Підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери при дистанційному моніторингу методом некогерентного розсіяння

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

05.07.12 - Дистанційні аерокосмічні дослідження

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери при дистанційному моніторингу методом некогерентного розсіяння

Науковий консультант: доктор фізико-математичних наук, професор Рогожкін Євген Васильович, професор кафедри радіоелектроніки Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” МОН України, лауреат премії Ради Міністрів СРСР

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук Потєхін Олександр Павлович, заступник директора по науковій роботі Інституту сонячно-земної фізики Сибірського відділення Російської академії наук (м. Іркутськ)

доктор технічних наук, професор Коваль Юрій Олександрович, професор кафедри основ радіотехніки Харківського національного університету радіоелектроніки МОН України

доктор технічних наук, професор Печенін Валерій Васильович, професор кафедри радіоелектронних пристроїв та систем Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” МОН України

Провідна установа: Інститут радіофізики і електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, відділ поширення радіохвиль у природному середовищі (м. Харків)

Захист відбудеться 17.02.2006 року о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.07 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розіслано 27.12. 2005 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Лукін В. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дослідження іоносфери обумовлено необхідністю подальшого розвитку сучасних уявлень про характер сонячно-земних зв'язків і про ближній космос. Важливість і актуальність цих досліджень підтверджується створенням глобальної системи іоносферного моніторингу, у рамках якої координуються іоносферні вимірювання на спеціалізованих радарних установках, розташованих у різних регіонах земної кулі (проект SPARC - створення віртуальної лабораторії спільного наукового користування у складі міжнародної мережі радарів некогерентного розсіяння, проект GEM - геопросторове моделювання навколишнього середовища).

Дослідження стану навколоземного космічного середовища сприяють розвитку фундаментальної науки і пов'язані з аналізом іоносферних процесів, у тому числі тих, що відбуваються як у нижніх її шарах, так і на висотах більше 1000 км, де важливого значення набувають довготні варіації легких іонів у плазмі. Вивчення стану навколоземного космічного простору також важливе і для розуміння тих процесів в атмосфері, що впливають безпосередньо на життєдіяльність людини. Ці процеси відображають результат впливу на іоносферу сонячних спалахів і викликаних ними магнітних бур, результат техногенної діяльності (вибухи, пуски ракет, екологічні катастрофи та ін.). некогерентний розсіяння іоносферний плазма

Радар обсерваторії Інституту іоносфери НАН і МОН України (м. Харків) є єдиною установкою некогерентного розсіяння (НР) на середніх широтах у європейському регіоні для досліджень, в тому числі, і тих висотних діапазонів, де вимірювання за допомогою іонозондів в принципі неможливі. Завдяки його унікальності, постановою Кабінету Міністрів України цей радар віднесено до об'єктів, що складають її національне надбання (реєстраційний номер 1709 від 19.12.2001 р.). У переліку задач радара входить участь у дистанційному моніторингу з метою корегування існуючих і апробації знову створюваних моделей середовища поширення радіохвиль з метою ефективного їх використання службами наземного радіозв'язку, загоризонтної радіолокації, службами забезпечення радіозв'язку з супутниками і т.п.

Щоб проводити повноцінний і якісний іоносферний моніторинг у широкому інтервалі висот за допомогою подібних радарних систем, необхідно врахувати вплив наступних чинників.

1. У світлі всі зростаючого наукового і практичного інтересу до досліджень іоносфери прагнення до подальшого збільшення обсягу та поліпшення якості геофізичної інформації обмежуються технічним потенціалом радіолокаційних установок НР. Можливості базової апаратури радара (ефективна потужність випромінювання передавачів PG порядку 10 ГВт, ефективна поверхня антен до 10⁴ - 10⁵ м² та реальна чутливість радіоприймальних пристроїв до 0.05 - 0.1 мкВ) можна вважати практично вичерпаними і навряд чи будуть істотно поліпшені в найближчому майбутньому. У зв'язку з цим необхідний підхід, що полягає в подальшій оптимізації процесу зондування, модифікації обчислювальних процедур і модернізації пристроїв обробки.

2. До найбільш проблемних (з точки зору оцінки фізичних властивостей складної, багатокомпонентної іонної структури плазми) відносяться діапазони висот нижче 200 км і особливо вище 1000 км, що потребує використання зондувальних імпульсів різної тривалості. Практика вимірювань показує, що в цьому випадку надійне визначення параметрів середовища можливе лише за умови, якщо відношення сигнал/шум по потужності має значення q > 0.1. Для подолання цього обмеження (у випадку реального зменшення значень q на цих іоносферних рівнях до 0.01 і менше та появі в результаті цього похибок у розрахунках параметрів середовища більше 50 %) необхідні більш достовірні процедури оцінювання статистичних характеристик сигналу розсіяння.

3. Як показує аналіз, труднощі одержання достатнього ступеня точності при оцінці висотно-часового розподілу параметрів сигналу НР пов'язані і з рядом апаратурно-методичних обмежень методу, що звичайно супроводжують процедури розрахунків статистичних характеристик сигналів - спектрів або автокореляційних функцій (АКФ). Для аналізу обмежень потрібні дослідження моделей сигналу НР і процедур обчислення його АКФ. Також потрібні пропозиції щодо структури зондувального сигналу, яке дозволяє як одержати неспотворений висотний профіль перерізу розсіяння іонізованого середовища і АКФ його флуктуацій одночасно в діапазоні висот, як мінімум, 100 - 1500 км, так і підвищити завадостійкість алгоритмів обробки.

4. Труднощі збільшення ступеня точності і вірогідності вимірювань посилюються наявністю імпульсних завад, а також багатокомпонентністю плазми. У сукупності з шумовою природою сигналу НР вони є основною перешкодою в процедурах розв'язку зворотної задачі при встановленні однозначної залежності між характеристиками цього сигналу і параметрами середовища розсіяння. Для реалізації методик одержання додаткової інформації про іоносферу (у тому числі і про її іонний склад) із сигналу розсіяння, які б задовольняли вимогам точності, потрібен адекватний статистичний аналіз неоднозначних розв'язків. Адаптація зворотної задачі електродинаміки до особливостей НР (надалі - зворотна задача розсіяння), як можна думати, дозволить максимально наблизитися до теоретично обґрунтованого (не гірше 10 %) рівня похибок, які виникають в процесі розрахунку параметрів іоносферної плазми.

Таким чином, необхідність збільшення обсягу та якості геофізичної інформації як за рахунок розширення висотного діапазону, так і переліку вимірюваних параметрів стало підставою для проведення досліджень у рамках даної дисертаційної роботи. В цілому, за вихідну точку взято те, що в умовах, коли подальше підвищення енергетичного потенціалу як харківського, так і інших радарів НР уже нездійсненне, одержати додаткову інформацію про іоносферу все ж можливо за рахунок впровадження сучасних інформаційних технологій, спрямованих на оптимізацію ключових обчислювальних процедур у методі НР і орієнтованих на використання сучасної комп'ютерної техніки.

Розгляд сукупності окреслених задач і дає змогу вирішити важливу науково-прикладну проблему - підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери при обробці сигналу розсіяння в процесі її дистанційного моніторингу методом НР , що обумовлює актуальність дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Результати роботи одержано у рамках ряду Програм фундаментальних досліджень іоносфери обсерваторією Інституту іоносфери (ІІОН) і обсерваторіями НР США, остання з яких затверджена у 1998 році Міністром освіти України і Президентом HАН України, і у рамках Постанови з питань розширення європейської інтеграції України від 2003 року. Результати знайшли відображення у щорічних науково-технічних звітах про НДР за 1990 - 2005 роки, в яких автор брав участь як виконувач та відповідальний виконувач. Серед них такі: “Дослідження нижньої іоносфери методом НР” (номер держреєстрації 0100U003065); “Дослідження висотного розподілу іонів водню та гелію вище максимуму іонізації області F в період зростання сонячної активності” (номер держреєстрації 0199U003875); “Дослідження висотного розподілу електронної концентрації, температур електронів та іонів, швидкості дрейфу плазми в періоди, що передбачені Міжнародним геофізичним календарем” (номер держреєстрації 0199U003876); “Дослідження параметрів іоносфери в районі максимуму шару F методом НР” (номер держреєстрації 0198U005400); “Дослідження іоносфери над Україною в період зростання сонячної активності” (номер держреєстрації 0198U005391); “Дослідження висотного розподілу Ne, Ti, Te методом НР. Розробка емпіричної моделі” (номер держреєстрації 0197U009260); “Дослідження впливу магнітних бур і сонячних спалахів на теплові та динамічні процеси у навколоземній космічній плазмі на фазі зниження сонячної активності” (номер держреєстрації 0102U001301), а також міжнародний проект “POLITE” (NSF grant АТМ-97-14638, ІІОН спільно з МIT Haystack Observatory, USA).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери при дистанційному моніторингу методом НР за рахунок а) зменшення методичних і статистичних похибок АКФ сигналу розсіяння і б) підвищення стійкості розв'язків зворотної задачі при оцінці характеристик, що описують висотно-часовий розподіл багатокомпонентного іонізованого середовища.

Предмет дослідження - особливості некогерентного розсіяння в іоносферній плазмі при дослідженні його властивостей в розширеному інтервалі висот, перспективні технології зондування й обробки сигналу розсіяння, процедури аналізу статистичних характеристик цього сигналу як інструмент оцінки стану іоносферного середовища у випадку багатокомпонентності іонного складу.

Методи дослідження: моделювання процесу зондування; використання теорії кодування сигналів; статистичний аналіз АКФ сигналу НР; аналіз розв'язків зворотної задачі з урахуванням особливостей НР; використання теорії синтезу штучних нейронних мереж; комп'ютерне моделювання процедур іоносферних вимірювань.

Наукова новизна результатів полягає в тому, що в умовах, коли на діючих радарах НР практично відсутня можливість збільшення їх енергетичного потенціалу, в результаті сукупних теоретичних і практичних розробок отримано можливість розширення висотного інтервалу досліджень за рахунок підвищення точності оцінки параметрів іоносферної плазми. Це досягнення забезпечено такими новими науковими результатами:

1. Одержала подальший розвиток дискретна модель сигналу НР, яка дозволяє реалізувати комп'ютерне моделювання процедур розрахунку АКФ сигналу НР по заданих параметрах іоносфери і характеристиках радіолокаційної системи при довільному зондувальному сигналі.

2. Вперше отримані результати теоретичних розрахунків довірчих інтервалів при моделюванні статистичних характеристик сигналу некогерентного розсіяння. Використання сімейств середньоквадратичних відхилень дозволяє мінімізувати похибки обчислень при розрахунках експериментальних АКФ сигналу розсіяння, а також при функціонуванні процедур оцінки по ним локальних параметрів плазми.

3. Одержала подальший розвиток теорія рішення зворотної задачі для випадку некогерентного розсіяння радіохвиль в іоносферній плазмі з багатокомпонентною іонною структурою. Для успішного функціонування цієї задачі модифіковано процедури корекції форми АКФ, обумовлені апаратурними і методичними факторами. Розроблено модель, яка, використовуючи одночасне функціонування прямої і зворотної задач, дозволяє дати статистичну оцінку ефективності розрахунків параметрів іоносферного середовища.

4. Набула подальшого розвитку теорія регуляризації і стійкості розв'язків зворотної задачі розсіяння, що базується на врахуванні ступеня спотворення форми АКФ і накладанні обмежень на характер висотного розподілу іоносферних параметрів. Як наслідок, вперше в практиці НР для метрового діапазону при зменшенні відношень сигнал/шум до 0.01 по потужності зведено до мінімуму число цих розв'язків при похибках розрахунків, що не перевищують 10 %.

5. Вперше запропоновано модель зворотної задачі, що дозволяє збільшити швидкість розрахунків параметрів іоносфери використанням масованої паралельності обробки інформації за допомогою ідентифікуючої структури на базі штучних нейронних мереж. Моделювання показано, що апаратурна реалізація такої мережі при аналізі швидкоплинних процесів у іоносфері дозволить до одиниць секунд за сеанс скоротити процес ідентифікації АКФ сигналу НР у зворотній задачі розсіяння.

6. Розроблено методичні пропозиції щодо синтезу технічної структури радарної системи НР, яка реалізує підтримку запропонованих режимів функціонування в автоматизованому режимі і забезпечує можливість її інтеграції у світову мережу радарів НР. Узагальнено принципи побудови багатофункціонального сигнального процесора.

7. Тривалими іоносферними вимірюваннями підтверджено безпосередню ефективність і дієздатність розроблених і удосконалених методик. За рахунок цього вперше для середніх широт європейського регіону отримано відомості про характер висотно-часового розподілу іонів кисню, гелію і водню в зовнішній (1000 - 1500 км) іоносфері і важких (молекулярних) іонів у висотному діапазоні 100 - 250 км.

Практичне значення отриманих результатів визначається впровадженням перспективних інформаційних технологій і технічним удосконаленням конкретного радара, що забезпечило підвищення ефективності радіолокаційних досліджень навколоземного космічного середовища методом НР. В результаті стало можливим одержання надійних експериментальних даних про детальну структуру і динаміку середньоширотної іоносфери в висотному діапазоні, як мінімум, 100 - 1500 км. Ці результати представлять собою важливий внесок у розвиток геофізичного моніторингу на Україні в інтересах фундаментальних і прикладних досліджень. Зокрема, практичне значення має те, що:

- реалізовано уточнену оперативну обробку інформації при застосуванні удосконалених режимів зондування і процедур аналізу розв'язків в зворотній задачі розсіяння, що дозволило оптимізувати процес визначення параметрів іоносфери і вирішити практичні питання по ефективному відстеженню її стану в розширеному інтервалі висот;

- знайдено технічне рішення по удосконаленню та об'єднанню радіотехнічних пристроїв і комп'ютерних засобів у єдиний дослідницький комплекс у складі міжнародної мережі радарів НР;

- синтезовано процедури інформаційних перетворень великих об'ємів (до 10 Гбайт за добу) вхідної інформації в зворотній задачі розсіяння, реалізовано конвеєризацію процесу обробки іоносферних даних;

- розроблено прикладне програмне забезпечення, що відповідає вимогам сучасних діалогових інформаційно-обчислювальних систем і призначене для підтримки автоматизованої обробки експериментальних даних, уточнення результатів досліджень у реальному часі з обсерваторіями багатьох країн;

- на прикладі радара НР Інституту іоносфери сформовано базу іоносферних даних, куди ввійшли унікальні експериментальні результати досліджень за період 1990 - 2005 р., отримані в розширеному діапазоні висот, і які використовуються при створенні емпіричної моделі середньоширотної іоносфери над європейським регіоном і при розробці глобальної моделі збурень у навколоземному космічному просторі.

Реалізація роботи. Основні наукові положення, методика і рекомендації з вибору високоінформативних зондувальних сигналів, розроблені пристрої, алгоритми і програмні засоби апробовано і застосовано при модернізації радара НР метрового діапазону в процесі створення Іоносферного зонду Інституту іоносфери. Результати використовуються в створеному з метою підготовки науково-педагогічних кадрів вищої кваліфікації науково-навчальному центрі “Іоносфера” при НТУ “ХПІ” (м. Харків), а також в навчальному процесі кафедри “Радіоелектроніка” НТУ “ХПІ”. Результати дисертаційної роботи можуть бути реалізовані і при рішенні ряду прикладних задач, пов'язаних з аналізом стану іоносфери як каналу радіозв'язку, з аналізом поширення радіохвиль у неоднорідних, дисперсійних середовищах, з функціонуванням супутникової апаратури зв'язку у відкритому космічному просторі і т.д.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи у 21 самостійній публікації автором одержані і викладені особисто. У роботах, виконаних у співавторстві, здобувачеві належить: у [7, 10, 12, 24 - 27, 30] - розробка структурних і функціональних схем спеціалізованих пристроїв для обробки сигналу НР, синтез алгоритмів їх функціонування, розробка складених сигналів із використанням кодування, розробка методів вимірювань параметрів іоносфери, контролю перехідних процесів на радарах НР; 2) у [2, 5, 6, 8, 9, 22, 23] - обґрунтування доцільності і необхідності аналізу результатів зондування з використанням теорії марківських процесів, дослідження властивостей модельних АКФ, впровадження алгоритмів обробки, що використовують довірчі інтервали та вірогідність оцінок ординат АКФ, теоретичні розрахунки, що підтверджують ефективність використання густини розподілу ординат АКФ, моделювання алгоритмів обробки і проведення якісного та кількісного аналізу впливу параметрів АКФ на точність ідентифікації іоносферних параметрів, висновки; 3) у [36 - 38, 40 - 47] - синтез програм обробки та візуалізації даних, а з їх допомогою - дослідження іоносферних ефектів збурень геомагнітного поля і оцінка параметрів іоносферної плазми при проведенні різноманітних експериментів, обробка і аналіз статистичних матеріалів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи було представлено та обговорено на робочій групі URSІ з НР (Харків) у 1995 р., на 23-й Європейській конференції з фізики плазми (Київ) у 1996 р., на семінарах з представниками обсерваторій Хайстек (Масачусетский інститут технології, США) та Аресибо (Національний науковий фонд, США) у 1995 р. та 1999 р., на міжнародній конференції з атмосферних досліджень (Боулдер, Колорадо, США) у 1999 р., на 1-й і 2-й Міжнародних конференціях з теорії і техніки передачі, прийому й обробки інформації (Харків-Туапсе) у 1994 р. і 1996 р., на VІІ симпозіумі з сонячно-земної фізики Росії і країн СНД (Москва) у 1998 р., на 19 Всеросійській науковій конференції з розповсюдження радіохвиль (Казанський держуніверситет) у 1998 р., на ХX Всеросійській конференції з розповсюдження радіохвиль (Нижній Новгород: Талам) у 2002 р., на 1-й, 2-й і 3-й українських конференціях з перспективних космічних досліджень (Київ: Інститут космічних досліджень НАНУ-НКАУ) у 2001 - 2002 рр., на 2-й і 3-й Міжнародних науково-технічних конференціях з проблем інформатики і моделювання (Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ) у 2001 р. і 2003 р., на шести Міжнародних науково-технічних конференціях “MіcroCAD” з інформаційних технологій: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я (Харків, НТУ “ХПІ”) у 1999 - 2004 рр.

Публікації. Основні результати по темі докторської дисертації опубліковано в 27 статтях у періодичних журналах і науково-технічних збірниках, що входять у перелік ВАК України (в автореферат дисертації винесено 24, з них 11 одноосібних), у 22 доповідях в працях конференцій і 15 звітах по НДР. Отримано 1 патент на спосіб і пристрій.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 6 розділів, висновку, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 371 сторінку, у тому числі: 20 малюнків на 20 окремих сторінках, 10 таблиць на 6 сторінках, бібліографія з 183 найменуваннями на 18 сторінках, 9 додатків на 43 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі до дисертації розглядається стан наукових розробок, спрямованих на забезпечення оперативного і докладного аналізу стану навколоземного космічного простору. Обґрунтовується актуальність теми роботи і приймається рішення про розширення в півтора разу діапазону досліджуваних висот і про збільшення кількості (за рахунок оцінки іонного складу) розраховуємих параметрів іоносферної плазми. При цьому основну увагу приділено модернізації тих інформаційних процедур (у першу чергу, пов'язаних з розрахунками АКФ і їх подальшою ідентифікацією), від яких залежить ефективна оцінка параметрів середовища в зворотній задачі розсіяння.

Показано взаємозв'язок проведених у дисертації досліджень з науковими програмами і темами, визначено об'єкт і мету досліджень, сформульовано основні задачі, відображено наукову новизну і практичну цінність досліджень. Приведено дані про особистий внесок автора, апробацію результатів роботи і про їх впровадження.

У першому розділі “Аналіз і врахування особливостей дистанційного зондування іоносфери Землі за допомогою радарів некогерентного розсіяння” приводиться схема вимірювальних перетворень сигналу НР, у якій відображаються особливості процедур оцінки параметрів іоносферної плазми по сигналу розсіяння. Її аналіз показав можливість зниження похибок оцінки параметрів у випадку впровадження сучасних методологічних підходів до обробки сигналу НР і використання статистичного аналізу розв'язків зворотної задачі.

Для реалізації цієї можливості розглянуто особливості визначення параметрів іоносферної плазми в процесі аналізу статистичних характеристик сигналу НР і відмінності у розрахунках характеристик сигналу НР на різних висотних рівнях. Із аналізу випливає, що існує декілька режимів зондування, і кожний з них має певні переваги перед іншими, але у своєму обмеженому інтервалі висот. Через суттєві зміни з висотою характеру флуктуації електронної концентрації важко або неможливо, застосовуючи тільки прості зондувальні сигнали, з однаковою точністю вимірювати спектри або АКФ флуктуацій перерізу розсіяння на всіх висотних рівнях. Циклічний перехід від режиму до режиму зменшує ефективність кожного з них у зв'язку із втратою статистичної точності вимірювань і проблемами у роботі передавачів [1].

Проведено аналітичний огляд сучасного стану діючих радіолокаторів НР і їх апаратурного оснащення, вказано на недоліки окремих пристроїв. Більшість радіолокаційних систем, що використовують метод НР, проводять зондування іоносфери Землі лише до 1000 км, що визначається потенціалом радіолокаційних установок [2]. Звідси випливає, що подальше розширення діапазону досліджуваних висот без погіршення висотно-часового розділення лежить на шляху використання перспективних методологічних підходів до обробки іоносферної інформації.

З метою узагальнення і модернізації теорії та практики імпульсного зондування пропонується [3 - 6] для подальшого аналізу узагальнена схема (рис. 1) вимірювальних перетворень у методі НР. Згідно їй, є можливість використовувати як кодування зондувальних сигналів, більш точно обчислювати і ідентифікувати АКФ, так і проводити адаптивне управління і координацію експерименту. Схема містить систему розпізнавання, що складається із сукупності алгоритмічних засобів аналізу інформації при тривалих іоносферних вимірюваннях. До неї відносяться статистичні процедури розрахунку параметрів, які дозволяють при зменшенні відношення сигнал/шум до 0.01 все ще достатньо надійно оцінювати стан іоносферної плазми і проводити якісний поточний геофізичний аналіз, послідовно уточнюючи результати досліджень. В цілому ці обчислювальні перетворення синтезовані на базі системного підходу, що враховує як характеристики зондувального сигналу і просторово-часові характеристики іоносферної плазми, так і апаратурні особливості радарної системи і програмні можливості комп'ютерних мереж.

Другий розділ “Ефективність зондування іоносфери складними сигналами с заданими кореляційними характеристиками. Дослідження властивостей автокореляційних функцій сигналу НР” присвячено розгляду питань, пов'язаних із аналізом закономірностей кодування зондувального сигналу, розробкою варіантів складених сигналів для зондування іоносфери у висотному інтервалі одночасно від 100 км до 1500 км. Проведено математичне дослідження процесу вимірювань ординат АКФ і розгляд властивостей цих ординат при моделюванні сигналу НР, що дає можливість аналізу довірчих інтервалів і статистичної атестації його нормованих АКФ.

I. Так як процес розсіяння є випадковим процесом і може бути описаний з використанням АКФ флуктуації електронної концентрації, то виникає необхідність у подальшому розвитку теорії синтезу зондувальних сигналів із заданими кореляційними характеристиками. Це дозволяє більш точно охарактеризувати статистичні властивості сигналу НР у випадку зондування іоносфери в широкому діапазоні висот [1, 3]. На основі розвиненої дискретної моделі розсіяння проведено аналіз, який дозволив узагальнити принципи кодування зондувальних сигналів врахуванням особливостей некогерентного розсіяння радіохвиль і апаратурного оснащення радара НР метрового діапазону. Було визначено, що в результаті зондування іоносферного середовища реєструється розсіяння, яке характеризується багатомірним випадковим вектором, і яке можна описати матрицею Z = A x G x U виду

, (1)

де A = diag(a₁, a₂, …, a_n) - n-елементний вектор, що описує зонд, G = diag(g₁, g₂, …, g_m) - m-елементний вектор, що описує імпульсну характеристику приймача і може представляти характеристику, узгоджену із ФМ і АМ сигналом, U = (u_i,k) - матриця, елементи якої відповідають коефіцієнтам відбиття, і яка відображує просторово-часові характеристики іоносферної плазми.

Обчислення за прийнятим сигналом розсіяння ординат АКФ і синхронне їх декодування (використовуючи коефіцієнти “±1”) можна пов'язати із закономірностями проходження вздовж висоти елементів кодованої посилки А. В результаті їх аналізу виявлена можливість мінімізувати як складові, що відносяться до бічних (вище і нижче центрального шару товщиною сТ/2n) іоносферних шарів цього періоду випромінювання, так і складові декількох попередніх періодів, а також адитивні складові шумів різної природи. Циклічно змінюючи закон кодування та усереднюючи результати на протязі достатньо великої кількості радіолокаційних розгорток, можна компенсувати ці складові, одержавши значний виграш у вигляді збільшеної розрізнювальної спроможності вимірювань з одночасним покращенням завадостійкості прийому.

Таке матричне кодування дозволяє використовувати для зондування сигнали з фазовою, амплітудною маніпуляцією, а також маніпуляцією напрямком обертання плоскості поляризації. На базі цих матричних кодів запропоновані складені радіолокаційні сигнали, що містять дискретні частотні елементи різної тривалості зі своїми законами зміни несучої. В цілому вони призначені для одночасного зондування всіх (в інтервалі 100 - 1500 км) висотних рівнів іоносфери

На цій основі запропоновано коди [7], що дозволяють врахувати модуляційну похибку вимірювань ( визвану, наприклад, процесами відновлення робочих характеристик антенного комутатора). Вони можуть знаходитись у складі сигналу у вигляді допоміжних складових (інтервал ф_{відновл}) або представляти модифіковані елементи на частоті f₃.

II. Проведено дослідження властивостей статистичних характеристик нормованих АКФ сигналу НР на прикладі аналізу моделі випадкового комплекснозначного марківського процесу z(t), який запропоновано описати стохастичними рівняннями виду (першого роду) і (другого роду), де - породжувальний процес “білого шуму”. Цей процес характеризується нульовим середнім, інтенсивністю у та коефіцієнтами, що задають експонентну та гармонійну складові форми його АКФ - декрементом загасання і середньою частотою щ.

На основі аналізу дискретної і неперервної реалізацій сигналу НР були сформульовані послідовності тверджень [8], що дозволило обґрунтувати статистичні властивості кореляційного функціоналу відповідно до випадків його адитивного та інтегрального видів

(2)

де ф - часовий інтервал затримок; - індекс дискретного інтервалу затримки; ф_о - елемент затримки, значення якого кратне періоду дискретизації сигналу; 2N, 2Т - об'єми вибірок із генеральної сукупності випадкових значень відліків нормального марківського процесу.

Були знайдені аналітичні вирази для опису характеристичних функцій випадкових значень з цих функціоналів. Із цих виразів випливає, що густину розподілу ймовірностей випадкових значень кореляційного функціоналу можна інтерпретувати як згортку густини розподілу ймовірностей і , пов'язаних із кореляціями і антикореляціями у випадкових функціоналах K_і и K(ф). У свою чергу, функції і , як і сама густина f_ф(з), визначаються як результат зворотного перетворення Лапласа від відповідних характеристичних функцій і .

В результаті такого моделювання вперше отримані сімейства кривих густини розподілу для статистичної атестації АКФ сигналу НР, одержаних на різних висотних рівнях. Вони дозволяють розраховувати довірчі інтервали Д значень їх ординат при різних умовах експерименту. Розкид ординат пов'язаний зі ступенем корельованості вхідних даних НР, випадковим характером послідовностей та залежить від кількості відліків у процесі їх висотного стробування. Така інформація дозволяє оцінити ступінь вірогідності результатів і мінімізувати помилки у подальших розрахункових процедурах.

Одержані сімейства густини розподілу f(з) випадкових значень з інтегрального кореляційного функціоналу для процесу, що описується рівнянням першого роду [3, 5]. Криві отримано для значень індексу затримок ф/_о = 0, ..., 1.5, інтенсивності процесу = 1 і декременту загасання =2. На рис. 3б-г приведено розраховані сімейства густини розподілу f_ф(з) інтегрального кореляційного функціоналу у випадку аналізу процесу, що описується рівнянням другого роду [6, 9], з урахуванням середньої частоти . Криві одержано для значень індексу /_о = 0, ..., 1.5 при інтенсивності = 1, декременту =5, а також частоти = 5 - у першому випадку, = 7.5 - у другому і = 10 - у третьому.

Варіанти сімейства кривих густини розподілу ординат адитивного кореляційного функціоналу (2) в залежності від зменшення числа відліків від N = 20 до N = 1. Криві розраховані [2] для значень = 0.5, у = 1 при затримках /_о = 0; 5 (а) і /_о = 0; 2; ...; 16 (б).

Отримані залежності несуть статистично вичерпну інформацію, необхідну для розрахунку значень довірчих інтервалів для кожної із затримок Д(ф) у залежності від рівня задаваємої довірчої ймовірності р. Ці відомості використовуються при перетвореннях АКФ, аналізі і обробці даних, у тому числі і в алгоритмах розв'язання зворотної задачі в якості вагових (регуляризуючих) коефіцієнтів при ординатах експериментальних АКФ.

У третьому розділі “Ефективність визначення параметрів іоносферної плазми при багатокомпонентному іонному складі” розроблено методи і алгоритми, призначені для уточненого аналізу результатів і відбраковування завад із сигналу НР та його АКФ. Запропоновано процедури більш коректного розв'язання зворотної задачі при оцінці параметрів багатокомпонентної іоносферної плазми, адаптовані до особливостей некогерентного розсіяння в інтервалі висот 100 - 1500 км. Також розроблено процедури, що дозволяють оцінювати точність та вірогідність обчислень.

I. Представлено варіанти статистичної обробки сигналу розсіяння і його АКФ в сеансах вимірювань кінцевої тривалості і при довільних співвідношеннях сигнал/шум в умовах реального фону імпульсних і флуктуаційних завад. Для цього розроблено систему розпізнавання, що складається із сукупності технічних і алгоритмічних засобів аналізу інформації. У системі використовується апріорна інформація, яка, відповідно до обраної класифікації ознак, відносить завади до різних класів ₁, ₂, …, _i,… (амплітудна перешкода у вигляді відбиття від дискретних об'єктів, перешкода із-за збою апаратури обробки, завада, викликана частотною нестабільністю передавача або приймача і т.д.). Ця апріорна інформація, необхідна для функціонування процедур розпізнавання, представлена деякою інформаційною сукупністю, що задана значеннями своїх n ознак [х₁⁽ⁱ⁾, х₂⁽ⁱ⁾, …, х_n⁽ⁱ⁾] _i завад. Мета процедури - організація розпізнавання цих сигналів шляхом багаторазового пред'явлення системі їх ознак для подальшого виділення і виключення завад із загальної інформації.

Результати спостережень сигналу розсіяння звичайно представляють собою масиви двомірних (n х m) послідовностей, що описують висотно-часові варіації суміші сигнал+шум, а також ординат ненормованих АКФ і коефіцієнтів кореляції сигналу НР. Через статистичні помилки вимірювань, специфічний характер геофізичних явищ і перешкоди, що накладаються, ці послідовності представляють собою спотворені вибірки.

З метою аналізу вхідних даних було розглянуто особливості цих експериментальних кривих і запропоновані варіанти їх обробки. Так, на першому етапі, при прийомі сигналу НР, пропонується проводити адаптивну апаратуру фільтрацію за допомогою аналогових фільтрів [10], а потім - додаткову обробку, використовуючи спеціальні алгоритми [11].

Перша процедура здійснюється при прийомі сигналу НР, коли в залежності від радіолокаційної затримки використовуються фільтри з різною смугою пропускання (від 5 до 20 кГц для випадку метрового діапазону радіохвиль). Використовуючи швидкодіючий комутатор, запропоновано відслідковувати ширину спектра сигналу НР, підтримуючи на кожній висотній ділянці максимальні значення сигнал/шум.

Для реалізації другої процедури запропоновано такі алгоритми.

1. Аналіз часових вибірок х₁(h_k),... х_i(h_k), …, х_n(h_k), взятих для k-ї висоти в n розгортках цифрованого сигналу НР (рис. 5) з відбраковуванням аномальних значень. Використовуємий критерій - значення х_i(h_k) повинні відповідати довірчому інтервалу при їх порівнянні з дисперсією s²(h_k) у частині вибірки, що залишилася після відкидання аномальних значень.

2. Аналіз ординат АКФ сигналу НР (рис. 6) та коефіцієнтів кореляції в процесі їх статистичного усереднення, взятих для суми р розгорток. У першому випадку - в групі із n АКФ з однієї висоти по кожній ординаті реалізується процедура, аналогічна алгоритмові п.1. У другому - виділення m висотних ділянок АКФ (нижче і вище максимуму іонізації, в максимумі) і аналіз уже висотного розподілу вибірок х_p(h₁),..., х_p(h_k), ..., х_p(h_m) з використанням критерію, що їх вибіркова дисперсія повинна знаходитись в припустимих межах на фоні отриманих за експериментальним рядом кривих різних розподілів (експоненти, суми експонент, параболи та ін.). У третьому - статистичний аналіз висотних вибірок коефіцієнтів кореляції сигналу, який використовує відомості про статистику і довірчі інтервали Д(ф) із кривих густини розподілу кореляційних функціоналів (2).

Всі зазначені процедури будуються на режимі інтерактивного контролю, який дозволяє по довірчому інтервалу для довірчої ймовірності 0.68...0.95 виявити розбіжність при перевірці числових масивів на відхилення, які логічно несумісні або суперечать попередній інформації про правдоподібні межі значень сигналу на окремих висотних ділянках. Це дозволяє виявити ті екстремальні значення, що виходять за межі довірчих інтервалів. Також для виявлення груп аномальних значень проводиться аналіз тих суміжних відліків, що із великим ступенем упевненості можна вважати сильно пов'язаними.

II. Розроблені методика та алгоритми [12] виявлення і вимірювання радіальної швидкості літальних об'єктів у діапазоні значень, близьких до нульових, відбиття від яких серйозно ускладнює аналіз сигналу НР, особливо при наявності тонких спорадичних шарів. Для ідентифікації таких об'єктів зазвичай використовуються імпульси великої тривалості і кореляційні вимірювання при великих значеннях затримок, що веде до погіршення розрізнювальної спроможності Дh радіолокатора за дальністю. Використовуючи ж обчислення коефіцієнтів кореляції у характерних точках АКФ, можна ідентифікувати літальний об'єкт, вимірявши фазовий зсув прийнятого сигналу щодо зондувального і обчисливши радіальну швидкість за приростом цього фазового зсуву за значний інтервал часу, що кратний, наприклад, періоду повторення зондувального імпульсу. При цьому значення швидкості можна обчислити, використовуючи вираз

 n = 1, 2, 3, ….,

де V_r - радіальна швидкість об'єкта, - довжина робочої хвилі, Т_п - період повторення зондувального імпульсу. Приріст фазового зсуву Д^о_n (у градусах) за інтервал часу, що дорівнює nТ_п, визначається із умов:

де t = t_і - радіолокаційна затримка, - фіксована частка періоду коливань проміжної частоти (наприклад, 1/3, 1/4, 5/4 і т. п).

Так як інтервал кореляції для сигналу НР значно менше періоду повторення Т_п, то такий спосіб дає можливість вияви та ідентифікації сигналу від літальних об'єктів під час основного режиму вимірювань. Покращується завадостійкість методу іоносферного зондування, зокрема, при малих радіолокаційних затримках (малі висоти).

III. Проведено дослідження перспективних технологій, що дають можливість оперативної ідентифікації іоносферних параметрів для випадків одно,- двох- і, в перспективі, багатокомпонентного іонного складу. При цьому розглянута можливість адаптації розв'язків зворотної задачі до особливостей некогерентного розсіяння радіохвиль.

Процедура визначення іоносферних параметрів та їх висотного розподілу раніше зводилась до спрощених математичних обчислень, коли розв'язання зворотної задачі заміняв аналіз і зіставлення табличних або графічних даних, які відображали поведінку ординат поблизу лише деяких характерних точок нормованих АКФ сигналу НР (положення першого ф₁, другого ф₂ нулів функції і локальний мінімум на інтервалі між ними). Маючи значні похибки апроксимації, цей метод до того ж не дає можливості оцінювати поведінку плазми при багатокомпонентному іонному складі, тому що в цьому випадку необхідно проводити аналіз форми експериментальної АКФ на більш протяжному інтервалі кореляції.

Для реалізації більш коректної процедури запропоновано обчислювальні алгоритми [2, 13 - 17], що дозволяють реалізувати розв'язання зворотної задачі, використовуючи різні варіанти її виконання. Наприклад, реалізовано варіант експрес-обробки, який призначено для середнього висотного діапазону (250 - 500 км), тобто у випадку наявності однокомпонентного іонного складу. Цей варіант призначено для відстеження початку аномальних подій у іоносфері, пов'язаних із магнітними збуреннями, вибухами, землетрусами, запусками ракет. Задача при цьому - максимально скоротити тривалість обчислень при ідентифікації параметрів. Процедура полягає у такому.

Спочатку для приведення АКФ сигналу НР до АКФ флуктуацій електронної густини іоносфери здійснюється корекція її форми з урахуванням характеристики зондувального імпульсу, імпульсної характеристики приймача і вибірки по дальності. Потім реалізується алгоритм пошуку мінімуму, за допомогою якого в процесі покоординатного спуску визначається найменше сумарне відхилення усіх (i = 1 ... k) скорегованих експериментальних ординат АКФ від відповідних ординат із набору S теоретичних (у вигляді моделей, одержаних при розв'язанні прямої задачі) АКФ . Цей функціонал має вигляд

, (3)

де - вектор іоносферних параметрів, який для випадку однокомпонентного (О⁺) іонного складу приймається рівним де j - число параметрів P в такому складі: N_e - електронна концентрація, T_i, T_e - іонна та електронна температури заряджених часток іоносферної плазми, дP^j - довірчі інтервали для кожного параметра як функція статистичного усереднення результатів. Розв'язок за допомогою цього функціоналу відшукується при аналізі експериментальних АКФ окремо на усіх висотних ділянках із центрами на висотах h_r (r = 1 ... n), узятих через деякий інтервал.

Наступні варіанти запропонованої обробки реалізують оцінку стану іоносферної плазми з урахуванням її двохкомпонентного іонного складу [комбінація іонів кисню О⁺ з молекулярними іонами М⁺ (суміш О₂⁺ , NO⁺ і N₂⁺) на висотах 100 - 250 км], та трьохкомпонентного складу (комбінація іонів кисню О⁺, водню Н⁺ і гелію Не⁺ на висотах 500 - 1500 км). У цьому випадку вектор приймається рівним де - відносні густини для кожного із m (у загальному випадку) варіантів іонного складу.

Розглянута подальша модифікація цих алгоритмів за рахунок підвищення стійкості методу мінімізації функціоналу (3). Це визвано тою необхідністю, що збільшення розмірності вектора призводить до збільшення числа неоднозначних розв'язків, особливо при зменшенні відношення сигнал/шум. Причина в тому, що на практиці проявляються апаратурно-методичні обмеження методу НР, які значно ускладнюють процес обчислення експериментальних ординат. Так, наприклад, немає технічних можливостей реалізувати нескінченно велике число кореляційних каналів для відстеження АКФ на всьому інтервалі кореляції, що, в свою чергу, не забезпечує достатню точність у подальших Фур'є-перетвореннях. Проявляють себе і статистичний розкид ординат, використання кінцевого інтервалу для значень компонентів вектора та ін.

Неоднозначність завжди буде існувати, тому що в реальних вимірюваннях при наявності статистичних і (або) інших похибок зміна положення вектора в n-мірному просторі за рахунок зміни однієї із компонент вектора може бути скомпенсована зміною значень інших компонент. У зв'язку з цим було запропоновано [2] інакше поставити умову розв'язання зворотної задачі. Її розв'язанням будуть такі значення параметрів, що реалізують мінімум функціоналу (3), але при залученні допоміжних регуляризуючих (по максимуму правдоподібності) операторів, які враховують вплив задаваємих обмежень. Їх призначення наступне.

Нехай функціонали , і = 1, 2, ... такі, що і-й із них визначено на функціях r(ф), що задовольняють і-й вимозі, яка накладається на ординати. Ці функціонали характеризують особливості АКФ. Аналогічно, нехай функціонали, k = 1, 2, ... такі, що кожний із них визначено на функціях [M], що задовольняють k-й умові, яка накладається на розподіл іоносферних параметрів. Ці функціонали характеризують середовище розсіяння - плазму. Виходячи з цього, потрібні функціонали , визначені на n функціях, що задовольняють усім умовам, що накладаються на нормовані АКФ сигналу НР (або на АКФ флуктуацій електронної концентрації), і функціонали , визначені на m функціях, що задовольняють всім умовам, що накладаються на характеристики середовища. При цьому _i і _k - множники значимості, обрані відповідно до впливу вказаних умов.