Підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери при дистанційному моніторингу методом некогерентного розсіяння

44. Боговский В.К., Григоренко Е.И., Пазюра С.А., Пуляев В.А., Скляров И.Б., Таран В.И., Черногор Л.Ф. Эффекты солнечного затмения 31 мая 2003 года, развивающиеся на фоне восстановительной фазы магнитной бури // Сб. тезисов 3-й укр. конф. по перспективным космическим исследованиям. - Крым, Кацивели: Ин-т косм. иссл. НАНУ-НКАУ. - 2003. - С. 143.

45. Гончаренко Л.П., Дзюбанов Д.А., Пуляев В.А., Таран В.И. Нелинейные эффекты в ионосфере, зарегистрированные радаром некогерентного рассеяния в Харькове // Труды XIX-й Всерос. науч. конф. “Распространение радиоволн”. - Татарстан: Казанский госун-тет. - 1999. - С. 351-352.

46. Емельянов Л.Я., Пуляев В.А., Скляров И.Б. Высотно-временные зависимости скорости движения ионосферной плазмы, полученные по корреляционным измерениям методом НР // Труды XX Всеросс. научн. конфер. по распространению радиоволн. - Нижний Новгород: Талам. - 2002. - С. 48-49.

47. Таран В.И., Лысенко В.Н., Григоренко Е.И., Пуляев В.А. Ионосферные эффекты магнитной бури по наблюдениям на радаре некогерентного рассеяния в Харькове // Вестник ХГПУ: Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - Вып. 7, Ч. 3. - С. 381-383.

АНОТАЦІЇ

Пуляєв В.О. Підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери при дистанційному моніторингу методом некогерентного розсіяння. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.07.12 - дистанційні аерокосмічні дослідження. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Харків, 2006.

У дисертації з метою підвищення ефективності визначення параметрів іоносфери при дистанційному моніторингу іоносфери Землі методом некогерентного розсіяння (НР) у широкому інтервалі висот розглядаються питання узагальнення теорії і практики зондування та обробки сигналу некогерентного розсіяння, а також багатопараметричної ідентифікації стану плазми по автокореляційним функціям цього сигналу.

Розроблено теоретичні положення, сформульовано принципи побудови систем імпульсного зондування і обробки, створено алгоритми їх функціонування при синтезі інформаційних технологій, адаптованих до особливостей некогерентного розсіяння радіохвиль. Модифіковано методи і алгоритми аналізу та обробки сигналу розсіяння, що сприяло подальшому розвитку теорії розв'язку зворотної задачі електродинаміки.

Обґрунтовано структуру спеціалізованого пристрою багатоканальної обробки, синтезовано загальну структуру апаратурних засобів для їх спільної взаємодії з багаторівневою комп'ютерною мережею у випадку функціонування у складі міжнародної мережі радарів НР. Організовано локальну базу даних радара, розроблено прикладне програмне забезпечення, отримано нові експериментальні дані про структуру і динаміку іоносферної плазми в інтервалі висот 100 - 1500 км.

Ключові слова: іоносферний моніторинг, дистанційне зондування, некогерентне розсіяння радіохвиль, параметри іоносферної плазми, радіолокаційні пристрої, автокореляційна функція, зворотна задача розсіяння.

Пуляев В.А. Повышение эффективности определения параметров ионосферы при дистанционном мониторинге методом некогерентного рассеяния. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.07.12 - дистанционные аэрокосмические исследования. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, Харьков, 2006.

В диссертации, с целью повышения эффективности определения параметров ионосферы Земли при ее дистанционном мониторинге методом НР в широком интервале высот, рассматриваются и обобщаются вопросы теории и практики импульсного зондирования, эффективной обработки сигнала некогерентного рассеяния (НР), многопараметрической идентификации состояния ионосферной плазмы по статистическим характеристикам этого сигнала - автокорреляционным функциям (АКФ).

Показано, что радиолокационные системы, использующие метод НР, позволяют наземными средствами проводить исследование ионосферы Земли в интервале высот, который без применения перспективных информационных технологий определяется лишь потенциалом радиолокационной установки: импульсной мощностью передатчиков, эффективной поверхностью используемых уникальных антенн и чувствительностью приемников.

Так как эти характеристики радиолокационных систем ограничены, дальнейшее увеличение точности измерений, расширение диапазона исследуемых высот, а также увеличение высотно-временного разрешения лежат на пути использования комплексного методологического подхода к реализации более эффективных зондирующих сигналов и алгоритмов обработки ионосферной информации.

В процессе решения этого комплекса задач развиты теоретические положения, сформулированы и обоснованы принципы построения импульсных радаров НР и систем обработки информации. На основе современных информационных технологий разработаны алгоритмы функционирования, процедуры обработки, адаптированные к особенностям некогерентного рассеяния радиоволн в ионосферной плазме.

Разработана дискретная модель сигнала рассеяния на выходе радиоприемной системы и проведен анализ, который позволил обосновать принципы кодирования зондирующих сигналов, учитывающие особенности некогерентного рассеяния радиоволн и аппаратурное оснащение радара НР метрового диапазона.

В рамках этой модели предложен синтез зондирующих сигналов с заданными характеристиками в виде составных сигналов, в которые включены элементы для проведения и текущего контроля, что в целом предназначено для одновременного (в одном сеансе) и надежного исследования ионосферы в высотном интервале от 100 км до 1500 км.

Проведено математическое моделирование процесса измерения АКФ сигнала НР при исследовании корреляционного функционала, определенного на комплекснозначном нормальном марковском процессе. Получены аналитические выражения, описывающие статистические свойства такого функционала и найдены плотности распределения вероятностей для статистической аттестации ординат АКФ сигнала рассеяния, рассчитаны их доверительные интервалы. Приведен пример использования найденных плотностей распределения для повышения достоверности оценки параметров ионосферной плазмы. Разработаны методы и алгоритмы, предназначенные для статистического анализа и фильтрации отсчетов сигнала НР и его АКФ в случае слабого, до 0.01 (по мощности) от уровня шумов, сигнала рассеяния.

Рассмотрены технологии обработки ионосферной информации, использующие минимизацию решения обратной задачи рассеяния (теория электродинамики) применительно к особенностям НР при импульсном зондировании с учетом локальных характеристик плазмы на различных высотных интервалах. С целью сужения диапазона возможных решений обратной задачи предложены процедуры, обеспечивающие регуляризацию и сходимость оценок за счет использования дополнительной априорной информации о характере высотного распределения параметров.

Получили дальнейшее развитие вопросы построения систем обработки сигналов НР и обобщена структура специализированного устройства. Предложена модель реализации системы многоканальной обработки, предназначенная для решения обратной задачи и использующая принцип действия элементов искусственных нейронних сетей.

Проведен синтез общей структуры аппаратурных средств для организации процесса зондирования ионосферной среды и выделения радиофизической информации, используя комплексирование технических средств совместно с многоуровневой компьютерной сетью.

Сформирована локальная база экспериментальных данных при исследовании ионосферы радаром НР Института ионосферы НАН и МОН Украины (г. Харьков), реализовано ее подключение к международной базе радаров НР. Разработано прикладное программное обеспечение для управления информационными потоками в методе НР. При апробации результатов исследований получены достоверные экспериментальные данные о структуре и динамике ионосферной плазмы при погрешности измерений до 10 %.

Pulyayev V.A. Increase of efficiency of parameters definition of an ionosphere at remote monitoring by a method of an incoherent scatter. - Manuscript.

Thesis for the degree of Doctor of Technical Science in specialty 05.07.12 - Remote aerospace investigations. - National Aerospace in University named after N.Ye. Zhukovsky “KhAI”, Kharkov, 2006.

In a thesis is regarded an issue generalizations of the theory both practice of parameters definition and processing of a signal of incoherent radio wave scatter, multiparameter identification on autocorrelation functions of a signal of scattering of a condition of ionized plasma. The theoretical positions designed, the principles of construction of systems of probing and data processing are formulated, the algorithms of their operation are created with the purpose of researches efficiency of an ionosphere at remote monitoring by a method of an incoherent scatter in a broad interval of altitudes.

The methods both algorithms of the analysis and processing of a signal of scattering designed, using the theory of a return problem of an scatter. The structure of the specialized device of multiway processing, general scheme of hardware means for a team working with a multilevel computer network is updated at their operation in a structure of a global system of remote monitoring of the Earth ionosphere. The local database of the radar is organized, the applied software designed, the experimental data about structure and dynamics of ionospheric plasma are obtained.

Keywords: ionospheric monitoring, remote sounding, incoherent radiowave scatter, parameters of ionospheric plasma, radar devices, autocorrelation function, the return problem of a scatter.

Размещено на Allbest.ru