Способ определения эффективной высоты и проводимости д-слоя ионосферы

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для диагностирования условий распространения радиоволн в волноводе Земли-ионосфера, Цель изобретения - повышение разрешающей способности. Сущностью способа является излучение радиоволн диапазона очень низкой частоты и приема отраженного ионосферой сигнала, для которого выполняются резонансные условия в полости Земляионосфера. При этом по амплитуде и разности фаз двух ортогональных компонент магнитного поля, принятых на расстоянии 5-15 км от точки излучения, определяется в рамках модельных представлений эффективная высота и проводимость D-слоя ионосферы. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 S 13/95

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР г -.....,- . .- ; 1 г,,Л, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4604739/09 (22) 11.11.88 (46) 30.06.91, Бюл. N 24 (71) Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР (72) А. Е. Резников и А. И. Сухоруков (53) 621,396.96(088..8) (56) Rawer К. Mannal of ionospheric absorption

measurements processing VAG, 1976, .Альперт Я, Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука, 1972, с. 452. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ВЫСОТЫ И ПРОВОДИМОСТИ 0СЛОЯ ИОНОСФЕРЫ

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при исследовании физических свойств и динамики ионосферы, прогнозирования характера .распространения радиоволн в волноводе

Земля-ионосфера.

Целью изобретения является повышение разрешающей способности, На фиг. 1 показан график зависимости амплитуды отраженного ионосферой сигнала от частоты излучения; на фиг. 2 — график зависимости амплитуды одной из тангенциальных компонент магнитного поля в точке приема от частоты излучения; на фиг. 3— функциональная электрическая схема передающего устройства; на фиг. 4 — то же, при-. емно-регистрирующего устройства, Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из звукового генератора (ЗГ) 1, усилителя тока (УТ), передающей антенны (А), приемных антенн А 1 и А 2, . Ж 1659934 А1 (57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для диагностирования условий распространения радиоволн в волноводе Земли-ионосфера, Цель изобретения — повышение разрешающей способности, Сущностью способа является излучение радиоволн диапазона очень низкой частоты и приема отраженного ионосферой сигнала, для которого выполняются резонансные условия в полости Земля— ионосфера. При этом по амплитуде и разности фаз двух ортогональных компонент магнитного поля, принятых на расстоянии

5 — 15 км от точки излучения, определяешься в рамках модельных представлений эффективная высота и проводимость О-слоя ионосферы. 4 ил. первого и второго антенных усилителей АУ1 и АУ2, первого и второго предварительных усилителей ПУ1 и ПУ2, первого и второго режекторных фильтров РФ1 и РФ2, первого и второго синхронно-избирательных фильтров СИФ1 и СИФ2. первого и второго блоков измерения амплитуд БИА1 и БИА2, измерителя разности фаз ИРФ, второго звукового генератора ЗГ2, блока определения функции F(f) EOF, блока анализа БА, регистратора, Устройство работает следующим образом.

Задающий генератор с перестраиваемой частотой генерации (ЗГ1) и усилитель тока (УТ), нагруженный на петлевую излучающую антенну в виде рамки (плоскость рамки вертикальна), излучают радиосигнал требуемой частоты.

Приемо-регистрирующее устройство располагается на расстоянии 5 — 10 км от пе1659934

15

/g„, «1, редающего. В качестве приемных антенн используются две скрещенные рамочные антенны А1 и А2 с антенными усилителями

АУ1 и АУ2, с помощью экранированного кабеля антенны выносятся на расстояние порядка 100 м от остальной части приемного устройства. Через экранированный кабель сигнал поступает на предварительные уси лители ПУ1 и ПУ2, приводящие сигнал к ,необходимому уровню. Режекторные филь,тры РФ1 и РФ2 осуществляют подавление гармоник сети.

Синхронно-избирательные фильтры

СИФ1 и СИФ2 осуществляют узкополосное выделение сигнала на частоте, задаваемой генератором ЗГ2. Частоты ЗГ1 и ЗГ2 должны совпадать во время проведения измерений, Амплитуды сигнала по и II каналам определяются блоками измерения амплитуд БИА1 и БИА2, разность фаэ компонент поля определяется измерителем фаз ИРФ.

Результаты измерений (амплитуды сигнала по I u II каналам и разность фаз между I u II каналами) записываются на регистратор (самописец, магнитный накопитель) и подаются на блок определения функции F (f) (БОР), затем на блок анализа (БА), определяющего искомые параметры модельного профиля проводимости, и на регистратор.

Сущность предлагаемого способа заключается в использовании эффекта поперечного резонанса полости

Земля-ионосфера, имеющегс> место для волн с частотами, близкими к 1 = /2 (где

m=1,2,... — порядок резонанса; с — скорость распространения электромагнитных волн в вакууме; h 60 — 90 км — характерная высота полости Земля — ионосфера для волн данного диапазона частот). Выражение 1 = / zp является точным резонансным условием для полости с резкими идеально проводящими границами, при этом на высоте ((равной в атом случае расстоянию между плоскостями) укладывается целое число полуволн, В общем же случае для вертикально неоднородной к аниэотроп ной модели ионосферы резонансное условие имеет вид где д<1 — проводимость. Земли;

0Ij (h ) — элементы тензора проводимости ионосферы, отнесенные к высоте;

L1, L2 — характерные масштабы изменения с высотой электронной концентрации и

55 частоты соударений ионосферной плазмы соответственно.

Для анизотропной модели ионосферы резонансные частоты — парные; соответствующие нормальным квазипоперечным магнитной (р=1) и электрической (р=2) модам волновода Земля — ионосфера; в изотропном случае имеет место вырождение пар.

Частоты поперечных резонансов достаточно чувствительны к состоянию нижней ионосферы. Следовательно, если обеспечить достаточно надежное выделение из прижимэемого сигнала относительного вклада полезного сигнала — переотражений в полости Земля-ионосфера в данном частотном диапазоне, измеряя и анализируя определенные характеристики полезного сигнала, можно в рамках модельных представлений определять профиль проводимости Д-области ионосферы.

Излучение радиоволн производят с помощью горизонтального магнитного диполя, Выбор укаэанного типа излучателя обусловлен его техническими характеристиками, э именно диаграммой направленности в вертикальной плоскости, Точнее, поскольку длина волны не мала по сравнению с высотой полости Земля-ионосфера, в пространственном спектре гориэонтального диполя в отличие от вертикального в достаточной мере представлены плоские волны с поперечным волновым числом ReKt

О, которые и приводят к резонансному усилению отдельных компонент поля при f (m, р) рез

Частоту излучения изменяют в диапазоне

1,5-8 кГц, Указанный диапазон изменения частоты определен из следующих соображений для возможности сопоставления результатов измерений на резонансных частотах диапазон должен включать не менее двух первых пар частот поперечных резонансов полости Земля-ионосфера.

Значения первой пары резонансных частот

fpg3 могут изменяться в пределах 1,5— (2,5 кГц, частоты резонансов высших поРЯДков 1реэ п1 fpea . m=2,3... BeP

mр) 1р хняя граница диапазона изменения частоты может быть принята равной 8 кГц, поскольку резонансы более высоких порядков (m

> 5) выражены, слабее и включение их в анализ повлечет снижение достоверности результатов.

Требование по обеспечению наибольшего относительного вклада полезного сиг1659934 о нала — переотражений в полости Земляионосфера может быть выполнено выбором оптимального места приема сигнала по отношению к излучателю. Расстояние р.от излучателя должно удовлетворять следующим 5 неравенствам;

Р»О =. q/j3 ko«ð (ñ 4Ь/k, 10 где а — характерный размер излучающей антенны (а«А) м;

А — длина волны излучения в вакууме, м;

Ео — диэлектрическая постоянная, Ф м с — скорость распространения электро- 15

-1, магнитных волн в вакууме, м с

äf1 — проводимость Земли., См м

Ко=2 л/Х вЂ” волновое число в вакууме;

h — характерная высота полости Земля — ионосфера, м. 20

Исходя из того, что в реальных условиях проведения измерений можно принять а (10 — 10 ) м, А 40 — 200 км, д 1 0 — 1б См м ", h 60-90 км, получаем 5

Направления оптимального приема от- 25 носительно направления магнитного диполя, соответствующие минимуму амплитуды прямой волны для данного диапазона частот, а следовательно, и наибольшему вкладу полезного сигнала, характеризуются углами (у =+ +— + arete —, (2)

И 4 опт — д 9 (При приеме измеряют две тангенциальные ориентированные вдоль (Н р) и попе- 35 рек (Н <р) выбранного направления компоненты магнитного поля, представляющие собой суперпозицию прямой волны и переотражений в полости Земля — ионосфера. Затем анализируют комплексную функ- 40 цию

1 (42 кГ Ко P +> ио Р -т flоР

F(f)= 1— — — е

Н » Л Нч koP (3) 45 где верхние знаки соответствуют направлениям, определяемым углами ,7Г

p= >+arctg 1/ч2, а нижние — углами 50 р = + +arctg 1/V2 . При этом положения

Л локальных максимумов функции /F {f) / либо локальных минимумов функции / ImF (f) / указывают значения резонансных час- 55 тот fpe3 m P, полости ЗемлЯ вЂ” ионосфеРа; а позначениЯм fpe3 Р), и паРным(по инДЕк(и р)

cy m) отношениям локальных максимумов функции / F(1рез р / в рамках модельных (m, р) представлений определяют параметры профиля проводимости D-области ионосферы.

В частности, отношение локальных максимумов функции /F (f) /суть p / () (- 4 Ео р I, ()

tr) II-e

5иР / (/ 47бо с (r;) (4)

fez (4ц где 0 (1,5 кГц, 8 кГц), m, k=1, 2, ..., mtk.

Частоты fpee соответствуют локаль(m) ным минимумам функции / ImF (f) / . Отличие последних от нуля обусловлено опущенными относительно малыми членами в (4). При f=Fmpee их влияние в (4) минимально (менее 10 по модулю для резонанса, менее 5% — для II резонанса, и т. д.), что оправдывает использование соотношения (4) для определения cTi, При этом

Таким образом, в результате измерения компонент поля Н р и Hp резонансные частоты fpee определяются из условия (m)

/fmF(f и )/ 101 /?!ПЕ(() Йлц

/F {<,-„ >/- 5..ð /F(f)/

f ED находится из выражения (4), hey дается выражением (5).

Пусть, например, в результате измерений тангенциальных компонент поля Hp u

Н р в указанном диапазоне частот и составления из них выражения (3) получен график нормированной функции / F (f) /, изображенный на фиг. 2. Локальные максимумы функции / Е If) У имеют место при fpeç

1 (з)

=1,94 КГц, fpee =3.93 кГц,fpee =5,85 кГц, Соответствующие им значения функции / F (fpee )/=Sup! F (f) равны

/F/ереэ /=1,0/F{fpez )/=083, / F (fpee) ) /= 0,73.

Беря попарные отношения этих величин, из выражения (4) находим значения пповодимости о), равныец; =7,9 10 s/m,ц2 =7,0х х10 s/m,|jf3 =6,1 10 s/m,oòêóäà среднее

-6 значение oj = о) /3=7,0 10 s/m .Подстав-6 ляя о) u fpee (m=1,2,3) в выражение (5), (уп) получаем Ьэф1= 75,2 км, heyz=74,8 км, hepta

75,7 км, осредняя, находим h>y 75,2 км.

Формула изоОретения

Способ определения эффективной высоты и проводимости D-слоя ионосферы, заключающийся в том, что излучают и принимают радиоволны километрового — ме1659934

С3

eel

О а

O. ч

2 3 9 5 b

Цасгпцгпо 03лЦиеныЯ i (кГц)

Юиа2 гаметрового диапазона, определяют эффективную высоту и проводимость D-слоя ионосферы, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности, излучение радиоволн производят с помощью горизонтально ориентированного магнитного диполя в диапазоне частот от нижней части резонанса полости Земляионосфера до частоты, соответствующей верхней границе выраженных резонансов полости Земля-ионосфера, прием радиоволн осуществляют в ближней зоне поля магнитного диполя в одном из направлений, определяемых углами

- р = + ë/ 2 +: агст9 1М2

Д относительно направления продольной оси диполя, измеряют амплитуды и разности фаэ двух тангенциальных ориентированных вдоль и поперек указанного направления

5 компонент магнитного поля, а определение эффективной высоты и проводимости 0слоя ионосферы осуществляют путем сопоставления измеренных амплитуды и разности фаз двух тангенциальных ориен10 тированных вдоль и поперек укаэанного направления компонент магнитного поля с табличными данными, 1659934

Фиг. 3

Фиг. 4

Составитель А.Кочин

Редактор А.Лежнина Техред М.Моргентал Корректор Н.Король

Заказ 1843 Тираж 377 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101