ГЛАВА 2
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КАНАЛА НА ОЦЕНКИ ИОННОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ
ТЕМПЕРАТУР
Физическим объектом, характеристики которого анализируются в этой главе,
является НР сигнал. Рассмотрим один период повторения зондирующих
радиоимпульсов длительностью Trep. Параметры ионосферной плазмы изменяются с
высотой, из-за этого мощность P(tj) и нормированная КФ рассеянного сигнала
r(tj,tj+tk) изменяются в зависимости от времени запаздывания tj О[0,Trep],
которое отсчитывается от переднего фронта излученного импульса. Интервал
корреляции сигнала tкор<< Trep, длительность импульсной характеристики фильтров
приемного канала ts<< Trep (здесь tкор и ts определяются по уровню 0.05 от
абсолютной величины соответствующих нормированных значений [58]). Сигналы с
различных периодов повторения некоррелированные. Плотность вероятности
множества значений НР сигнала инвариантна только по отношению к сдвигам во
времени, кратным периоду Trep. Поэтому НР сигнал можно рассматривать как
нестационарный шумоподобный процесс [59]. Иногда рассматривают процессы,
статистические характеристики которых повторяются с некоторым периодом как
периодически стационарные случайные процессы (или процессы с циклической
стационарностью) [60]. Применяемые в методе некогерентного рассеяния алгоритмы
корреляционного и спектрального анализа [2], [53] фактически предлагают
рассматривать НР сигнал, как совокупность реализаций нестационарного случайного
процесса при статистически идентичных условиях [61], что корректно, если в
течение времени наблюдения свойства рассеивающей среды существенно не
изменяются. Отметим, что характерным источником ошибок измерения оценок
параметров таких процессов является погрешность из-за неадекватности алгоритма
измерений измерительной задаче и статистическая погрешность [62]. Первая
погрешность возникает из-за применения измерительных алгоритмов, разработанных
для оценки параметров стационарных эргодичных процессов. Вторая погрешность
объективно ограничивает точность определения электронных и ионных температур.
Измеренные корреляционные функции НР сигнала зависят, во-первых, от
характеристик рассеивающей среды: спектра тепловых флуктуаций электронной
плотности, который является функцией электронной концентрации, ионной и
электронной температур, ионного состава, скорости дрейфа плазмы, частоты
соударений ионов с электронами. Во-вторых, они зависит от параметров
измерительной установки [63, 64]: длительности и формы зондирующего
радиоимпульса, импульсной характеристики приемного канала, характеристики
восстановления антенных коммутаторов и других. В третьих, высотные зависимости
измеренных нормированных спектральных или корреляционных функций зависят от
высотного распределения мощности сигнала [46]. Таким образом, имеется сложная
связь между измеренными характеристиками рассеянного сигнала, теоретическим
спектром тепловых флуктуаций электронной плотности и характеристиками
ионосферной плазмы, такими как электронная концентрация, ионная и электронная
температуры. В первом подразделе этой главы предлагается и обосновывается метод
представления НР сигнала и выводятся основные соотношения для КФ сигнала, как
нестационарного процесса, на выходе линейного измерительного канала. Во втором
подразделе производится математическое моделирование измеренных КФ, расчет по
ним разными способами высотных зависимостей ионных и электронных температур и
их сравнение с исходными профилями, рассчитанными по модели IRI-95. В 3-м
подразделе рассчитывается статистическая погрешность определения ионной и
электронной температур и влияние на точность их измерения аналого-цифрового
преобразователя. Необходимые для расчета статистические характеристики шума
приемного канала определялись экспериментально [65]. Материалы главы
опубликованы в работах [48], [55], [63-65], а также представлялись на XVI
Международную конференцию по распространению радиоволн в г. Казани в 1999 г.,
на международные конференции MicroCAD-1999 в г. Харькове в 1999г. и
“Математические методы в электромагнитной теории MMET 2000” в г. Харькове, в
2000 г.
2.1. Анализ корреляционной функции НР сигнала на выходе измерительного канала
2.1.1. Введение обобщенной схемы измерительного канала.
На рис. 2.1 приведена обобщенная схема измерительного канала, полученная на
основе схем, приведенных на рис. 1.6, рис. 1.7 и рис. А1 в приложении А.
Рис. 2.1. Обобщенная схема измерительного канала.
Она включает основные узлы радара НР и канал распространения радиоволн.
Рассмотрим работу измерительного канала и введем характеристики отдельных
узлов, которые будут необходимы для дальнейшего анализа.
Схема содержит радиопередающее устройство (РПУ) и антенно - фидерное устройство
(АФУ), канал связи ( ионосферу ), приемный тракт, анализатор статистических
характеристик сигнала - коррелятор и вычислитель физических параметров
ионосферы – преобразователь нормированных КФ (НКФ) в ионную и электронную
температуры.
РПУ генерирует сигнал, представляющий периодическую последовательность
радиоимпульсов с частотой заполнения f0 = 158 Мгц с огибающей U(t), близкой к
прямоугольной, и длительностью TSI. В комплексной форме его можно представить в
виде
f1(t) = U(t)·exp(j2pf0t), (2.1)
где U(t)=UM, при tЈTSI, U(t)=0, при t>TSI.
Зенитной антенной системой формируется сигнал с круговой поляризацией, который
излучается в пространство. Сигнал F(t), рассеянный на тепловых (пространственно
- временных) флуктуациях электронной плотности DN(z,t) определяется следующим
выражением [43]
- Київ+380960830922