для ширины спектра 100 кГц реализован еще в ионозондах 50-х годов (Галкин А.И. и др. Ионосферные измерения. М. Наука, 1971). Нижний требуемый предел 1 кГц достигается простым увеличением длительности радиоимпульса, что не представляет проблемы.

Таким образом, изобретение может быть реализовано с использованием уже существующих программно-перестраиваемых передатчиков, приемников и управляющих устройств.