Способ возбуждения характеристических электромагнитных волн в ионосфере

АНИЕ ОБРЕТЕ ПАТЕНТУ Комитет Российской Федерации по датентам и товарныы знакам(73) Березе Юрий Васильевич(И Использование: радиосвязь с помощью декаметровьп радиоволн, возбуждаемых в ионосфере спомощью специальных антенн, в частности при использовании пМяризационных антенн. обеспечивающзВ изщчение радиоволн с управляемой поляравциеА согласованной с предельной поляризацией характеристических волн в ионосфере. Сущность изобретенйя заключается в том, что ионосое) Кц пц 2002276 с 1(51) 5 6 61 Б 13 60 Феру зондируют радиоимпульсами каждои частоты поочередно двумя линейно поляризованными волнами Е и Е, измеряют и запоминают комплексныеттамплитуды излучаемых волн, принимают синхронно с излученными отраженные от ионосферы магнитоионные компоненты Е (Е ), Е (Е ), при и = 1, 2 илкпхпри этом измеряют и запоминают их значения, определяют комплексное число Ф и запоминают1 Щего, поле волны Е умножают на число В и ретт Щзупьтирующее поле Е излучают одновременно сщполем волны Е, обеспечивая возбуждение в ионосфере только одной магнитоионной компоненты при соответствующем значении и. 8 ил.Изобретение относится к области радиосвязи с помощью декаметровых радиоволн, возбуждаемых в ионосфере спомощью специальных антенн, в частности,при использовании поляризэционных антенн, обеспечивающих излучение радиоволн с управляемой поляризацией,согласованной с предельной поляризациейхарактеристических волн в ионосфере.Известно, что ионосфера Земли представляет собой анизотропную среду, в которой по одному направлению одновременномогут распространяться две независимыеволны, называемые характеристическими(нормальные волны, магнитоионные компоненты). Характеристические волны отличаются групповыми и фазовыми скоростями, атакже поляризацией, значение которой определяется, в частности, углом между направлениями распространения даннойволны и вектором магнитного поля Земли,Вследствие различия фазовых скоростей величина доплеровского смещения частот двух характеристических волноказывается разной и зто служит причинойвозникновения интерференционных замираний суммарного двухлучевого поля, чторезко снижает качество передачи информации по ионосферному каналу связи.Две магнитоионные компоненты возникают в ионосфере Земли всегда, если поляризация падающей на ионосферу волныпроизвольна.Известны способы возбуждения характеристических волн, в ионосфере заключающиеся в облучении ионосферы импульснымили непрерывным радиосигналом частотой1 - ЗО мГц,При любом виде падающего на ионосФеру радиосигнала (импульсный или непрерывный) в ней возбуждаются двемэгнитоионные компоненты.Наиболее близким по технической сущности к изобретечию является способвозбуждения характеристических электромагнитных волн в ионосфере, заключающийся в зондировании ионосферырадиоимпульсами длительностью =100мкс с частотой заполнения 1-20 мГц и частотой повторения =50 Гц.Этот способ возбуждения характеристических электромагнитных волн в ионосфере заключается в следующем. С помощьюпередатчика, нагруженного на линейнуюантенну с, некоторой диаграммой направленности, в сторону ионосферы излучаетсярадиоволна с частотой, лежащей в диапазоне 1-30 мГц. В результате взаимодействиярадиоволны с ионосферной плазмой, нахо 5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 дящейся в магнитном поле Земли и поэтому обладающей свойством анизотропии, в ионосфере возникает две волны, распространяющиеся с разными групповыми и фазовыми скоростями и имеющие разную поляризацию - характеристические волны, Эти волны при существующем способе излучения электромагнитного поля с помощью линейных антенн возникают всегда, и возникновение этих волн связано с физическими свойствами ионосферной плазмы, находящейся в постоянном магнитном поле Земли.Описанный способ-прототип возбуждения характеристических волн в ионосфере и метод их наблюдения поясняется фиг, 1, 2, 3,На фиг. 1 схематически изображена выеотно-частотная характеристика ионосферы, показывающая зависимость высоты отражения двух возникающих в ионосфере характеристических волн в функции частоты радиоволны, облучающей ионосферу.Высотно-чэстотнэя характеристика ионосферы наблюдается с помощью специального устройства, упрощенная блок-схема которого изображена нэ Фиг, 2.Устройство работает следующим образом,Импульсный передатчик (1, 2 т=100 мкс), нагруженный на линейную антенну 4 излучает в сторону ионосферы радиоволну с частотой в диапазоне 1 - ЗО мГц. Отраженные от ионосферы импульсные радиосигналы принимаются радиоприемником 3, частота нэстоойки которого с помощью блока синхронизатора 5 и блока гетеродина б плавно изменяется синхронно с настройкой передатчика. С выхода приемника импульснь 1 е сигналы подаются нэ вертикальные пластины осциллографа 7, На горизонтальные пластины осциллографа подается ждущая развертка и метки излучаемой радиочастоты, Процесс возбуждения характеристических волн в ионосфере и их наблюдения автоматизирован - синхронное изменение частоты излучения и приема отрэкенных от ионосферы импульсных сигналов осуществляется автоматически, что позволяет наблюдать динамику возбуждения характеристических волн в ионосфере на разной частоте,При увеличении частоты зондирующего радиоимпульса увеличивается высота его отражения от ионосферы и как следствие увеличивается время запаздывания радио- импульса относительно зондирующего. Так как групповая скорость двух возбужденных в ионосфере характеристических волн раз(3) лична, то различна и высота их отражения, что и регистрируется на экране осциллографа, Возникновение в ионосфере под действием падающей радиоволныдвух характеристических волн обусловлено особенностями движения свободных электронов ионосферной плазмы, находящейся во внешнем магнитном поле Земли. Поясним это утверждение.Пусть электромагнитная волна распространяется в плазме, находящейся в магнитном поле. характеризуемом вектором Но, причем волновой вектор К радиоволны перпендикулярен к вектору Но.Пусть электрический вектор Е радиоволны поляризован линейно и составляет угол а с вектором Но (см. фиг. 3). Составляющая поля Ег ориентирована вдоль магнитного поля Но,Свободные электроны плазмы колеблются под действием силы е не взаимодействуя с полем Но, так как силаЛорентца где е - заряд электрона:Ч - вектор скорости движения электрона под действием электрической силы Р, не возникает, ибо Чг 1 Но и векторное произведение в формуле (2) равно нулю, Поэтому волна Ет распространяется в замагниченной плазме так, как будто-то поля Н, нет. Эту волну называют "обыкновенной".Составляющая Еу ориентирована перпендикулярно к внешнему магнитному полю Но и вследствие этого свободные электроны плазмы, движущиеся под воздействием электрической силы Еу еЕу, испытывают и воздействие силы Лорентца 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Под воздействием силы Ру возникает процессия электронов, приводящая к изменению фазовой скорости волны Еу, Эту волну принято называть "необыкновенной".Очевидно, что при произвольной ориентации волнового вектора относительно вектора магнитного поля возникновение двух характеристических волн 1. 2 (необыкновенной и обыкновенной) также неизбежно,Таким образом, физические условия существования ионосферы Земли (геомагнитное поле Но есть всегда) обеспечивают неизбежное возникновение двух характеристических волн при обучении ионосферы электромагнитным полем с произвольной поляризацией.Существующие способы возбуждения радиоволн в ионосферном канале с помощью линейных излучающих антенн и беэ предварительной поляризационной диагностики ионосферы не позволяют осуществить селективное возбуждение характеристических электромагнитных волн в ионосферном канале связи.Недостатком способа-прототипа являются невозможность селективного возбуждения характеристических волн по выбору, т.е. возбуждение только одной (из двух возможных) магнитоионных компонент, так как отсутствует информация о той поляризации излучений волны, которая необходима для возбуждения в ионосфере только одной характеристической волны; принципиальная невозможность создания однолучевого ионосферного канала связи, так как в соответствии с природными свойствами ионосферы в ней одновременно возбуждаются обе характеристические волны; присутствие в точке приема двух характеристических волн обусловливает возникновение интерференционного фединга, неизбежно снижающего достоверность передачи информации по ионосферному каналу связи,Целью изобретения является разработка способа возбуждения характеристических волн в ионосфере, обеспечивающего распространение по ионосферному каналу только одной радиоволны и только по одной траектории. что в свою очередь обеспечивает существенное улучшение качества передачи информации по ионосферному каналу связи, поскольку в этом случае будет отсутствовать интерференция поля в точке приема, неизбежно возникающая при наличиидвух характеристических волн. Эта цель достигается тем, что ионосферу зондируют радиоимпульсами каждой частоты поочередно двумя линейнополяризованными волнами Е и Ед и при этом измеряют и запоминают комплексные амплитуды излучаемых волн, затем принимают синхронно с излученными отраженные от ионосферы магнитоионные компоненты Епх( Е), Епх( Ед) при и - 1, 2 и при этом измеряют и запоминают их значения далее определяют комплексное число и запоминают его, после чего поле Ед умножают на число М/ ю и результирующееполе Е о = ЧЧ пп Еизлучают одновременно с полем Е, обеспечивая тем самымвозбуждение в ионосфере только одной магнитоионной компоненты 3 или 2,Предложенный способ обеспечиваетселективное возбуждение в ионосферетолько одной характеристической волны.благодаря этому повышается качество передачи информации по ионосферному каналу связи, так как при этом исключаетсяинтерференционный фединг в точке приема, возникающий при наличии двух характеристических вопи.Возбуждение в ионосфере вместо двухтолько одной характеристической волныприводит к увеличению отношения сигналйум в точкеприема и, следовательно, кулучшению помехоустойчивости приема информации,Положительный технический эффектнастоящего изобретения заключается в том,что предложенный способ обеспечивает поляризационную диагностику ионосферы иопределение той поляризации излучаемойрадиоволны, которая необходима для возбуждения в ионосфере только одной характеристической волны.Селективное возбуждение одной характеристической волны обеспечивает создание однолучевого ионосферного каналасвязи,Сднолучевой канал связи по своей физической сущности исключает возникновение интерференционного Фединта в точкеприема, что обеспечивает существенное повышение помехоустойчивости приема информации, передаваемой по каналу связи.На фиг. 4 изображена высотно-частотная характеристика с одной магнитоионнойкомпонентой; на фиг, 5- графики вероятности ошибки при одно- и двухлучевом приеме; на фиг. 6 - упрощенная блок-схемаустройства. реализующего данный способ;,на фиг, 7 - две гистограммы отношениямощностей двух характеристических волн(большей к меньшей), возникающих при облучении ионосферы волной с линейной поляризацией (С 1 л) и с согласованной эллиптической поляризацией (Сс): согласо вание с поляризацией одной иэ характеристических волн); на фиг, 8 - график зависимости выигрыша в вероятности ошибки (помехоустойчивости приема) в фун 20кции параметра рассеяния 1 при возбуж дении в ионосфере одной из двуххарактеристических волн (Р ош 2 - вероятность ошибочного приема нри возбуждении в ионосфере двух характеристических волн; Р О,ц - вероятность ошибочного приема при селективном возбуждении в ионосфере только одной характеристической волны).Способ селективного возбуждения характеристических волн в ионосфере включает в себя две последовательных операции;1, Поляриэационную диагностику ионосферы.И. Селективное возбуждение одной характеристической диагностики ионосферы.1. Поляризационная диагностика ионосферы состоит из трех последовательных действий:, зондируют (облучают) ионосферу линейно поляризованной волной, излучаемой-антенной (-диагностика), принимают отраженнь 1 е от ионосферы две характеристических волны с помощью одной линейной антенны (Х-антенны) и запоминают значения комплексных амплитуд принятых проекций векторов Еэтих полей 30 35 Епх( Е ) = К и", Ефепх же приемной Х-антенны и запоминают значения комплексных амплитуд проекций векТОРОВ Еп ЭТИХ ПОЛЕЙ 50 Е пх ( Е 3 ) = К пц Ец е пх где Кп, Кпл - комплексные поляризационные коэффициенты передачи ионосферы припадениинанееволнс -и Ч-линейной поляризацией; епх -Х-проекция единичного поляризационного эллипса еп в плоскости 0п=3,22. После окончания -диагностики из. лучают с помощью т -антенны (ортогональной к -антенне) также линейно 45 поляризованную волну ( у -диагностика),принимают отраженные от ионосферы две характеристических волны с помощью тойволнового фронта, падающей на Х-антенну эллиптически поляризованного поля Еп,Комплексные числа К п, К пд представляют собой обобщенные поляризационные коэффициенты - и-трактов излучения. распространения в ионосфере и приема радиоволн и содержат в себе информацию об особенностях прохождения электрических сигналов по - и д-трактам излучения, по Х-тракту приема и возбуждения поляризованных характеристических волн при раздельном облучении ионосферы- и у -линейно поляризованными волна 3. По результатам измерений Х-проекций поляризованных ионосферой характеристических волн (5), (6) в режимах - и и-диагностики вычисляют отношение К п Е пх ( Е"; ) Е,"; К пР) Е пх ( ЕР/ ) Г Р(7) Кп и излучают с помощью у -антенны поле Е пд =Вlпу Еу одновременно с излучением -антенной поля Е, обеспечивая этим излучение в сторону ионосферы волны с такой эллиптической поляризацией, при которой одна из характеристических волн не возбуждается, а возбуждается другая характеристическая волна,Поясним это утверждение. Действительно. произвольно эллиптически поляризованная волна, имеющая в выбранном ,Известное соотношение (7) позволяет сформулировать условие невозбуждения одной из характеристических волн что эквивалентно возбуждению другои характеристической волны.1. Селективное возбуждение только одной характеристической волны в ионосфере осуществляют, облучая е зллиптически поляризованной волнои поляризация которой вычислена на основе результатов поляризационнои диагностики и обеспечивает невозбуждение в ионосфере другой, наперед заданной характеристической волны.Для создания волны с такой эллиптической поляризацией умножают подводимый к -антенне электрический сигнал на комплексное число д излучающем базисе обе составляющие Еф, Ед вектора излученного поля Е, возбудит в ионосфере обе характеристические 5 волны Еп, которые будут изображаться двумя эллиптическим поляризованными колебаниямиЕп(Е;": Ет) =(КгъЕ+ КпруЕ)у)еп (10)10В соответствии с формулой(10) для того,чтобы характеристическая волна с номероми не была возбуждена. необходимо, чтобывыполнялось равенство15Еп( Е,",; Ед) =0или(КпГ ЕЕ+ Кп 7 Б 7) =0Формула (11) представляет собой условие невозбуждения одной характеристической волны с номером и. Из этой формулы следует взаимная связь обобщенных поляризационных коэффициентов передачи К и" . К м системы - передатчик, ионосфера. приемник, т.е. то соотношение между излучаемыми комплексными полями Е-" и Еу. которое нужно выполнить для того. чтобы одна из характеристических волн в ионосфере не возбуждаласьК(12)Кпу35Соотношение (12) определяется по результатам измерении, выполненных при проведении -,-диагностики в соответствии с формулой (7).40 Таким образом, описана и определенапоследовательность действий с электрическими сигналами и полями, обеспечивающая селективное возбуждение в ионосфере только одной характеристической волны.45 Данный способ может быть реализован.например, с помощью устройства. изображенного на фиг. б.Передатчик 1 излучает импульсный радиосигнал некоторой частоты длительно стью -100 мкс сначала с помощью-антенны (Е), а затем с помощью у-антенны ( Еи). Работающий совместно с передатчиком 1 приемник 2 принимает с помощью синхронизатора 3 и Х-антенны 55 импульсы двух возникших при отраженииот ионосферы характеристических волн,Комплексные амплитуды этих волн, возбужденных при 4- и у-диагностикеЕпх( Ц), Епх( Ед), измеряют и запоминают2002276 в решающем устройстве 4, где вычисляюткомплексное число о в блоке весового коэф На фиг, 8 представлены результаты оценки выигрыша У в вероятности ошибки при приеме дискретной информации, передаваемой с помощью двухлучевого сигнала ( Р ош 2), по отношению к случаю приема однолучевогосигнала( Р ш 1), в функции параметра рассеяния принимаемой волны /У .В соответствии с гистограммой фиг, 7 среднее значениеОс = 15, что означает присутствие в отраженном от ионосферы сигнале практически только одной характеристической волны вторая волна при оптимальном селективном возбуждении по описанному способу в ионосфере не возбуждаласьДля радиоволн, отраженных от ионосферы, типичное значение /Р -10; с учетом этого обстоятельства при использовании на практике способа селективного возбуждения характеристических волн в ионосферном канале связи выигрыш в помехоустойчивости приема в среднем будет составлять величину 20 дБ.Способ селективного возбуждения характеристических волн может быть использован в государственнои сети ионосферной службы на станциях вертикального зондирования ионосферы, Обеспечивающих получение информации о глобальном распределении злектроннои концентрации в ионосфере, необходимой для составления прогнозов оптимальных рабочих частот ионосфернох линии радиосвязи; при создании региональных и глобальных сетей коротковолновои ионосферной радиосвязи, обладающих повышенным качеством и скоростью передачи информации: при создании линии коро 1 коволновои радиосвязи с подвижными объектами. обладающими высокой помехоустойчивостью, скоростью и пропускной способностью,(56) Ратклифф Дж, А, Магнитоионная теория и ее приложение к ионосфере. М,: Изд, иностр, литературы, 1962. с, 88-100,Арефьева Л. Н., Березин Ю. ВСмирнов В, И, Эффект Доплера и помехоустойчивость приема многолучевого частично рассеянного сигнала. Радиотехника, 1990, М 12, с, 7-10,Виноградова М. Б Руденко О, В., Сухоруков А. П, Теория волн, - М.: Наука. 1979, с, 121 - 129,Альперт Я; Л. Распространение радиоволн и ионосфера МИзд. АН СССР. 1960, с, 8-12, 360-363.Долуханов М. П. Распространение радиоволн.М,: Связьиздат, 1952, с. 218-223,Формула изобретенияСПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ИОНОСФЕРЕ, заключающийся в зондировании ионосферы радиоимпульсами различной частоты с последующим приемом отраженных от ионосферы магнитоионнцх компонент этих импульсов, отличающийся тем, что ионосферу зондируют рвдиоимпульсами каждой частоты по, очередно двумя линейно поляризованными волнами Е и Е, при этом иаьеряют и заенавнают комплексные амплитуды излучаемых волн, затее 2002226 34принимают синхронно с излученными отраженные от ионосферы магнитоионные компоненты Еех (Е), Епх (Е) при и - 3.2 и при этом измеряют и запоминают их зна 5 чения, определяют комплексное числоЕ (Ц)/ЕЮ" -- :И.-,.",и запоминаяо ео. после чего доле волны Е умножают ие число РЬЯН и реэультируюф щее поле ЕяечВЬФ Е излучают одновремещэ с полем волны Е, обеспечивая тем самым еэбуждение в ионосфере только одной вееиийеоннай компоненты при5 соответствуааеэ зазрении в.