Предельные возможности доплеровского зондирования ионосферы

О состоянии ионосферы и о некоторых процессах, в ней происходящих, весьма удобно судить, используя пассивный метод, по доплеровским спектрам несущих сигналов удаленных радиостанций [1].

В настоящее время существуют компьютерные программы, позволяющие получить спектр сигнала в реальном времени (SpectraLab, Spectran, Argo и т.д.). Большинство программ осуществляет быстрое преобразование Фурье и работает лишь на низких частотах, до 10…15 кГц, определяемых параметрами АЦП звуковой карты компьютера.

При приеме сигнала несущей частоты удаленной радиостанции доплеровским методом могут быть обнаружены вертикальные перемещения отражающего слоя. Для этого мы использовали компьютерную программу Spectran, выложенную в Интернет для общего пользования итальянскими радиолюбителями.

Для переноса спектра сигнала несущей удаленной радиостанции с ее номинальной частоты в КВ-диапазоне на низкую звуковую частоту, пригодную для работы компьютера, необходим радиоприемник, поддерживающий режимы CW (телеграф) и SSB (однополосная модуляция). Обычные бытовые радиовещательные приемники, поддерживающие только режим АМ (амплитудной модуляции), в этом случае непригодны.

Многие профессиональные и полупрофессиональные приемники также оказались непригодными из-за низкой частотной стабильности их гетеродинов [2]. Действительно, для отслеживания малых доплеровских изменений частоты принятого сигнала (порядка 0,1 Гц и менее) в КВ-диапазоне (частоты порядка 107 Гц) нужна относительная неста

14 в ыпуск 3/2019

бильность частоты менее 10–8. Она на два порядка меньше, чем необходимая при обычной радиосвязи. Радиовещательные станции имеют необходимую стабильность частоты, поскольку применяют эталоны в своих задающих генераторах. Использование эталонов частоты в радиоприемниках превращает аппаратуру для доплеровских ионосферных исследований в уникальную, дорогую и исключает ее широкое применение.

Попытка решения проблемы привела к разработке «метода биений» [3], в котором для получения низкочастотного сигнала используются биения между несущими двух соседних по частоте радиостанций. Метод открыл возможность использования простых бытовых АМ радиоприемников, даже детекторных [4]. Недостаток метода состоит в необходимости поиска пары подходящих станций с разносом частот 5 или 10 кГц, а также в том, что ионосферные возмущения сигналов на двух разных трассах наблюдаются одновременно.

Несмотря на указанные недостатки, метод позволил уверенно судить о состоянии ионосферы [5]. В качестве примера приведена спектрограмма биений сигналов двух дальневосточных радиостанций в диапазоне 40 м (рис. 1).

Рис. 1. Спектрограмма сигнала биений от двух удаленных радиостанций

24 мая 2013. Начало 21:50, конец 22:20. Время заката в Москве. Настр. 7277. 7275 - KBS World Radio, 250 kW, 7280 - Voice of Vietnam, Hanoy, 100 kW. Расстояние до обеих станций около 8700 км

Длительность записи – полчаса, по горизонтали отложено время, по вертикали – частота биений. Если бы ионосферные искажения отсутствовали, на записи была бы горизонтальная прямая линия. В данном же случае ионосферные искажения велики, сигнал занимает полосу около 2 Гц и носит случайный характер. Создается впечатление, что он отражает не ионизированный слой, а отдельные глобулы или облака ионизированного газа, хаотически изменяющиеся во времени и перемещающиеся в пространстве.

Метод при выборе соответствующих трасс распространения сигнала позволил судить о включении нагревных стендов [6] и даже о локальных возмущениях ионосферы, вызванных запусками ракет [7]. На рисунке 2 показан фрагмент спектрограммы, записанный 28 августа 2015 г. Старт был в 14:44 МСК. Это время совпадает с началом фрагмента. На двух изображениях на рисунке 2 один и тот же кадр, но на правом обведено овалом возмущение ионосферы, произошедшее на 5-й минуте после старта.

Бережной А.В., Поляков В.Т. Предельные возможности доплеровского зондирования

Рис. 2. Пример записи кратковременного ионосферного возмущения при старте ракеты «Протон» из Байконура. Прием двух китайских радиовещательных станций диапазона 16 м в Москве

Расчет показывает, что ракете нужно 3…4 минуты, чтобы достичь ионосферы, и еще минуты полторы, чтобы пройти сквозь нее. Возможно, верхняя горизонтальная линия длительностью около 1,5 минуты со сдвигом частоты около 2 Гц (скорость около 30 м/с) вызвана сносом основной струи выхлопа ракеты ионосферным ветром, а наклонные линии с уменьшающимся доплеровским сдвигом – отражениями сигнала от краев образовавшейся в ионосфере «дыры», расходящейся сначала быстро, а потом все медленнее.

Этот и ему подобные эксперименты показали большие перспективы [8] и необходимость теоретической оценки возможностей описанного доплеровского метода. Запишем величину доплеровского смещения частоты:

2 V

A f = f0 —с—cosa, где f0 - несущая частота; Vслоя– вертикальная компонента скорости отражающего слоя или точки; с – скорость света; α – угол между вертикалью и направлением падающего луча. Особенность спектрального анализа состоит в том, что время наблюдения ∆t и разрешающая способность по частоте ∆f связаны соотношением

A t A f ^ 1.                                    (2)

Подставляя в это соотношение формулу (1), получаем

2 V^- f ₀cosa A t ^ 1.

Учитывая, что —=Л, где X - длина волны, а V At = AS, формулу (3) легко привести f0                                           слоя к следующему виду:

AS ^ — , 2cosα где ∆S - вертикальное перемещение отражающего слоя.

16 в ыпуск 3/2019

Формула (4) ясно показывает, что доплеровским методом могут быть обнаружены перемещения слоев порядка длины волны λ. Однако для реализации этой возможности необходимо правильно устанавливать время накопления данных (время наблюдения) и, соответственно, разрешающую способность программы спектроанализатора.