Новые подходы и методы ионозонда «ТОМИОН»

К настоящему времени в мире для задач вертикального радиозондирования ионосферы достаточно широкое распространение получили такие системы, как ионозонд «Парус» («ИЗМИРАН»), CADI (Канада), «Циклон» (Казанский государственный университет), Digisonde (США) и цифровой ионозонд “Dynasonde-21” (Scion Associates Inc. & Dynasonde Solution Ltd., США). Среди перечисленных ионозондов наиболее гибкой и функциональной системой до последнего времени являлся цифровой ионозонд “Dynasonde-21”, который выполнен на идеологии Диназонда.

По мнению разработчиков, передовыми методами исследования ионосферы являются методы Диназонда, поэтому сравнительный анализ разработанного ионозонда «ТОМИОН» проводится с наилучшей разработкой наших американских коллег — ионозондом «Dynasonde-21».

1. Технические характеристики и принципы работы сетевого ионозонда «ТОМИОН»

Сетевой ионозонд «ТОМИОН» реализует принципы Software Defined Radio и совместим с методами и режимами ионосферного радиозондирования, применяемыми в концепции Диназонд.

Российский автоматизированный цифровой сетевой ионозонд нового поколения обладает следующей новизной:

• Прибор является единственным в мире полностью цифровым устройством. Его реализация осуществилась в 2010 году, поскольку раньше такой прибор технически невозможно было создать по причине отсутствия аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей с частотой дискретизации 100 МГц и выше.
• Прибор представляет собой универсальную установку. Оператор выбирает режим работы наиболее подходящий для поставленных научно-исследовательских и практических задач.
• Прибор имеет следующие параметры установки: Точность измерения по времени сигнала 10 нс (предел аналогов 10 мкс); разрешение 1,5 м по высоте, за счет прямого измерения (аналоги 150 м, за счет косвенных методов измерения); время зондирования 1 с (аналоги 2-3 мин).

Установка с такими параметрами позволяет с высокой точностью восстанавливать профиль, трехмерное распределение и определять мелкомасштабные неоднородности влияющие на радиосвязь.

Основные технические характеристики цифрового ионозонда «ТОМИОН» и имеющихся аналогов.

Согласно таблице, разработанный сетевой ионозонд «ТОМИОН» по основным техническим характеристикам превосходит ионозонд «Dynasonde-21». В ионозонде «ТОМИОН» частота дискретизации I и Q  компонент составляет 100 МГц, в отличие от «Dynasonde-21», в котором частота дискретизации всего лишь 100 кГц. Указанный момент кардинальным образом улучшает разрешение по пространственным координатам и, в частности, по высоте или дальности. Главной особенностью является прием сигналов на фазированную антенную решетку, состоящую из 7 антенн, что позволяет  измерять не только доплеровское смещение частоты лучей (при многолучевом отражении), но и углы прихода сигналов.

Идея Software Defined Radio (SDR) развивается в течение нескольких последних лет. Примером реализации данного подхода могут служить открытые проекты: GNU Radio (http://gnuradio.org) и High Performance Software Defined Radio (http://hpsdr.org). Аналогичная идея активно эксплуатируется разработчиками систем сотовой связи и систем специального назначения («Cognitive Radio»). Однако, научные применения таких систем пока немногочисленны, и для зондирования ионосферы Земли широко не применяются.
Сетевой ионозонд «ТОМИОН» выполнен по стандартной схеме, характерной для многих известных ионозондов. Отличительной чертой ионозонда «ТОМИОН» является цифровое представление излучаемых и принимаемых ВЧ–сигналов. Все цифровые блоки (ЦАП и АЦП) ионозонда выполнены в виде PCI плат. Управление ионозондом осуществляется персональным компьютером. Структурная схема сетевого ионозонда «ТОМИОН» представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема сетевого ионозонда «ТОМИОН»

Самым главным отличием разработанного сетевого ионозонда «ТОМИОН» от цифрового ионозонда «Dynasonde-21» является два принципиально важных момента.

Первый момент, это замена интерфейса управления и сбора данных USB на интерфейс PCI. Эта замена позволила осуществить зондирование ионосферы на мощности излучаемого сигнала, превышающего 2 кВт. При использовании цифрового ионозонда «Dynasonde-21» на мощности излучаемого сигнала, превышающего 2 кВт, происходят сбои в интерфейсе сбора данных радиозондирования, который реализован на USB.

Второй момент, все функции корреляционного приема и обработки данных осуществляет многоядерный процессор управляющего компьютера, а не стандартные цифровые микросхемы. Это обстоятельство является новым, не имеющего аналогов в мире, и позволяет реализовывать любые схемы радиозондирования путем программирования. При этом нет необходимости что-то менять в технической реализации ионозонда. На сетевом ионозонде «ТОМИОН» можно реализовать любой режим работы всех известных на сегодняшний день ионозондов мира. Для этого достаточно написать соответствующее математическое обеспечение. На ионозонде «ТОМИОН» можно осуществить все режимы работы ионозондов: «Парус», CADI, «Циклон», Digisonde, а также «Dynasonde-21» и других.
При этом в сетевом ионозонде «ТОМИОН» реализованы лучшие моменты, которые используются в ионозонде «Dynasonde-21».

Первый момент, реализована функция калибровки всего антенно-фидерного тракта прямо в режиме радиозондирования. Это обстоятельство позволяет с высокой точностью проводить фазовые измерения и реализовывать принцип стационарной фазы, который позволяет существенно повысить точность по определению дальности отраженного сигнала. Авторы считают, сто если в ионозонде нет возможности контроля калибровки антенно-фидерного тракта в режиме радиозондирования, то результатам фазовых измерений можно доверять только косвенно, а метод стационарной фазы реализовать вообще невозможно.
Второй момент, реализовано предварительное усиление сигнала на приемные антенны с целью компенсации потери уровня сигнала при прохождении антенно-фидерного тракта. Это усиление осуществляется с помощью специально разработанных приемных антенных усилителей, способных работать при температуре окружающего воздуха от +50^оС до -60^оС.

Третий момент, весь приемный фидерный тракт выполнен в стандарте витой пары 7Е категории, что существенно упрощает и удешевляет в целом всю систему.

2. Программное обеспечение для работы ионозонда «ТОМИОН» в режиме Диназонда

Для обеспечения работоспособности системы (проведения зондирования, обработки эхо-сигнала и определения ионосферных параметров) был разработан пакет прикладных программ. Процесс обработки данных радиозондирования ионосферы происходит поэтапно. Вначале производится выбор сценария радиозондирования и задается необходимая форма зондирующего импульса. Далее проводится сеанс зондирования с последующим определением эхо-сигналов. Процесс обработки заключается в вычислении углов наклона электронной концентрации, вычислении скоростей дрейфа электронной плотности, инверсии ионограмм, и визуализации полученных параметров плазмы. Полученные результаты радиозондирования заносятся в локальную базу данных, выборочные параметры отсылаются в Росгидромет и Мировой центр баз данных.

Так как для разных исследований возможны разные варианты зондирования, то пользователь сам в праве выбирать именно те режимы и ту последовательность операций, которые ему необходимы для поставленной цели. Типовой сеанс радиозондирования на разработанном ионозонде «ТОМИОН» состоит из последовательных восьми этапов:

1. Быстрое зондирование по заранее рассчитанной таблице частот.
2. Предварительная обработка принятых эхо-сигналов для определения количественного распределения всех следов на ионограмме.
3. Дополнительное зондирование для более точного определения местонахождения на ионограмме отсечек отраженных сигналов в E, Es, F1 и F2 областях ионосферы.
4. Анализ местонахождения на ионограмме отсечек отраженного сигнала в E, Es, F1 и F2 областях ионосферы. Точное местонахождение отсечек отраженного сигнала в основных областях ионосферы необходимо для точного воспроизведения высоты в максимуме электронной концентрации каждой области ионосферы.
5. Дополнительное зондирование для более точного определения мелкомасштабных неоднородностей в ионосфере на интересующих пользователя частотах, полученных в результате предварительной обработки принятых эхо-сигналов.
6. Полная обработка и анализ полученной трехмерной ионограммы.
7. Инверсия ионограммы – восстановление высотного профиля электронной концентрации в ионосфере.
8. Запись данных зондирования в базу данных.

Все численные операции предварительной обработки принятых эхо-сигналов и анализа местонахождения на ионограмме отсечек отраженного сигнала в E, Es, F1 и F2 областях ионосферы происходят практически в реальном времени. А полная обработка и анализ полученной трехмерной ионограммы осуществляется позже зондирования и занимает несколько секунд.

Все перечисленные восемь этапов радиозондирования изначально заложены в разработанное математическое обеспечение. Пользователь ионозонда «ТОМИОН» может поменять стандартную схему зондирования (удалить описанные или добавить другие этапы зондирования). Есть возможность сохранения выбранного сценария радиозондирования, а также загрузки ранее сохраненных сценариев. По сформированному сценарию в дальнейшем будет осуществляться весь сеанс радиозондирования.

Методика выделения эхо-сигналов заключается в применении корреляционного приема, с использованием излученного сигнала. Далее происходит разделение на обыкновенную и необыкновенную компоненты. Если у эхо-сигнала Δφ >0, то это необыкновенная мода, а если Δφ < 0, то это обыкновенная мода (обычно значения Δφ близки к +90^o и -90^o соответственно). В результате получаются ионограммы с разделенными компонентами. Все последующие функции выполняются раздельно для I и Q компонент. В этих функциях используются различные критерии выделения сигнала на фоне эфирного шума. Критерием выделения эхо-сигналов является; превышение амплитуды сигнала выше рассчитанного динамического порога, соответствие по углам прихода и по доплеровскому смещению эхо-сигналов. Все эти критерии позволяют однозначно выделять эхо-сигналы на фоне шума.

Дополнительное зондирование позволяет более точно определить местонахождения на ионограмме отсечек отраженных сигналов в E, Es, F1 и F2 и оценить пространственные характеристики и структуру мелкомасштабных неоднородностей в ионосфере. Это зондирование происходит на частотах, полученных в результате предварительной обработки принятых эхо-сигналов.

Применение фазовых измерений также существенно расширяет возможности системы. В частности можно определять углы наклона электронной концентрации над областью зондирования. Углы наклона электронной плотности определяются в зависимости от действующей высоты.

Для вычисления истинной высоты ионосферных слоев используется метод инверсии ионограмм. Задача инверсии ионограммы – пересчитать действующие значения высот в истинные высоты. Результаты инверсии представлены на рисунке 2. Здесь слева вверху представлены зависимости плазменной частоты для обыкновенной (темно серый цвет) и необыкновенной (светло серый цвет) компонент от действующей высоты и рассчитанный профиль плазменной частоты от истинной высоты (черный цвет). Справа вверху представлены углы наклона электронной концентрации в градусах (направление Север – Юг черный цвет, направление Восток – Запад серый цвет). Также в нижней части рисунка 2 представлено трехмерное распределение плазменной частоты от высоты в угле раскрыва излучающей антенны. Так как телесный угол раскрыва излучающей антенны составляет 30^o, то геометрические размеры определяемых мелкомасштабных неоднородностей зависят от высоты (диаметр высотных разрезов плазменной частоты, представленной на рисунке 2 равен высоте ионосферы).

Рисунок 2. Пример предоставления данных радиозондирования

В дополнении к представлению данных, изображенных на рисунке 2, есть возможность просмотра данных радиозондирования на любой высоте в угле раскрыва излучаемой антенны (рисунок 3). Кроме определения углов наклона электронной плотности для каждой моды эхо-сигнала рассчитываются скорости движения электронной плотности по доплеровскому смещению частоты. В итоге после обработки трехмерной ионограммы появляется возможность построения пространственной структуры ионосферы над измерительным пунктом.

Рисунок 3. Пространственное распределение электронной концентрации в F-области ионосферы

В результате проведения длительного мониторинга появляется возможность изучения сезонно-суточных вариаций как основных параметров ионосферы, например, критических частот F2 области, так и изменения распределение скорости дрейфа ионосферной плазмы. Пример изменения распределение вертикальной компоненты (Vz) скорости дрейфа ионосферной плазмы в F2 области ионосферы, полученные в 2012 году на Томской ионосферной станции на ионозонде «ТОМИОН», представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Сезонно-суточные изменения распределение вертикальной компоненты скорости дрейфа ионосферной плазмы в F2 области ионосферы

На странице ионосферного мониторинга в режиме реального времени  размещены данные ионосферных исследований. На web-сайте каждые 15 минут обновляются ионосферные данные, которые представляются в виде f– и h– графиков за последние трое суток. Представление более полной информации, аналогичной в этой работе и доступной пользователю является задачей ближайшей перспективы.