Содержание
Введение.............................................................5
1 Широкополосные сигналы, применяемые для зондирования ионосферы. Проблемы
расширения их полосы частот.......................................17
1.1 Ионосфера. Проблема дисперсного распространения в ней
сложных сигналов...............................................17
1.2 Эффективность применения для зондирования ионосферы сложных сигналов с различными значениями средних частот спектра.....................................................22
1.3 Существующие теории распространения в ионосфере
ЛЧМ сигналов и методики их согласованной обработки.............26
1.4 Возможность расширения полосы частот элементов зондирующих ЛЧМ сигналов путем адаптации их характеристик
к изменяющейся дисперсности среды..............................30
1.5 Выводы.........................................................;.......................................................34
2 Развитие методики исследования дисперсности распространения для различных средних частот спектров зондирующих ЛЧМ сигналов
со сверхбольшой базой.............................................35
2.1 Анализ методики определения ионограмм при зондировании _ ионосферы ЛЧМ сигналом со сверхбольшой базой................35
2.2 Обоснование методики получения информации о дисперсности среды распространения при зондировании ионосферы
ЛЧМ сигналом со сверхбольшой базой. Анализ дисперсности распространения от длительности
выборки ЛЧМ сигнала со сверхбольшой базой......................45
2.3 Влияние амплитудно-фазовой дисперсности на искажения элементов зондирующего ЛЧМ сигнала с различной длительностью выборки.......................................51
2.4 Методика определения полиномиальной модели функции т(0 в окрестности средней частоты спектра выборочного элемента
ЛЧМ сигнала....................................................57
2.5 Подход к компенсации эффекта фазовой дисперсности
в ЛЧМ сигналах с различной средней частотой спектра............64
2.6 Выводы........................................................68
3 Численное исследование эффектов фазовой дисперсности распространения для элементов ЛЧМ сигнала
с различными средними частотами спектра........................69
3.1 Модель профиля электронной концентрации в ионосфере
с учетом пространственно-временной изменчивости среды.......69
3.2 Методика определения частотной зависимости задержки сигнала при вертикальном падении на ионосферу на основе дискретных данных об электронной концентрации........................74
3.3 Создание методики определения спектров разностного сигнала в зависимости от средних частот выборочных элементов зондирующего ЛЧМ сигнала. Эффекты фазовой дисперсности
на частотах вблизи критической частоты ионосферного слоя....80
3.4 Методика определения спектров разностного сигнала
в зависимости от средних частот выборочных элементов зондирующих ЛЧМ сигналов при наклонном распространении в ионосфере............................................87
3.5 Исследование эффекта компенсации фазовой дисперсности
при распространении ЛЧМ сигнала со сверхбольшой базой.......91
3.6 Выводы.....................................................98
4 Развитие радиофизических методик натурных исследований дисперсного распространения
в ионосфере широкополосных элементов ЛЧМ сигнала с различной средней частотой спектра........................100
4.1 Программно-аппаратный комплекс для исследования дисперсного распространения ЛЧМ сигнала со сверхбольшой базой........100
4.2 Влияние сезонных условий и протяженности трассы на наклоны регулярной составляющей функции частотной зависимости задержки.................................................105
4.3 Результаты исследования дисперсионных уширений спектров выборочных элементов сигнала разностной частоты..........111
4.4 Исследование влияния компенсации частотной дисперсности фазы широкополосных элементов ЛЧМ сигнала на ширину
спектра соответствующих элементов сигнала разностной частоты 117
4.5 Исследование времени устойчивости компенсации частотной дисперсности фазы широкополосных элементов ЛЧМ сигнала...120
4.6 Выводы....................................................129
Заключение......................................................131
ЛИТЕРАТУРА......................................................133
4
Список сокращений
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
ВЗ - вертикальное зондирование (ионосферы)
дкм декаметровый (диапазон)
КВ - короткие волны
лчм линейно - частотная модуляция
МНЧ - максимальная наблюдаемая частота
МПЧ максимальная применимая частота
ННЧ наименьшая наблюдаемая частота
НЗ наклонное зондирование(ионосферы)
ІШП пакет прикладных программ
ФЧХ - фазо-частотная характеристика
Введение
Актуальность темы. Ионосфера Земли является средой распространения сигналов различных радиоэлектронных систем, обеспечивающих службы: погоды, телевидения, связи, навигации, а также решение других важных для обеспечения жизнедеятельности в современных условиях задач. Одними из ключевых свойств этой среды, негативно влияющих на распространяющиеся сигналы, является се дисперсность, обусловленная зависимостью скорости распространения от частоты, и пространственно-временная изменчивость характеристик, связанная с изменением положения Солнца и его спорадическими излучениями. В связи с этим, большой интерес с научной и практической точек зрения представляет разработка и совершенствование на основе современных достижений радиофизических средств дистанционного зондирования ионосферы, использующих эффекты распространения радиоволн. В различное время в решение данной проблемы большой вклад внесли: В Л. Гинзбург [2, 84], A.B. Гуревич [39], H.A. Арманд [5, 6, 12, 55, 60, 65, 72], J1.A. Вайнштейн [32, 38, 59], Д.С. Лукин [5, 35, 44, 45, 47, 50, 72], A.C. Крюковский [35, 47, 50, 52, 83, 85], А.П. Анютин [14], В.А. Иванов [30, 31, 70], В.И. Куркин [21, 40, 42, 71], А.П. Потехин [43], Ю.Н. Черкашин [41],
Н.В. Рябова [31, 70], Д.В. Иванов [20, 70], Л.М. Ерухимов [51].
В настоящее время одной из актуальных научных задач является развитие радиофизических методик обработки и анализа сигналов для повышения информационной эффективности методов зондирования ионосферы декаметровыми линейно-частотно-модулированными (ЛЧМ) и фазо-кодо-манипулированными (ФКМ) сигналами с учетом их сжатия в приемнике. Ионозонды с такими сигналами обладают рядом преимуществ перед традиционными импульсными. По этой причине их стали широко использовать для определения локальной динамики основных ионосферных параметров в режиме вертикального зондирования и для приема сигналов наклонного распространения с различных направлений. Главной проблемой повышения
6
эффективности является дисперсность распространения, тем большая, чем шире полоса частот спектра сигнала, которая приводит к уменьшению корреляции принимаемых сложных сигналов с излучаемыми сигналами, не позволяя простым способом увеличивать полосу сигнала. Поэтому важно проведение исследований возможности расширения полосы зондирующих сигналов с одновременной компенсацией дисперсности распространения при учете того, что дисперсность распространения, как и сама ионосфера, подвержена изменчивости.
Проведенный анализ показывает, что в настоящее время еще не все возможности ионозондов с ЛЧМ и ФКМ зондирующими сигналами использованы. Необходимо проведение исследований по учету изменчивости дисперсности среды распространения, по развитию теории распространения таких сигналов в ионосфере и развитию радиофизических методик адаптивной обработки их в приемнике. При этом теория должна учитывать новые возможные (адаптивные) методики обработки. Необходимо разработать методику, обеспечивающую устойчивое получение эффекта без дисперсного распространения широкополосных элементов ЛЧМ-сигнала при различных состояниях ионосферы.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании особенностей дисперсного распространения в ионосфере декаметровых линейно частотно модулированных радиосигналов с различной средней частотой спектра.
Задачами данной работы являются:
1. Анализ и классификация широкополосных сигналов, применяемых для зондирования ионосферы; анализ существующих проблем дисперсного распространения.
2. Развитие методики исследования дисперсности распространения для различных средних частот спектров зондирующих ЛЧМ сигналов со сверхбольшой базой.
3. Численное исследование эффектов фазовой дисперсности распространения для элементов ЛЧМ сигнала с различными средними частотами спектра.
4. Развитие радиофизических методик натурных исследований дисперсного распространения в ионосфере широкополосных элементов ЛЧМ сигнала с различной средней частотой спектра.
Методы исследования
Решение поставленных теоретических задач базируется на применении методов теории распространения радиоволн в ионосфере, методов математического анализа, вариационного исчисления, математической статистики. Исследование созданных методик проводилось с использованием современного метода численного эксперимента при задании характеристик ионосферы на основе международной модели. Натурные исследования проведены на основе проверенной в многочисленных экспериментах аппаратуры ЛЧМ ионозонда и созданного автором программного обеспечения. Эксперименты проведены на радиотрассах: Йошкар-Ола - Йошкар-Ола (вертикальное радиозондирование); Нижний Новгород - Йошкар-Ола; Инскип (Англия) - Йошкар-Ола; Иркутск - Йошкар-Ола; Кипр - Йошкар-Ола. При обработке экспериментальных данных использовались спектральные методы, статистические методы анализа данных.
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы определяются использованием адекватного математического аппарата, достаточным и статистически достоверным набором экспериментальных данных, хорошей согласованностью экспериментальных данных с результатами математического моделирования, повторяемостью результатов. Основные теоретические результаты проверены с помощью натурных экспериментов.
Положения, выносимые на защиту
1. Методики: определения частотной зависимости задержки сигнала в ионосфере с применением для зондирования последовательности элементов JT4M сигнала с различными средними частотами спектра; определения дисперсионных искажений широкополосных элементов ЛЧМ сигнала при изменении их длительности сверх критической; компенсации эффекта фазовой дисперсности в ЛЧМ сигналах с различной средней частотой спектра, отличающейся формированием комплексного сигнала разностной частоты на основе преобразования Гильберта и синтезом комплексного компенсирующего сигнала на основе данных ЛЧМ зондирования ионосферы.
2. Методики численного определения: частотной зависимости задержки сигнала в среде при вертикальном падении на основе дискретных данных об электронной концентрации и использования метода решения обратной коэффициентной задачи функционального анализа; спектров разностного сигнала в зависимости от средних частот выборочных элементов зондирующего ЛЧМ сигнала.
3. Установленный эффект уменьшения влияния дисперсионных искажений широкополосных элементов ЛЧМ сигнала из-за просачивания их высокочастотных спектральных составляющих в окрестности максимума слоя.
4. Алгоритмы обработки широкополосных элементов ЛЧМ сигнала со сверхбольшой базой для исследования дисперсного распространения и влияния компенсации частотной дисперсности фазы.
5. Закономерности: дисперсионных искажений элементов ЛЧМ сигнала от характеристик сигнала и среды распространения (ионосферы); поведения времени устойчивости компенсации фазовой дисперсности от относительной средней частоты элемента ЛЧМ сигнала, от порядка луча ионосферного распространения и от протяженности трассы.
9
Научная новизна работы
1. Разработаны новые методики: определения частотной зависимости задержки сигнала в ионосфере с применением для зондирования последовательности элементов ЛЧМ сигнала с различными средними частотами спектра; дисперсионных искажений широкополосных элементов ЛЧМ сигнала при изменении их длительности сверх критической; компенсации эффекта фазовой дисперсности в ЛЧМ сигналах с различной средней частотой спектра, отличающейся формированием комплексного сигнала разностной частоты на основе преобразования Гильберта и синтезом комплексного компенсирующего сигнала на основе данных ЛЧМ зондирования ионосферы.
2. Разработаны новые методики численного определения: частотной зависимости задержки сигнала в среде при вертикальном падении на основе дискретных данных об электронной концентрации и использования метода решения обратной коэффициентной задачи функционального анализа; спектров разностного сигнала в зависимости от средних частот выборочных элементов зондирующего ЛЧМ сигнала.
3. Впервые выявлен эффект уменьшения влияния дисперсионных искажений широкополосных элементов ЛЧМ сигнала из-за просачивания их высокочастотных спектральных составляющих в окрестности максимума слоя.
4. Впервые представлены закономерности: дисперсионных искажений элементов ЛЧМ сигнала от характеристик сигнала и среды распространения (ионосферы); поведения времени устойчивости компенсации фазовой дисперсности от относительной средней частоты элемента ЛЧМ сигнала, от порядка луча ионосферного распространения и от протяженности трассы.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Результаты исследования дисперсного распространения широкополосных ЛЧМ сигналов в зависимости от средней частоты спектра и состояния ионосферы могут быть использованы при создании новых систем передачи информации в декаметровом диапазоне и особенно систем цифрового
10
радиовещания, а также при создании новых систем зондирования ионосферы сложными радиосигналами.
2. Методики и алгоритмы обработки сигналов, обеспечивающие компенсацию фазовой дисперсности широкополосных ЛЧМ сигналов, могут быть использованы в системах радиосвязи для повышения их помехоустойчивости.
3. Результаты теоретических и натурных исследований дисперсного распространения сложных сигналов с учетом их сжатия могут служить предметом для дальнейшего развития комплексной проблемы распространения радиоволн.
Личный творческий вклад автора. Работа носит теоретико-экспериментальный характер. Натурные экспериментальные работы но зондированию ионосферы декаметровыми ЛЧМ сигналами со сверхбольшой базой, включенные в диссертацию, выполнены при поддержке коллег. Автор принимал непосредственное участие в обработке и анализе данных, а также их интерпретации. Автор разработал методики, алгоритмы и провел численные эксперименты по исследованию дисперсионных искажений элементов ЛЧМ сигнала в зависимости от средней частоты их спектра, по анализу эффекта компенсации фазовой дисперсии и влияния на устойчивость компенсации факторов изменчивости ионосферы. Автором получены все выносимые на защиту положения. Автором сформулированы научные выводы и положения.
Апробация работы н публикации. Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, были представлены на XXI и XXII всероссийских научных конференциях «Распространение радиоволн» (Йошкар-Ола, 2005, Ростов-на-Дону, 2008); LXI Научной сессии РНТО РЭС им. A.C. Попова, посвященной Дню радио (Москва, 2006); Х-ХП международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь - RLNC» (Воронеж, 2004 - 2006); 1-й Международной конференции
11
«Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике» (Суздаль, 2005), Второй всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» (Муром, 2006), Байкальских школах по фундаментальной физике (Иркутск, 2003-2006), а также на ежегодных конференциях Мар]ТУ «Итоги научно-исследовательских работ», секция «Радиофизика, техника, локация и связь» (Йошкар-Ола, 2003 - 2006).
По материалам диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Она содержит 145 страниц основного текста, 47 иллюстраций, 8 таблиц, список цитируемой литературы из 111 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна и практическая значимость, сформулированы цель и задачи исследований, приведены краткая характеристика и содержание работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.
В первой главе дается критический анализ современного состояния вопроса исследования возможности расширения полосы частот элементов зондирующих ЛЧМ сигналов путем адаптации их характеристик к изменяющейся дисперсности среды. Рассмотрены существующие теории распространения в ионосфере ЛЧМ сигналов и методики их согласованной обработки. Поставлена проблема дисперсного распространения элементов ЛЧМ сигнала в зависимости от средней частоты их спектра, поставлены актуальные задачи диссертационного исследования для преодоления выделенного противоречия: для расширения информационных возможностей ЛЧМ
ионозондов необходимо проведение исследований по учету изменчивости дисперсности среды распространения, развитию теории распространения элементов ЛЧМ сигнала в ионосфере, выявлению особенностей их
распространения в зависимости от средней частоты спектра и развитию радиофизических методик адаптивной обработки широкополосных элементов в приемнике. Сформулированы цели и задачи диссертационного исследования.
Вторая глава посвящена развитию методики исследования дисперсности распространения элементов зондирующих ЛЧМ сигналов со сверхбольшой базой с различными средними частотами спектров. Для этого теоретически обоснована методика определения частотной зависимости задержки сигнала в ионосфере с применением для зондирования последовательности элементов ЛЧМ сигнала с различными средними частотами спектра. Обоснована методика получения информации о дисперсности среды распространения при зондировании ионосферы ЛЧМ сигналом со сверхбольшой базой. В исследованиях дисперсного распространения для различных средних частот спектров выборок принимаемого сигнала был предложен подход изменения полосы элемента путем изменения длительности выборки сигнала разностной частоты, а средней частоты — путем изменения начала отсчета выборки. Показано, что в первом приближении элемент сигнала разностной частоты из-за частотной дисперсности фазы приобретает линейную частотную модуляцию. Впервые получены формулы для спектра сжатого в частотной области широкополосного элемента ЛЧМ сигнала и его ширины в условиях распространения элемента в радиоканале с амплитудно-фазовой дисперсностью. Решалась задача получения но упорядоченному множеству зашумленных значений частотной зависимости задержки сигнала непрерывных полиномиальных моделей. Полиномиальная модель экспериментального ряда значений функции предполагала, что он состоит из двух основных компонентов: регулярной и остаточной. Считали, что остаточная компонента -это высокочастотный по сравнению с регулярной компонентой процесс, удовлетворяющий условию случайности, т.е. ее распределение должно быть близко к нормальному, а математическое ожидание отсчетов остаточной компоненты равно нулю. В результате была теоретически обоснована методика
- Київ+380960830922