Интерференционные измерения ионосферных возмущений на Иркутском радаре некогерентного рассеяния

Формирование интерференционной ДН на ИРНР. ИРНР представляет собой моностатический импульсный радиолокатор с частотным сканированием в направлении Север-Юг в секторе ±30 ° путем изменения несущей частоты в диапазоне 154–162 МГц. Частота следования импульсов – 24,4 Гц [1].

Формирование широкой ДН в угломестной плоскости обеспечивает рупор, разделенный металлической перегородкой на две равные части (два полурупора), каждая из которых связана со своим приемным и передающим трактом и имеющих электрический контакт со щелевой панелью.

Возбужденная щелями волна распространяется в рупоре между разделительной перегородкой и нижней (западной)/верхней (восточной) плоскостью рупора. За счет резкого и несимметричного изменения размеров рупора за перегородкой, кроме основной волны, возникают волны высших типов. Эти волны, распространяясь далее по рупору с разными скоростями, приходят к его раскрыву с разными амплитудами и фазами.

В результате в раскрыве рупора получается несимметричное амплитудное распределение соответствующее нижнему и верхнему полурупору, максимум которого сдвинут соответственно в западном (восточном) направлении.

На излучение оба полурупора работают синфазно, т. е. можно считать, что в раскрыве рупора формируется поле, которое определяется только основной волной, т. е. в данном случае антенну ИРНР можно рассматривать как рупорную антенну без металлической перегородки. Прием и регистрация сигнала ведется отдельно на каждом полурупоре и ДН на прием верхнего и нижнего полурупоров определятся соответственно своим распределением поля. Таким образом, комплексно перемножая сигналы от верхнего и нижнего полурупоров можно сформировать интерференционную диаграмму направленности.

Интерференционные измерения на ИРНР. Основным объектом исследования в интерференционных измерениях, который связывают с характеристиками среды, является нормированный коэффициент корреляции радиолокационных сигналов принятых на двух и более разнесенных антеннах.

В работе [2] показано, что ИРНР может рассматриваться как интерферометр с базой A = 5м, эффек- тивной шириной гауссовой ДН передатчика и приемников у205 = 4,56 град. Для рассеивающей структуры гауссовой формы шириной cY и положением центра в направлении у0 (антенный угол места), получе но выражение для коэффициента корреляции п с уче- том специфики антенной системы ИРНР:

П = SN ■ exp ik _фу о

22 exp 22 2 2 С kф 22 2 + СО ^ 2(22 +о2)v , (1) где kф = 16° - наклон фазо-угломестной характеристики ИРНР; 2 = 0,067447, SN - отношение «сигнал-шум».

В эксперименте, для каждой задержки (дальности) могут быть определены: модуль коэффициента корреляции |п| и его фаза arg( n ), на основе выражения (1) могут быть получены: угол места центра тяжести цели у ₀ и характерный размер цели c _Y вдоль угломестного направления в антенной системе координат ИРНР:

2 _     ²ln (hl)² 2

^Y      2ln (| _n| ) + 2 ² k ² ,

_ ²2 +G 2 arg^)

^{Y 0} =   2 2       k '

Если в выражении (1) для аргумента когерентности arg( n ) характерный размер цели G_y устремить к бесконечности, тогда arg( n ) = 0, данный факт используется для абсолютной калибровки разности фаз между антеннами на EISCAT на основе интерференционных наблюдений НР – сигнала [3].

Динамика коэффициента когерентности, полученная в наблюдениях 15 февраля 2011 г. приведена на рис. 1. В измерениях использовался сигнал длительностью 200 мкс, частота 155.5МГц (длина волны 193 см). На рис. 1 отчетливо видны замерания сигнала, связанные с вращением плоскости поляризации (эффект Фарадея), в выражении для коэффициента когерентности (1) они описываются SN – отношением «сигнал–шум».

Рис. 1. Динамика амплитуды коэффициента когерентности 15 февраля 2011 г.

Рис. 2. Динамика разности фаз между полурупорами (кросскорреляционная фаза) 15 февраля 2011г.

Рис. 3. Высотный профиль кросскорреляционной фазы

Рис. 4. Динамика кросскорреляционной фазы (черная линия) и вариации плотности электронов (серая линия)

Измеренный модуль коэффициента корреляции 15 февраля 2011 г. согласно выражению (2) соответствовал ширине рассеивателя c _Y ® 2...3 ° или размеру неоднородности 8–13 км на высоте 250 км.

Динамика разности фаз между полурупорами, полученная в наблюдениях 15 февраля 2011 г., приведена на рис. 2. В измерениях использовался сигнал длительностью 750 мкс, частота 155,5 МГц.

Видно, что в диапазоне высот 300–400 км, кросс-корреляционная фаза сигнала НР практически посто- янна и может быть использована для абсолютной фазовой калибровки антенн [3]. Высотный профиль кросскорреляционной фазы: уровень до высоты 250 км соответствует отражению от местных гор, 270–420 км кросскорреляционная фаза сигнала НР (может использоваться для калибровки интерферометра), выше 450 км шум, приведен на рис. 3.

Динамика кросскорреляционной фазы сигнала НР и вариации плотности электронов в измерениях 15.02.2011 г. приведена на рис. 4. Из рисунка видно, что в рассматриваемый день наблюдаются синхронные возмущения как в кросскорреляционной фазе сигнала НР, так и в плотности электронов. Теоретически существует возможность связать скорость изменения фазы со скоростью ветра вдоль угломестного направления в антенной СК. Возможности ИРНР позволяют также исследовать коэффициент корреляции и в азимутальном направлении и получить в итоге размер (в азимутальном и угломестном направлениях) и полный вектор скорости мелкомасшатбных неоднородностей пересекающих сектор сканирования ИРНР.

Антенная система ИРНР может рассматриваться как интерферометр с базой 5 м, эффективной полушириной гауссовой ДН передатчика и приемников 4,55 град. Получено выражение, связывающее амплитуду коэффициента когерентности и эффективный размер неоднородности гауссовой формы и аргумент коэффициента когерентности (кросскорреляционная фаза) с положением центра наблюдаемого возмущения. Выражение для коэффициента когерентности получено с учетом особенностей антенной системы ИРНР. Показана возможность использования фазы коэффициента когерентности НР сигнала для абсолютной калибровки разности фаз между каналами антенны.

В результате проведенных измерений 15 февраля 2011 г. получена синхронная динамика вариаций кросскорреляционной фазы и плотности электронной концентрации. Полученная динамика вариаций кросс-корреляционной фазы сигнала НР и модуля коэффи- циента когерентности может быть вызвана перемещающимися неоднородностями размером примерно 10 км.