Развитие цифровых методов обработки ионосферных сигналов

I Введение. 3
II Глава 1. Методы обработки ионосферных сигналов. 7
§1.1 Распространение декаметровых волн в ионосфере. Основные оценки, модель сигнала. 7 §1.2 Классический метод доплеровской фильтрации ионосферных сигналов. 14
§1.3 Основы теории оптимального приема. 19
§1.4 Решение задачи разрешения подобных сигналов методом максимального правдоподобия.
26
§ 1.5 Решение задачи обнаружения сигнала. 34
§ 1.6 Доплеровская фильтрация методом максимального правдоподобия. 37
§ 1.7 Доплеровская фильтрация на основе разностного уравнения. 41
§1.8 Принцип обработки нсортогоиальных сигналов. - 46
Глава 2. Разработка комплекса аппаратуры для присма ионосферных сигналов. 50
§2.1 Описание комплекса аппаратуры для приёма ионосферных сигналов. 50
§2.2 Оценка возможностей комплекса аппаратуры. 54
§2.3 Исследования возможностей метода доплеровской фильтрации, проведённой с помощью виртуальных генераторов. , 65
§2.4 Результаты эксперимента с двумя звуковыми генераторами. 72
§2.5 Результаты исследований возможностей метода максимального правдоподобия с помошью имитатора сигнала. 80
§2.6 Структура ионосферного сигнала на интервалах десятков секунд. 87
Ш Глава 3. Развитие .методов обработки ионосферных сигналов. 96
§3.1 Модель ионосферного сигнала с мультипликативной помехой. 96
§3.2 Поляризационные характеристики выделенных во времени мод сигнала. 102
§3.3 Метод оценки параметров ионосферного сигнала по времени группового запаздывания.
112
§3.4 Результаты модельных исследований метода оценки параметров по групповому запаздыванию. 115
§3.5 Оценка параметров ионосферного сигнала. 123
§3.6 Оценка параметров ионосферного сигнала по экспериментальным данным. 129
§3.7 Решение проблемы одновременного повышения точности оценки времени приёма радиоимпульса и его частоты. 140
IV Заключение. 145
V Список используемой литературы. 148
2
Изучение »опросов распространения, приёма и обработки ионосферных сигналов продолжает оставаться актуальной областью исследований. Это обусловлено как научными целями, так и практической необходимостью. Научные цели связаны, в первую очередь, с необходимостью получения информации о сложных и не полностью изученных процессах, происходящих в ионосфере под действием внутренних факторов, а также под действием космического и солнечного излучения. Наклонное зондирование ионосферы с помощью коротких радиоволн позволяет практически мгновенно обнаруживать волнообразные процессы, обусловленные природными (землетрясения, 1розы, торнадо и т.д.) и антропогенными (взрывы, запуски ракет) факторами. Оно даёт возможность изучения солнечно-земных связей, влияния космического излучения на атмосферу Земли. Развитие данной тематики даёг возможность решения одной из важнейших задач — задачи мониторинга ионосферы методами наклонного зондирования в коротковолновом диапазоне.
Сложность ионосферных сигналов, обусловленная многолучёвостью, рассеянием, анизотропностью и дисперсионностыо среды распространения - ионосферы, неоднородностью и нсстационарностыо, предопределяет вторую важную научную цель исследований. Она связана с развитием теории и методов обработки ионосферных сигналов с целью получения полной и достоверной информации о процессах, происходящих в ионосфере. В настоящее время с развитием микроэлектроники и вычислительной техники появляются новые возможности обработки ионосферных сигналов. Они связаны с развитием теории обработки сложных сигналов, с разработкой новых методов обработки, отличающихся высокой точностью и достоверностью. Основой при этом являются положения теории оптимального приёма.
Практическая необходимость развития исследований в области приёма и обработки ионосферных сигналов связана с разработкой и модернизацией сложных комплексов аппаратуры, использующих ионосферные сигналы. К ним относятся ионосферные системы связи, пеленгационные комплексы аппаратуры, системы локации в области дскаметровых волн, включая загоризонтную локацию, навигационные системы.
Одной из наиболее важных задач в области приёма и обработки ионосферных сигналов является задача разделения лучевой структуры сигнала. При реше-
3
нии этой задачи исключаются интерференционные изменения сигнала, и появляется возможность получения достоверной информации об отдельных частях ионосферы. В настоящее время задача разделения лучевой структуры сигнала решается методом доплеровской фильтрации. Основой метода доплсровской фильтрации является очень малая ширина спектральных линий ионосферных сигналов. При спокойной ионосфере ширина линии спектра (зеркальное отражение) достигает десятых и сотых долей Гц. В результате относительного перемещения области отражения отдельного луча позволяют осуществить их частотное обнаружение и выделение за счёт эффекта Доплера. Однако ионосферные сигналы в этих случаях должны иметь интервал стационарности -70-400 с. В периоды возмущённой ионосферы, наиболее интересные с точки зрения обнаружения, изучения и диагностики ионосферных возмущений, интервал стационарности ионосферных сигналов существенно уменьшается до 5+-20 с и менее. В этих условиях использование цифрового снскчрального анализа, основанного на преобразовании Фурье, оказывается неприемлемым. В этом случае разрешающая способность оказывается недостаточной для разрешения лучевой структуры ионосферных сигналов. Таким образом, классический метод доплсровской фильтрации ионосферных сигналов оказывается ограниченным областью стационарных сигналов. При использовании этого метода на интервалах выборки данных больших, чем интервал стационарности возникают искажения доплеровского спектра вплоть до появления ложных спектральных линий. Ионосфера в этом случае осуществляет модуляцию зондирующего сигнала по амплитуде, фазе и частоте.
В работе /1/ рассмотрена возможность доплсровской фильтрации ионосферных сигналов на основании положений теории оптимального приёма /2,3,4,5,6/. Основным результатом этой работы является разработка алгоритма с высокой разрешающей способностью, позволяющего получать доплсровский спектр на интервалах -20 с но сравнении с 80-ю секундами при классической доплеровской фильтрации. Этот результат основан на том, что узкие спектральные линии ионосферного сигнала (доли Гц) дают возможность получения N-1000^-2000 некоррелированных по шуму отсчётов в выборке данных. В результате чего отношение сигнал/шум относительно выхода приёмника может быть увеличено в >/77 раз, т.с. на -30 дБ. Однако данные исследования нуждаются в экспериментальной проверке. Кроме
того, в работе /1/ не была учтена амплитудная нестационарность ионосферных сигналов, связанная с явлениями фокусировки, дефокусировки, поглощением, изменением поляризации. Все эти явления приводят к нестационариости ионосферных сигналов, что в свою очередь создаёт мультипликативную помеху. Наличие помех такого рода является характерной особенностью ионосферных сигналов. Теоретической основы для обработки сигналов с такого рода помехами практически нет.
При приёме ионосферных сигналов одной из важных задач является задача обнаружения сигнала. Она сравнительно легко решается при больших отношениях сигнал/шум. Однако при существенном ослаблении сигнала за счёт большого поглощения или малых значений критических частот отдельных областей ионосферы эта задача практически не решена. Сложностью её решения является зависимость энергии сигнала от времени на интервалах интерференционных изменений. В теории оптимального приёма задача обнаружения сигнала в условиях многолучевого приёма не рассматривалась. Однако она может быть решена за счёт использования методов корреляционного или спектрального анализа с подавлением эффект интерференции. В этом случае появляется возможность получения легальной информации о распространении радиоволн за счёт отражения от локальных неоднородных образований в ионосфере.
Указанные выше задачи могут быть успешно решены при создании современного комплекса аппаратуры, позволяющего использовать существующие достижения в области цифровой обработки сигналов. Комплекс должен обладать большим динамическим диапазоном для регистрации как слабых, так и сильных сигналов. Он должен позволять фиксировать суточные изменения сигнала и его параметров, а также иметь возможность отображать информацию на малых интервалах времени (~1 с). В настоящее время такая возможность имеется. Например, при объединении аналоговой части комплекса с существующими цифровыми устройствами регистрации и отображения данных типа «SIGMA».
Таким образом, настоящая диссертационная работа направлена на развитие методов обработки сложных ионосферных сигналов с целью повышения точности и достоверности получаемой информации об ионосфере. В диссертационной работе решаются следующие задачи.
1. Развитие положений теории оптимального приема в приложении к ионосферным сигналам
2. Разработка и создание современного цифрового комплекса аппаратуры для приёма ионосферных сигналов.
3. Проведение модельных, макетных и экспериментальных исследований метода доплеровской фильтрации с высоким разрешением.
4. Экспериментальные исследования поляризационной структуры ионосферных сигналов.
5. Создание метода обработки импульсных ионосферных сигналов.
6
II Гпава 1. Методы обработки ионосферных сигналов.
§1.1 Распространение декаметровых волн в ионосфере. Основные оценки, модель сигнала.
Радиоволны декаметрового диапазона с длинами волн А = 10 -*■ 100 м распространяются на большие расстояния вдоль поверхности Земли за счёт отражения от ионосферы /7,8,9/. Вертикальный профиль электронной концентрации ионосферы является достаточно сложным (рис. 1.1.1).
Он состоит из нескольких чётко выраженных слоев, определяемых как Е, Р1, Р2. При отражении радиоволны от каждого слоя в точке приёма отмечаются нижний и верхний лучи. Вследствие анизотропных свойств ионосферы имеет место явление двойного лучепреломления. В точку приёма, как правило, приходят несколько лучей, которые создают сложное интерференционное распределение поля /10-15/. Таким образом, явление многолучёвости распространения декаметровых волн является достаточно типичным. Из-за малости угловых различий лучей, отражённых от ионосферы, квазипериод пространственного распределения поля оказывается большим. Он существенно превышает типичные размеры антенных систем в об-
Ь,КМ
11
ласти коротких волн (Ь~100-г200 м). В результате невозможно выделить лучевую структуру ионосферного сигнала за счёт углового разрешения узких диаграмм направленности антенных систем /16/. Диаграммы направленности антенных систем с апертурой Ь~150 м определяют ширину азимутальной диаграммы направленности -10°, а ширину угломестной диаграммы направленности ~ 304-45°. Угловое различие лучей для среднеширотной зрассы протяженностью 2400 км представлено в следующей таблице /1/.
Таблица 1.1.1 Трасса «Свсрдловск-Калининград»
Слой ионосферы Средние значения Диапазон изменения в течение суток
а Р а Р <7*
Е 0° 0,25° 1° 0,65° ±0,7° 0-3° 0,1 -0,5° 0,3-г-1°
Р1 0,6° 0,31° 7° 0,93° ±1,2° 3-90 0,1 -0,5° 0,5+1,2°
Г2(в) 1,2° 0,4° 13° 2,1° ±1,7° 7-М 8° 0,08-0,8° 0,5-25°
Р2 - - 23° 2,5° о #» +1 18-28° - -
Без раздел. Лучей - - - - ±4° 1-М 5° 1-4° 3+20°
Данные получены на трассе «Свердловск - Калининград» при измерении азимутов а и углов места /? на угломерной установке с антенной системой, состоящей из 48 вибраторов, расположенных на окружности диаметром 164 м. Разделение лучей осуществлялось за счёт различия времен запаздывания при зондировании короткими радиоимпульсами длительностью ~ 200 мкс. Как видно из таблицы различие азимутов не превышает ±4°, а углов места 5-И 5°. Усреднение проводилось на интервале равном приблизительно 1 минуте. Рабочая частота равняется 11 МГц. Гистограммы углов места для рабочих частот 11 МГц и 16 МГц показы на рисунке
1.1.2. Таким образом, регулярная слоистая структура ионосферы создает устойчивый спектр лучей ионосферного сигнала. Вследствие динамики ионосферы интерференционное распределение поля меняется, создавая доплеровские частоты отдельных лучей.
8
Регулярные изменения догшеровских частот обусловлены относительным движением отдельных слоёв в утренние и вечерние часы. Нерегулярные изменения обусловлены в первую очередь перемещающимися ионосферными возмущениями.
Рис 1.1.3
На рис 1.1.3 показана гисгофамма горизонтальных размеров этих возмущений. Пространственный квазипериод меняется от 20 км до 200 км с наиболее вероятным значением 50 км. На рис 1.1.4 показана гистограмма скорости движения перемещающихся ионосферных возмущений /17,18/. Диапазон изменения скорости от 30 м/с до 200 м/с со средним значением около 100 м/с. Следовательно, перемещающиеся ионосферные возмущения пересекают трассу распространения радиоволн за
9
-500 с. Это приводит к квазипериодическим изменениям амплитуды и доплеров-ского сдвига частоты.
0 00 /00 /00 У, */1 /90*
3
Рис 1.1.4
Учитывая, что период стационарности ионосферы составляет -1/20 от времени действия ионосферного возмущения, можно его оценить временем в -25 с. Более точные оценки квазипериодов возмущений следующие. Они меняются от 4 до 25 минут с наиболее вероятным значением -10 минут. Следовательно, периоды стационарности меняются в пределах от 12 с до 75 с. Эти цифры показывают, что применение интервала обработки -40 с возможно лишь при спокойной ионосфере, когда трассу пересекает достаточно крупные перемещающиеся ионосферные возмущения. Для широкого спектра более мелких возмущений классический спектральный анализ может давать ложную информацию.
На рис 1.1.5 показаны изменения доплеровского сдвига частоты при вертикальном зондировании ионосферы. Отражение происходит от ¥2 области ионосферы. Отмечаются достаточно чёткие периодические изменения доплеровских сдвигов частот с квазипериодом - 20 мин. Максимальные значения доплеровского сдвига частоты по модулю не превышают ± 0,2 Гц.
//
■ ЛИ. .
//
.1 ..I I_______«Г I >1 ..I ^______________1 I
0 /; гч
Рис 1.1.5
На рис 1.1.6 показаны временные изменения амплитуд £/, ,С/2, азимутов ах,а2, углов места Д ,/?2, измеренных на трассе Свердловск - Калининград на частоте/=11 МГц. Разделение лучей осуществлялось за счёт временного запаздывания при зондировании ионосферы короткими радиоимпульсами длительностью ~200 мкс. Из рисунка видно, что даже на больших временных интервалах порядка 6-г-7 мин лучевая структура практически не меняется. В то же время, амплитуды двух лучей меняются на интервале ~30 с.
11
Рис 1.1.6
I Гриведенные рисунки дают возможность качественно оценить динамику ионосферы.
1. Ионосферный сигнал является совокупностью нескольких лучей (1*4), отраженных от разных областей ионосферы и отличающихся амплитудой, начальной фазой, доплеровским сдвигом частот.
2. Широкий спектр различных ионосферных возмущений определяет динамику параметров каждого луча. Амплитуда и доплеровские сдвиги частот отдельных лучей являются функциями от времени с практически одинаковыми квазипериодами. Модель ионосферного сигнала может быть определена выражением
5(Я,/) = £ ит (/) ехр(/гуя (00,
1.1.1
ш«1
где Я - вектор параметров сигнала.
Зависимость амплитуды С/в(/)от времени определяется изменением поляризации, фокусировки и дефокусировки. Зависимость доплеровских сдвигов частот со„(1)
12
определяется относительными перемещениями областей отражения или за счёт изменений фазового пути от времени.
3. Квазипериод амплитудных и частотных изменений составляющих сигнала имеет один и тот же порядок. В результате происходит модуляция параметров сигнала различными возмущающими факторами в ионосфере. Характер модуляция параметров сигнала является случайным. Это приводит к существенной мультипликативной помехе.
13