Амплитудный накопитель некогерентно рассеянного сигнала

Анализ алгоритма функционирования системы накопления радара некогерентного рассеяния. Разработка амплитудного накопителя сигнала. Определение и формирование режима накопления контрольных сеансов. Технология и этапы сборки амплитудного накопителя.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Введение

В настоящее время в связи с развитием радиосвязи, радиоастрономии, а также освоением космического пространства возросло значение исследования процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы Земли - ионосфере. Ионосфера оказывает определяющее воздействие на распространение радиоволн. Под воздействием излучений солнца, космических лучей и частиц из поясов радиации магнитосферы в верхних слоях атмосферы происходят процессы ионизации, приводящие к образованию плазмы с концентрацией заряженных частиц порядка одного процента от общего количества. Параметры плазмы зависят от времени суток, времени года, высоты, солнечной активности, состояния магнитосферы, а также географических координат. В зависимости от состояния ионосферы изменяются и степень поглощения и рефракция радиоволн, авто- и кроссмодуляция и ряд других эффектов.

Рисунок 1

Возможность исследования состояния ионосферы на основе анализа рассеяния электромагнитной волны на свободных электронах была обоснована и экспериментально проверена в конце пятидесятых годов. Это положило начало применению метода некогерентного рассеяния, позволяющему одновременно получать данные об основных параметрах ионосферы в широком диапазоне высот. В 1958 г. У. Гордон, основываясь на явлении рассеяния электромагнитной волны на свободных электронах, высказал предположение о возможности проведения измерений электронной концентрации в ионосфере выше максимума слоя F2 на частотах, больших плазменной частоты этой области. Экспериментальная проверка этого предположения в 1958 году дала обнадеживающие результаты и положила начало развитию метода некогерентного рассеяния радиоволн.

Метод основан на известном явлении томсоновского рассеяния. Некогерентно рассеянное ионосферой излучение практически можно обнаружить при помощи существующей радиолокационной техники только тогда, когда длина зондирующей волны значительно больше дебаевской длины. Это требование удовлетворяется в дневное время для высоты до 1000 км при длине волны 25 см и более, а ночью же при измерениях в области E необходима длина волны порядка 1 м.

Сечение рассеяния зондируемого объема ионосферы, расположенного на высоте около 300 км, эквивалентно по площади 1см². Ясно, что для получения полезной информации необходимо применять весьма современные радиоэлектронные устройства. Обычно используются радиопередатчики, работающие в дециметровом либо в метровом диапазоне волн с импульсной мощностью несколько мегаватт, радиоприемные устройства с низким уровнем шума, специализированные устройства обработки информации и быстродействующие компьютеры.

Некогерентное рассеяние на метровых и дециметровых волнах обусловлено наличием флуктуаций плотности плазмы, вызываемых тепловым движением ионов и электронов. В этом случае основной причиной флуктуаций плотности электронов является наличие ионов, а в результате кулоновского взаимодействия между ними возникают ионно-звуковые волны. Иными словами, каждый ион оказывает возмущающее действие на движение всех электронов внутри сферы дебаевского радиуса и, таким образом, хаотическое движение ионов приводит к соответствующим статистическим флуктуациям концентрации электронов. Другой не менее важной причиной флуктуаций является кулоновское отталкивание самих электронов, что приводит к слабому резонансу на плазменной частоте. В спектре рассеянного сигнала возникает компонента, смещенная на величину плазменной частоты для высоты, на которой происходит рассеяние.

Ионно-звуковая волна подобна звуковым волнам и распространяется со скоростью, близкой к тепловой скорости доминирующих ионов. При наличии такой волны в плазме образуются сгустки и разряжения плотности. На этих слабых неоднородностях рассеиваются радиоволны, их результирующая максимальна, если волны, рассеиваемые отдельными неоднородностями, суммируются в фазе. При этом расстояние между неоднородностями должно быть равно половине длины волны для обратного рассеяния. Рассеянный сигнал несет информацию о распределении и характере движения не только электронной, но и ионной компоненты плазмы. Он позволяет получать богатый набор параметров ионосферы: электронную и ионную температуры, распределение по массам, среднюю скорость дрейфа частиц разных сортов, что в свою очередь дает возможность определить ионосферное электрическое поле, направление и силу тока, скорость ветра в нейтральной атмосфере и другие важные параметры.

В настоящее время восемь обсерваторий ведут зондирование ионосферы методом некогерентного рассеяния, пять из них расположены в Америке, одна у нас в стране и одна в России. При Институте ионосферы действует радар для исследования ионосферы методом некогерентного рассеяния. Этот радар представляет собой установку, работающую в импульсном режиме. Созданный в Институте ионосферы радар работает на частоте около 150МГц. Импульсная мощность радиопередающего устройства около 2 МВт. Длительность импульсов может изменяться в широких пределах - от 40 мкс до 1 мс. Шумовая температура системы не хуже 500 К.

Обычно при исследованиях ионосферы методом HP измеряется уровень мощности принятого сигнала, его спектр либо автокорреляционная функция, так как коэффициент корреляции флуктуаций электронов несет в себе ту же информацию, что и спектр мощности. Для решения широкого круга задач, возникающих при исследовании ионосферы, предусмотрена возможность работы комплекса в нескольких основных режимах, отличающихся параметрами зондируемого импульса. Например, режим 1 используется для исследования параметров ионосферы на высотах, больших высоты максимума слоя F2, где монотонный характер изменения высотных профилей допускает применение импульсов с разрешающей способностью по высоте около 150 км. С другой стороны, малый уровень принимаемого с этих высот сигнала в свою очередь требует применения импульсов большой длительности.

Сигнал с выхода блока кварцованных гетеродинов поступает на двухканальное передающее устройство, где усиливается, а затем по волноводному фидерному тракту передается в возбуждающий рупор двухзеркальной антенны. Здесь мощный радиоимпульс излучается вертикально вверх, а весьма слабый сигнал отраженного от ионосферы радиоимпульса, рассеянного на тепловых флуктуациях электронной плотности, принимается той же антенной и через антенный коммутатор «прием-передача» поступает на входные параметрические усилители приемного устройства. После усиления и преобразования сигнал на промежуточной частоте подается на специализированное вычислительное устройство, где производится его первичная обработка - временное накопление и вычисление его автокорреляционной функции. Результаты корреляционной обработки поступают в компьютер, где по ним определяются значения ионосферных параметров и выдаются данные на печать и на экран видеоконтрольного устройства.

Напряжение, возникающее на выходе приемной системы, представляет собой сумму напряжения шумов системы и напряжения собственно НР-сигнала. Поэтому задача определения АКФ сигнала сводится к нахождению разности между корреляционной функцией выходного напряжения и корреляционной функцией шумов. Вычисление их производится в цифровом коррелометре, подключенном к усилителю промежуточной частоты приемника. В этом случае корреляционная функция сигнала, входящая в состав корреляционной функции смеси сигнал-шум, оказывается умноженной на косинусоидальный множитель промежуточной частоты. Поэтому при задержках, кратных периоду этого множителя, искомая корреляционная функция получается без предварительного детектирования.

Рисунок 2 - Спектр и АКФ сигнала НР

Поскольку обработка сигнала ведется в цифровом виде, исследуемое напряжение квантуется в аналого-цифровом преобразователе с тактовой частотой, кратной промежуточной стороне. Затем сигнал засылается в линии задержки, где задерживается, как было указано, на интервалы, кратные периодам промежуточной частоты. При наложении задержанного на время сигнала на прямой получается значение корреляционной функции, соответствующее величине этой задержки. В результате измеряемая корреляционная функция оказывается промоделированной множителем * k, характерным для взаимодействия зондирующего импульса длительностью T с объемно-распределенными рассеивателями, где k определяется свойствами распределения в пределах имп. объемах.

Изменяя задержку в необходимых пределах, можно получить в этих же пределах АКФ смеси сигнал-шум. Из информационных данных, представленных в виде АКФ, получают необходимую информацию. Эта информация описывает высотные зависимости концентрации ионов и электронов, а также высотные температурные зависимости ионов и электронов. Такая операция производится одновременно для всего диапазона исследуемых высот.

Рисунок 3

1. Постановка задачи

1.1 Анализ алгоритма функционирования системы накопления радара НР

Режим работы радара с длительностью излучаемого радиоимпульса и800 мкс используется в методе некогерентного рассеяния для определения параметров ионосферы на высотах выше максимума слоя F2. При таком режиме излучения алгоритм первичной обработки позволяет проводить повысотное измерение с получением ряда нормированных автокорреляционных функций r при шаге по высоте в несколько десятков километров, когда отсчеты уже можно считать статистически независимыми. Суть так называемой вторичной обработки и ее вычислительных методов заключается в том, чтобы по экспериментальным АКФ определять такие параметры ионосферной плазмы, как ионная и электронная температуры, ко...