Апаратні та алгоритмічні особливості випромінювання, приймання та обробки сигналів у методі некогерентного розсіяння радіохвиль

Євген Васильович Рогожкін; Леонід Якович Ємельянов; Валерій Олександрович Пуляєв; Ігор Феліксович Домнін; Артем Євгенійович Мірошніков; Наталія Олексіївна Кузьменко

doi:10.20535/S0021347022120056

Автор(и)

Євген Васильович Рогожкін Національний технічний університет ‟Харківський політехнічний інститут”, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0001-5310-3319
Леонід Якович Ємельянов Інститут іоносфери НАН і МОН України, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-2117-2675
Валерій Олександрович Пуляєв Інститут іоносфери НАН і МОН України, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0001-6705-2006
Ігор Феліксович Домнін Інститут іоносфери НАН і МОН України, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-9824-4403
Артем Євгенійович Мірошніков Інститут іоносфери НАН і МОН України, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-2473-4370
Наталія Олексіївна Кузьменко Національний технічний університет ‟Харківський політехнічний інститут”, Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-9039-9494

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347022120056

Ключові слова:

техніка некогерентного розсіяння, сигнал лінійної поляризації, сигнал кругової поляризації, кільцевий міст, режими випромінювання, приймання та обробка сигналів

Анотація

Наведено варіанти удосконалення режимів функціонування потужних наземних засобів дистанційного зондування навколоземного космічного простору — радіолокаторів, що використовують метод некогерентного розсіяння (НР) радіохвиль в іоносферній плазмі. Приведено приклади експериментальних результатів отримання значень концентрації електронів в іоносфері із застосуванням вимірювання висотного розподілу потужності НР сигналу та його обробки. Наведено структурні схеми радіолокатора НР для різних режимів роботи, зокрема з використанням ортогональних збуджувальних вібраторів антени та кільцевого моста. Розглянуто особливості випромінювання та приймання радіохвиль як з лінійною, так і круговою поляризацією. У першому випадку використовується ефект фарадеєвського обертання площини поляризації радіохвилі, яке викликає характерні завмирання НР сигналу у разі приймання його лінійно-поляризованою антеною, і, як наслідок, коливання у висотному профілі його потужності, а також у функції, одержаної в результаті обробки ортогональних складових сигналу, яка використовується для розрахунку концентрації електронів. У другому випадку значення концентрації електронів отримуються з використанням профілю потужності НР сигналу, в якому виключено вплив ефекту Фарадея. Наведено результати проведених експериментів одночасно для верхньої і нижньої іоносфери з розрахунком концентрації електронів іоносферної плазми з достатнім висотним розділенням, залежним від тривалості елементів складеного сигналу зондування. Запропоновано режим випромінювання двохелементного радіоімпульсу зі зміною напрямку обертання поляризованої хвилі для одночасного вимірювання параметрів іоносфери в широкому діапазоні висот.

Посилання

J. V. Evans, “Theory and practice of ionosphere study by Thomson scatter radar,” Proc. IEEE, vol. 57, no. 4, pp. 496–530, 1969, doi: https://doi.org/10.1109/PROC.1969.7005.
V. I. Taran, “A study of the natural and artificially disturbed ionosphere by the incoherent scatter method,” Geomagn. Aeron., vol. 41, no. 5, pp. 632–639, 2001, uri: https://www.researchgate.net/publication/288606253_A_study_of_the_natural_and_artificially_disturbed_ionosphere_by_the_incoherent_scatter_method.
В. И. Таран, “Наблюдения ионосферы с помощью метода некогерентного рассеяния Сообщение 1. Основные предпосылки и экспериментальные результаты,” Вестник Харковского политехнического института, vol. 155, no. 1, pp. 3–12, 1979.
A. Miroshnikov, V. Pulyayev, L. Emelyanov, E. Rogozhkin, “Determination of the incoherent scatter signal statistical characteristics,” in 2019 IEEE 39th International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2019, pp. 774–777, doi: https://doi.org/10.1109/ELNANO.2019.8783823.
D. T. Farley, “Incoherent scatter correlation function measurements,” Radio Sci., vol. 4, no. 10, pp. 935–953, 1969, doi: https://doi.org/10.1029/RS004i010p00935.
В. И. Таран, “Исследования ионосферы с помощью радаров некогерентного рассеяния в Харькове,” Вестник Харьковского государственного политехнического университета, no. 31, pp. 3–9, 1999.
G. H. Millman, A. J. Moceyunas, A. E. Sanders, R. F. Wyrick, “The effect of Faraday rotation on incoherent backscatter observations,” J. Geophys. Res., vol. 66, no. 5, pp. 1564–1568, 1961, doi: https://doi.org/10.1029/JZ066i005p01564.
G. H. Millman, V. C. Pineo, D. P. Hynek, “Ionospheric investigations by the faraday rotation of incoherent backscatter,” J. Geophys. Res., vol. 69, no. 19, pp. 4051–4065, 1964, doi: https://doi.org/10.1029/JZ069i019p04051.
D. T. Farley, J. P. McClure, D. L. Sterling, J. L. Green, “Temperature and composition of the equatorial ionosphere,” J. Geophys. Res., vol. 72, no. 23, pp. 5837–5851, 1967, doi: https://doi.org/10.1029/JZ072i023p05837.
D. T. Farley, “Faraday rotation measurements using incoherent scatter,” Radio Sci., vol. 4, no. 2, pp. 143–152, 1969, doi: https://doi.org/10.1029/RS004i002p00143.
J. M. Goodman, “Traveling ionospheric disturbances observed through use of a Thomson scatter technique employing Faraday rotation at 140 MHz,” J. Atmos. Terr. Phys., vol. 33, no. 11, pp. 1763–1777, 1971, doi: https://doi.org/10.1016/0021-9169(71)90222-4.
Е. И. Григоренко, “Исследования ионосферы по наблюдениям эффекта Фарадея при некогерентном рассеянии радиоволн,” Ионосферные исследования, no. 27, pp. 60–73, 1979.
T. A. Skvortsov, L. Y. Yemelyanov, A. V. Fisun, “Radar measurements of geomagnetic field in the ionosphere,” Telecommun. Radio Eng., vol. 74, no. 10, pp. 921–931, 2015, doi: https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v74.i10.80.
R. Flores, M. Milla, K. Kuyeng, “Spectral analysis of incoherent scatter radar signals in Faraday/double pulse experiments at the Jicamarca radio observatory,” in 2021 IEEE International Conference on Aerospace and Signal Processing (INCAS), 2021, pp. 1–4, doi: https://doi.org/10.1109/INCAS53599.2021.9666925.
L. Emelyanov, E. Rogozhkin, V. Pulyayev, “Features of reception of signals with linear and circular polarization in the incoherent scatter technique,” in 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2022, pp. 529–534, doi: https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927099.
В. О. Пуляєв, Є. В. Рогожкін, О. В. Богомаз, Обчислювальні Процедури При Аналізі Некогерентного Розсіяння в Іоносферній Плазмі. Харків: ХПІ, 2013, uri: https://www.nas.gov.ua/UA/Book/Pages/default.aspx?BookID=0000008895.
V. F. Fusco, Microwave Circuits: Analysis and Computer-Aided Design. Prentice Hall, 1986, uri: www.amazon.com/Microwave-Circuits-Analysis-Computer-Aided-Design/dp/0135815886.
Z. Ding, J. Wu, Z. Xu, B. Xu, L. Dai, “The Qujing incoherent scatter radar: system description and preliminary measurements,” Earth, Planets Sp., vol. 70, no. 1, p. 87, 2018, doi: https://doi.org/10.1186/s40623-018-0859-8.
W. J. G. Beynon, P. J. S. Williams, “Incoherent scatter of radio waves from the ionosphere,” Reports Prog. Phys., vol. 41, no. 6, pp. 909–955, 1978, doi: https://doi.org/10.1088/0034-4885/41/6/003.
N. Wichaipanich, P. Supnithi, T. Tsugawa, T. Maruyama, “Thailand low and equatorial F2-layer peak electron density and comparison with IRI-2007 model,” Earth, Planets Sp., vol. 64, no. 6, pp. 485–491, 2012, doi: https://doi.org/10.5047/eps.2011.01.011.
D. T. Farley, “Multiple-pulse incoherent-scatter correlation function measurements,” Radio Sci., vol. 7, no. 6, pp. 661–666, 1972, doi: https://doi.org/10.1029/RS007i006p00661.
В. Н. Почерняев, “Кольцевой мост на частично заполненных прямоугольных волноводах,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 48, no. 5, pp. 76–80, 2005, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347005050110.
І. В. Горбатий, “Радіочастотний 4-канальний фазоповертач у діапазоні 0-360° з цифровим керуванням для телекомунікаційних систем з амплітудною модуляцією багатьох складових,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 65, no. 5, pp. 297–308, 2022, doi: https://doi.org/10.20535/S002134702205003X.