Развитие цифровых методов обработки ионосферных сигналов

Изучение вопросов распространения, приёма и обработки ионосферных сигналов продолжает оставаться актуальной областью исследований. Это обусловлено как научными целями, так и практической необходимостью. Научные цели связаны, в первую очередь, с необходимостью получения информации о сложных и не полностью изученных процессах, происходящих в ионосфере под действием внутренних факторов, а также под действием космического и солнечного излучения. Наклонное зондирование ионосферы с помощью коротких радиоволн позволяет практически мгновенно обнаруживать волнообразные процессы, обусловленные природными (землетрясения, грозы, торнадо и т. д.) и антропогенными (взрывы, запуски ракет) факторами. Оно даёт возможность изучения солнечно-земных связей, влияния космического излучения на атмосферу Земли. Развитие данной тематики даёт возможность решения одной из важнейших задач — задачи мониторинга ионосферы методами наклонного зондирования в коротковолновом диапазоне.

Сложность ионосферных сигналов, обусловленная многолучёвостью, рассеянием, анизотропностью и дисперсионностью среды распространения — ионосферы, неоднородностью и нестационарностью, предопределяет вторую важную научную цель исследований. Она связана с развитием теории и методов обработки ионосферных сигналов с целью получения полной и достоверной информации о процессах, происходящих в ионосфере. В настоящее время с развитием микроэлектроники и вычислительной техники появляются новые возможности обработки ионосферных сигналов. Они связаны с развитием теории обработки сложных сигналов, с разработкой новых методов обработки, отличающихся высокой точностью и достоверностью. Основой при этом являются положения теории оптимального приёма.

Практическая необходимость развития исследований в области приёма и обработки ионосферных сигналов связана с разработкой и модернизацией сложных комплексов аппаратуры, использующих ионосферные сигналы. К ним относятся ионосферные системы связи, пеленгационные комплексы аппаратуры, системы локации в области декаметровых волн, включая загоризонтную локацию, навигационные системы.

Одной из наиболее важных задач в области приёма и обработки ионосферных сигналов является задача разделения лучевой структуры сигнала. При реше3 нии этой задачи исключаются интерференционные изменения сигнала, и появляется возможность получения достоверной информации об отдельных частях ионосферы. В настоящее время задача разделения лучевой структуры сигнала решается методом доплеровской фильтрации. Основой метода доплеровской фильтрации является очень малая ширина спектральных линий ионосферных сигналов. При спокойной ионосфере ширина линии спектра (зеркальное отражение) достигает десятых и сотых долей Гц. В результате относительного перемещения области отражения отдельного луча позволяют осуществить их частотное обнаружение и выделение за счёт эффекта Доплера. Однако ионосферные сигналы в этих случаях должны иметь интервал стационарности ~70^-100 с. В периоды возмущённой ионосферы, наиболее интересные с точки зрения обнаружения, изучения и диагностики ионосферных возмущений, интервал стационарности ионосферных сигналов существенно уменьшается до 5+20 с и менее. В этих условиях использование цифрового спектрального анализа, основанного на преобразовании Фурье, оказывается неприемлемым. В этом случае разрешающая способность оказывается недостаточной для разрешения лучевой структуры ионосферных сигналов. Таким образом, классический метод доплеровской фильтрации ионосферных сигналов оказывается ограниченным областью стационарных сигналов. При использовании этого метода на интервалах выборки данных больших, чем интервал стационарности возникают искажения доплеровского спектра вплоть до появления ложных спектральных линий. Ионосфера в этом случае осуществляет модуляцию зондирующего сигнала по амплитуде, фазе и частоте.

В работе /1/ рассмотрена возможность доплеровской фильтрации ионосферных сигналов на основании положений теории оптимального приёма /2,3,4,5,6/. Основным результатом этой работы является разработка алгоритма с высокой разрешающей способностью, позволяющего получать доплеровский спектр на интервалах ~20 с по сравнении с 80-ю секундами при классической доплеровской фильтрации. Этот результат основан на том, что узкие спектральные линии ионосферного сигнала (доли Гц) дают возможность получения N-4 000-^-2000 некоррелированных по шуму отсчётов в выборке данных. В результате чего отношение сигнал/шум относительно выхода приёмника может быть увеличено в раз, т. е. на ~30 дБ. Однако данные исследования нуждаются в экспериментальной проверке. Кроме того, в работе /1/ не была учтена амплитудная нестационарность ионосферных сигналов, связанная с явлениями фокусировки, дефокусировки, поглощением, изменением поляризации. Все эти явления приводят к нестационарности ионосферных сигналов, что в свою очередь создаёт мультипликативную помеху. Наличие помех такого рода является характерной особенностью ионосферных сигналов. Теоретической основы для обработки сигналов с такого рода помехами практически нет.

При приёме ионосферных сигналов одной из важных задач является задача обнаружения сигнала. Она сравнительно легко решается при больших отношениях сигнал/шум. Однако при существенном ослаблении сигнала за счёт большого поглощения или малых значений критических частот отдельных областей ионосферы эта задача практически не решена. Сложностью её решения является зависимость энергии сигнала от времени на интервалах интерференционных изменений. В теории оптимального приёма задача обнаружения сигнала в условиях многолучевого приёма не рассматривалась. Однако она может быть решена за счёт использования методов корреляционного или спектрального анализа с подавлением эффекта интерференции. В этом случае появляется возможность получения детальной информации о распространении радиоволн за счёт отражения от локальных неоднородных образований в ионосфере.

Указанные выше задачи могут быть успешно решены при создании современного комплекса аппаратуры, позволяющего использовать существующие достижения в области цифровой обработки сигналов. Комплекс должен обладать большим динамическим диапазоном для регистрации как слабых, так и сильных сигналов. Он должен позволять фиксировать суточные изменения сигнала и его параметров, а также иметь возможность отображать информацию на малых интервалах времени (~1 с). В настоящее время такая возможность имеется. Например, при объединении аналоговой части комплекса с существующими цифровыми устройствами регистрации и отображения данных типа «SIGMA».

Таким образом, настоящая диссертационная работа направлена на развитие методов обработки сложных ионосферных сигналов с целью повышения точности и достоверности получаемой информации об ионосфере. В диссертационной работе решаются следующие задачи.

1. Развитие положений теории оптимального приёма в приложении к ионосферным сигналам.

2. Разработка и создание современного цифрового комплекса аппаратуры для приёма ионосферных сигналов.

3. Проведение модельных, макетных и экспериментальных исследований метода доплеровской фильтрации с высоким разрешением.

4. Экспериментальные исследования поляризационной структуры ионосферных сигналов.

5. Создание метода обработки импульсных ионосферных сигналов.

IV Заключение.

Изложим кратко результаты, полученные в настоящей работе.

1. Создан комплекс аппаратуры для исследования вопросов ионосферного распространения радиоволн. Он характеризуется следующим:

— комплекс позволяет получать экспериментальные данные в цифровом виде о динамике ионосферных сигналов в широком динамическом диапазоне с частотой оцифровки 500 кГц;

— комплекс позволяет отображать амплитудную, частотную, фазовую зависимости ионосферного сигнала на интервалах от долей секунды до суточных интервалов в режиме текущего времени;

— комплекс даёт возможность отображать спектр ионосферных сигналов с разрешением до десятых долей Гц в режиме текущего времени;

— с помощью комплекса оценивается уровень шума и помех при приёме ионосферных сигналов.

2. Проведены модельные, макетные и экспериментальные исследования метода доплеровской фильтрации с высоким разрешением спектральных линий. Получено следующее:

— модельные и макетные исследования показали высокую эффективность метода доплеровской фильтрации с высоким разрешением. Задача доплеровской фильтрации может быть решена на интервале четверти периода разностной частоты составляющих спектра;

— экспериментальные исследования показали наличие сильной мультипликативной помехи в ионосферных сигналах. Она обусловлена вариациями амплитуд и фаз сигнала, связанными с поляризационными изменениями амплитуд составляющих спектра с фокусировкой и дефокусировкой на интервалах ~ десятков секунд;

— сделан вывод: мультипликативная помеха существенно снижает эффективность доплеровской фильтрации ионосферных сигналов, проведенной методом максимального правдоподобия и приводит к искажению спектра за счёт модуляции параметров ионосферного сигнала динамическими процессами в ионосфере.

3. Проведены экспериментальные исследования поляризационной структуры ионосферного сигнала с выделением модовой структуры. Они показали следующее:

— поляризационные изменения выделенных во времени мод ионосферных сигналов существенно изменяют их амплитуду. Приводя к эффекту амплитудной модуляции, а, следовательно, и к мультипликативной помехе;

— получена статистика поляризационных характеристик выделенных во времени мод сигнала;

— подтверждено по экспериментальным данным наличие эффекта Поккельса на квазипоперечных трассах.

4. Проведено исследование возможности выделения лучевой структуры ионосферного импульсного сигнала. При этом получено следующее:

— разработан метод оценки параметров составляющих сигнала по временному запаздыванию радиоимпульсов, отражённых от разных областей ионосферы при условии, что длительность радиоимпульса больше времени запаздывания радиоимпульсов;

— сделан вывод о высокой эффективности разработанного метода. Разрешение отдельных составляющих ионосферного сигнала увеличивается в -50 раз по сравнению с известными методами;

— разработан метод фазового уточнения частоты принимаемого радиоимпульса. Дисперсия частоты в этом случае достигает нижней границы Рао-Крамера;

— разработан метод оценки начальных фаз радиоимпульсов с частичным наложением во времени. В отличие от корреляционного анализа, в котором начальная фаза оценивается в точке начала радиоимпульса, в данном методе начальная фаза оценивается по квадратурным компонентам при полном исключении частоты радиоимпульса;

— показана возможность решения проблемы в системах локации, которая заключается в невозможности одновременного увеличения точности оценок времени приёма радиоимпульса и его частоты. Метод оценки начальной фазы радиоимпульса предопределяет возможность фазового уточнения времени приёма радиоимпульса.

5. Получили развитие положения теории оптимального приёма:

— уточнена методика решения задачи разрешения подобных сигналов. Решение представлено в двух видах: в форме метода максимального правдоподобия и на основе разностного уравнения. Получены оценки дисперсии параметров Рао-Крамера;

— разработана геометрическая интерпретация метода обработки неортогональных сигналов на основе представлений линейного пространства сигналов;

— получено выражение, определяющее зависимость отношения разрешающей способности метода максимального правдоподобия к разрешающей способности классического спектрального анализа от количества некоррелированных по шуму отсчётов;

— получены выражения, определяющие решение задачи разрешения подобных сигналов при наличии мультипликативной помехи.