ИОНОСФЕРНЫЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
А. И. Галкин
Н. М. Ерофеев
Э. С. Казимировскии
В.Д.Кокоуров

АКАДЕМИЯ НАУК СССР
СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
Сибирский институт земного магнетизма,
ионосферы и распространения радиоволн
ИОНОСФЕРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
A. И.Галкин,
Н. М. Ерофеев,
Э. С. Казимировский,
B. Д. Кокоуров
И1
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
Москва 1971

УДК 551.5f0.535
Монография посвящена методическим вопросам аппаратурных
радиофизических измерений параметров ионосферной плазмы. Описываются
методы импульсного радиозондирования ионосферы с использованием
наземных установок и искусственных спутников Земли. Затрагиваются
вопросы использования ионосферных данных в практике радиосвязи.
Ответственный редактор
профессор, доктор физико-математических наук
В. М. ПОЛЯКОВ
2-9-5
271-1971 (I)

ПРЕДИСЛОВИЕ
В последние годы быстро развиваются теоретические и
экспериментальные исследования околоземного космического пространства и, в
частности, той его области, которую принято называть ионосферой. Ионосфера
представляет собой слабо ионизированную низкотемпературную плазму,
состояние которой определяется в основном структурой нейтральной
атмосферы и излучением Солнца. Физические процессы в ионосфере
изучаются на основе экспериментальных данных, получаемых как при помощи
аппаратуры, устанавливаемой на искусственных спутниках Земли и
геофизических ракетах, так и наземных комплексов. Не умаляя значения
прямые экспериментов с применением космических аппаратов, следует
сказать, что огромный объем информации о пространственно-временных
вариациях ионосферных параметров, необходимый для построения
физически корректных моделей ионосферы, в настоящее время удается
получить главным образом наземными радиофизическими методами
ионосферных измерений. Некоторые из этих методов, например импульсное
радиозондирование на переменной частоте, известны сравнительно давно (40—
50 лет), другие, например метод некогерентного рассеяния радиоволн,
получили развитие только в последнее десятилетие. Однако совершенно
очевидно, что для решения научных и прикладных задач физики
ионосферы необходимо развивать и совершенствовать все методы измерений,
чтобы обеспечить их взаимную калибровку и комплексность
экспериментальных исследований.
Необходимость подготовки специалистов в области космической
физики привела к включению специальных курсов «Физика ионосферы» в
учебные планы ряда высших учебных заведений СССР. Однако пособия, где
были бы концентрированно изложены основы ионосферных измерений,
отсутствуют. Вышедшие за последние 10—15 лет монографии, где
обсуждаются проблемы физики ионосферы [3, 73, 91, 112, 115, 117], содержат
в основном сведения о результатах измерений, об их физической
интерпретации, а информация о технике и методике ионосферных измерений
в существующих учебных пособиях по курсу «Распространение
радиоволн» [59, 67] совершенно недостаточна. Многие сведения, особенно о
новых методах измерений или о существенной модификации известных
методов, разбросаны по многочисленным статьям в зарубежной и
отечественной научной периодике.
Настоящая работа представляет собой попытку изложения в
минимальном объеме принципиальных методических и аппаратурных вопросов,
относящихся к радиофизическим методам ионосферных измерений,
основанным на радиолокации ионосферной плазмы и изучении характеристик
распространяющихся в ионосфере радиоволн. При этом освещаются не
только методы измерения отдельных параметров ионосферы (электронная
концентрация, температура, неоднородная структура и т. п.), но и способы
оценки влияния ионосферы на условия распространения радиоволн в
ионосфере.
3

В соответствии с этой задачей основное содержание книги разделено
на две части.'В первой части рассматриваются существующие методы
определения ионосферных параметров при помощи радиозондирования ионос-
сферы — ионосферные станции на Земле и на ИСЗ, установки
некогерентного рассеяния, разнесенный прием, радиолокация метеорных следов,
явление i^-рассеяния в ионосфере. Во второй части рассматриваются
вопросы измерения ионосферного поглощения радиоволн, наклонного и
возвратно-наклонного зондирования, использование ионосферных
данных в практике радиосвязи г. Главное внимание в книге уделяется
изучению областей Е и F.
Во всех необходимых случаях сделаны ссылки на источники, где
содержатся более подробные данные по обсуждаемой методике или аппаратуре.
Разделы 1.1.1, 1.1.2, 1.2 2.6 написаны А. И. Галкиным; разделы 2.1 —
2.5 — Н. М. Еррфеевым; введенной разделы 1.3, 2.7 — Э. С. Казимиров-
ским; разделы 1.1.3, 1.4—1.6—В. Д. Кокоуровым.
Авторы надеются, что книга будет полезной для научных сотрудников
и инженеров, работающих в области физики ионосферы, а также для
аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.
Замечания читателей о недочетах книги будут приняты с благодарностью.
1 Уже после сдачи рукописи книги в издательство стало известно о том, что в
Советском Союзе запущен искусственный спутник Земли «Космос-381», на котором
размещена малогабаритная ионосферная станция для вертикального импульсного
зондирования ионосферы. Статья'М. Федорова, Р. Рабиновича, В. Матазова «Для
прогноза электрической погода», в которой описывается работа станции,
опубликована в журнале «Авиация и космонавтика» (1971, №3.).

ВВЕДЕНИЕ
Прежде чем обсуждать различные методы измерения параметров
ионосферной плазмы, имеет смысл вкратце рассмотреть некоторые сведения
об ионосфере, известные в настоящее время, и выводьртеории
распространения радиоволн в ионосфере, существенные для понимания физической
основы методики ионосферных измерений.
1. Ионосферой принято называть частично ионизированную область
земной атмосферы, возникающую под действием коротковолнового и
корпускулярного излучения Солнца. Степень ионизации в ионосфере
достаточна, чтобы влиять на распространение радиоволн. С этой точки зрения,
нижняя граница ионосферы располагается примерно на высоте 50 км,
а иногда и ниже [117]. Верхняя граница ионосферы менее определенна,
и, по-видимому, она находится на высоте ~2000 км [27]. В пределах
ионосферы отдельные физические параметры газа меняются более чем на пять
порядков.
Степень ионизации ионосферы, электронная концентрация N, зависит
от энергии ионизирующего излучения Солнца, коэффициента поглощения
этой энергии газом и исходной плотности атмосферного газа. Поскольку
плотность атмосферы убывает с высотой, а падающее извне в атмосферу
излучение Солнца, ионизуя ее, убывает с уменьшением высоты, то на
некоторой высоте степень ионизации должна быть максимальной. Такой
процесс должен приводить к появлению максимума N на кривой
зависимости электронной концентрации от высоты N (h). Так как состав
атмосферы сложен,.различные ее составляющие по-разному ионизируются
различными участками солнечного спектра [78], то в ионосфере образуется
несколько максимумов на кривой N (/г), особенно четко проявляющихся
в дневное время. Обычно эти максимумы и отождествляют с положением
отдельных «слоев» или «областей» ионосферы. В порядке возрастания
высоты эти слои называются D, E, Fl, F2. Высота, толщина и степень
ионизации ионосферных слоев существенно зависят от времени суток (местного),
сезона и уровня солнечной активности, а также, естественно, от
координат. На рис. 0.1 показаны типичные для ночного и дневного времени
распределения N (Л). Данные относятся к средним широтам и приведены
отдельно для максимума и минимума солнечной активности. Выше
максимума слоя F2 электронная концентрация медленно и монотонно убывает
вплоть до расстояния в несколько земных радиусов, где она становится
сравнимой с концентрацией электронов в межпланетной среде.
Ионосфера в целом представляет собой квазинейтральную среду,
т. е. сумма электронной концентрации и концентрации отрицательных
ионов равна концентрации положительных ионов. Основные процессы,
определяющие состояние ионосферы,—ионизация нейтрального газа,
рекомбинация заряженных частиц, диффузия электронно-ионного газа
в поле тяжести, дрейф заряженных частиц. В общем виде уравнение
баланса ионизации может быть записано в виде:
JH ^q — L-div (NV) = q-L-NdivV\-V grad tf, (0.1)
5

1000
1 500
1 Z7_
Г i i мил
a
V-
...i i mm
\/
i i Him
\
\
\
V
v \
V ч
\
_fjj*~
^EF'
i i mm
\
Л
„1-1 Mill!
L. 1 1 1 1.1Ш
6
— —
E
1 1 Hill
\
I \
I \
V N
\
\,
1
1 1 1 lllll
J
\
\
\)F
-^
1 1 IIIUI
-.1 ,l.-LLUil
Ill I I I II Mil I I I I I llll I I I I I 1111 I I I I lllll I I I I I lllll I I I I lllll
foz to3 to1* w5 ю6 ю7 юг to3 ioh w5
to0
10'
Концентра ц и я,
эл /см3
Рис. 0.1. Распределение электронов в моменты экстремумов солнечной активности
а — день; б — ночь; J — минимум; 2 — максимум
где q — скорость ионообразования и освобождения электронов; L —
скорость исчезновения заряженных частиц; V — средняя скорость движения
заряженных частиц. Если считать, что V и N меняются по вертикали
гораздо быстрее, чем по горизонтали, то
divF;
grad Af -
dh
dN
~ dh
(0.2)
(0.3)
где V2 — вертикальная, направленная вверх компонента движения, и
уравнение (0.1) переходит в
dN T d(NV) T NdVz
__ = q _ Ь __ =q-L ^
[dh
(0.4)
Все величины, входящие в уравнение (0.4), являются сложными
функциями координат и времени. Анализу фотохимических реакций, ионизацион-
но-рекомбинационных процессов, посвящены специальные монографии
[78, 115, 63]. Для нас важно, что экспериментальной основой для расчета
самих величин и проверки теоретических положений относительно
коэффициентов скоростей этих реакций, влияния температуры, диффузии и
электромагнитных сил на динамику заряженных частиц и т. п. служат
ионосферные измерения N (t, /г), проводимые различными методами.
Движение заряженных частиц в ионосфере под действием
гидродинамических и электромагнитных сил представляет собой движение
проводника в4геомагнитном поле. Следовательно, при этом движении
индуцируется ток. Ток создается в той части ионосферы, которую принято называть
«динамообластью» (до 140 км). Динамоток сопровождается
электростатическим полем, которое, по-видимому, может достигать более высоких
областей ионосферы, вызывая там также течение токов. Взаимодействие
их с геомагнитным полем может привести к движению электронно-ионного
газа в этих удаленных областях ионосферы. Токи в ионосфере являются
источником наблюдаемых геомагнитных вариаций. Можно, задаваясь
уравнениями движения, рассчитать ионосферные токи, а с другой
стороны, исходя из величины токов в области Е, рассчитанных по
геомагнитным вариациям, можно определить характер движений, которые могли бы
создать эти токи и движения в области F. При этих расчетах ионосфера
рассматривается как анизотропный проводник с тензором проводимости
Т = j/E, где / — плотность тока, Е — электрическое поле. Если Е и
напряженность магнитного поля Н взаимно перпендикулярны, то тензор
6

проводимости
т =
V.
Si ' —б2
<32 О!
0 0
0
0
Со
где
о0 =
пв
гПеУе
б, =
Г "е
= Г "а
- "i I miv« VI e2
a>eve
' + «>?
(0.5)
(0.6)
(0.7)
(0.8)
В выражениях 0.6—0.8 n, m, v — концентрации, массы и частоты
соударений заряженных частиц; со = (еН)/(тс) — гирочастота. Индексы е, i
относятся соответственно к электронам и тяжелым ионам. <х0—-
проводимость вдоль геомагнитного поля Я, так называемая продольная
проводимость; ог — проводимость вдоль электрического поля Е, поперечная
проводимость; а2 — так называемая проводимость Холла, связанная
с компонентой тока, перпендикулярной электрическому полю Е (эффект
Холла).
Экспериментальное измерение движений нейтрального газа и
заряженных частиц как в нижней ионосфере, где находится динамообласть,
так и в области F должно быть главным средством и получения
информации об ионосферных токах и проводимости, и проверки основных
положений «динамотеории»,
Область D (50—85 км) — самая нижняя и менее
изученная область ионосферы. Исследование этой области радиофизическими
методами существенно затрудняется тем обстоятельством, что, с одной
отороды, относительно низкая электронная концентрация требует
применения низких частот для исследования (см. раздел 1.1), а с другой
стороны, высокая частота соударений приводит к сильному затуханию
электромагнитных волн. Поэтому основные данные об аэрономических
процессах в области D, ионной и электронной структуре дают ракетные
измерения. Радиофизические методы: измерение поглощения радиоволн,
прошедших через область D, измерение поляризации этих волн, изучение
явления перекрестной модуляции, использование слабых частичных
отражений низких радиочастот от области при импульсном зондировании,
фазовые и амплитудные измерения при распространении радиоволн с
частотой ниже 150 кгц на магистральных радиолиниях, изучение
распространения сверхнизкочастотных колебаний типа атмосфериков (~ 10 кгц)
в волноводе «Земля — ионосфера» — дают косвенную, дополнительную,
хотя и несомненно весьма ценную, информацию.
Максимум электронной концентрации в слое D находится вблизи 80 км
ж имеет величину порядка 103 эл/смг. Ночью слой D почти совсем исчезает
за счет рекомбинации электронов с положительными ионами и
прилипания электронов к нейтральным атомам с образованием отрицательных
ионов. Отрицательные ионы в области D играют большую роль в
физических процессах, чем в других областях ионосферы.
Свойства области D и степень их воздействия на радиоволны весьма
тесно связаны с солнечной активностью. Экспериментальные исследования
показали, что величина \ Nvdh для области D имеет 27-дневную
периодичность, характерную для вариаций солнечной активности, и хорошо
коррелирует с вариациями числа солнечных пятен R. В летний период в
средних широтах эта корреляция выше. Внезапные ионосферные возмущения,
являющиеся следствием солнечных вспышек и приводящие к почти пол-
/

ному прекращению дальней коротковолновой радиосвязи на всем
освещенном полушарии (радиоблэкауты), также связаны с повышением
ионизации в области D. Изменения в области D полярной ионосферы
определяют поглощение радиоволн в полярной шапке и в зоне полярных сияний
(см. раздел 2.2).
Область Е ионосферы (85—140 яле) образуется под действием
мягкого рентгеновского излучения Солнца, и в этой области основными
ионами являются молекулярный кислород 0^ и окись азота NO+. Электронная
концентрация в области Е в полдень порядка 105 эл/см? для периода
минимума солнечной активности и примерно на 50 % больше в период
максимума. N меняется со временем суток, сезоном и широтой, и для данного
уровня солнечной активности концентрация в максимуме слоя NmSL^
является примерно однозначной функцией зенитного расстояния Солнца %f
где % меняется во времени для данного пункта или с географическим
положением для данного момента времени. Эта зависимость определяется
выражением
Nm^ = [^-cos%J\ ^ (0.9)
где д0 — скорость новообразования при % = 0, а а — так называемый
эффективный коэффициент рекомбинации, причем а ^ 10~3 см3 • сек"1.
Электронная концентрация в слое Е имеет максимум около полудня и
почти симметрично уменьшается в обе стороны от него. В глобальном
распределении — наибольшие значения N наблюдаются на экваторе,
постепенное уменьшение происходит к полюсам. Слой Е существует обычна
днем, но часто на высотах области наблюдается остаточная ионизация,
ночной слой 2?, в котором концентрация электронов испытывает быстрые
нерегулярные колебания.
Внутри области Е в тонком слое (несколько километров) на высоте
около 100 км часто наблюдается повышенная по сравнению с
вышележащими и нижележащими областями электронная концентрация. Это-
явление называется спорадическим слоем Е (Es). На высоких
широтах слой Es обычно возникает ночью, а вблизи магнитного экватора—
днем. Сезонные вариации частоты появления Es и его интенсивности в
этих широтах— малы. В средних широтах Es менее интенсивен, суточная
вариация выражена слабо. В то же время сезонная вариация проявляется
весьма четко. Максимум частоты появления Es в средних широтах
наблюдается летом, в дневное время. Слой i?5, особенно в высоких широтах,
тесно связан с вторжением в земную атмосферу потоков частиц высокий
энергий, с. полярными сияниями и геомагнитными возмущениями.
В средних широтах характеристики Е8 хорошо коррелируют с количеством
метеорного вещества, сгорающего в атмосфере на высотах, близких к
высотам Е8. Есть экспериментальные данные, показывающие тесную связь
Е8 с ветровым режимом в ^-области ионосферы и турбулентностью [42].
Некоторые свойства Е8, например часто наблюдаемая полупрозрачность
его для радиоволн, объясняются, пб-видимому, тем, что распределение
электронной концентрации в горизонтальном направлении неоднородно,
причем отношение AN IN в неоднородностях достаточно велико (N —
концентрация электронов в окружающей неоднородность среде, AN —
разность электронных концентраций внутри и вне неоднородности).
Область F1 ионосферы, являющаяся промежуточной между обла-.
стями Е и F2, располагается на высотах 160—200 км. Максимум
электронной концентрации при этом находится на высотах 170—180 км. Слой F1
появляется чаще всего летом, днем и в период минимума солнечной
активности. В ночное время, а в условиях максимума солнечной активности
в зимний период — в любое время, слой F1 не появляется совсем.
Электронная концентрация в максимуме слоя iVmax меняется с сезоном и
географическим положением примерно в соответствии с выражением 0.9,.
где а^^5-10~9 смг-сек'г. Правда, показатель степени при (cos %)n нес-
8

колько отличается — для минимума солнечной активности п <С 0,5.
Наблюдается и сезонные вариации этой величины. На условия появлении
слоя Pi влияет нестационарный характер процессов, протекающих в
ионосфере и связанных с динамическими процессами в нейтральной среде.
Об этом свидетельствует наблюдаемая асимметрия суточного хода частоты
появления слоя F1, причем характер асимметрии имеет четко выраженный
широтный ход. Для широт, больших 50°, условия развития слоя F\ более
благоприятны в дополуденные часы. В зоне с широтами меньше 35—40° —
обратная ситуация. В промежуточной зоне нет систематической
асимметрии. Наблюдение слоя F1 и измерение его характеристик могут дать
ценную информацию о структуре нейтральной атмосферы на ионосферных
уровнях и об ионной структуре ионизированной компоненты [115].
Область F2 ионосферы — самая обширная и сложная область^
лежащая выше 200 км. Основными ионами в этой области являются
атомарные азот и кислород (N+ и 0+) с сильным преобладанием 0+ [115, 65].
Электронная концентрация в максимуме F2 меняется сложным образом,
а эффективный коэффициент рекомбинации а меняется с высотой от
10~9 см3»сек"1 у основания до 10~12 см3'сек'1 в верхней части области.
Поведение слоя F2 характеризуется существенными отклонениями от выводов
элементарной теории, с которыми согласуется, скажем, поведение
нижележащих слоев. Эти отклонения принято называть «аномалиями слоя F2».
Хорошо известна суточная аномалия, когда концентрация
электронов в максимуме слоя в полдень имеет не максимум, как это
должно быть в соответствии с простой теорией, а четкий минимум. Суточная
вариация Nm3iX имеет, как правило, либо один максимум, сильно
сдвинутый относительно полудня, либо два максимума. Географическая
аномалия проявляется в том, что вблизи магнитного экватора имеет
место минимум полуденной Nm3iX в ее широтном ходе, в то время как
вследствие вертикальности падения солнечной радиации должен бы
наблюдаться максимум. Сезонная аномалия проявляется в том, что везде,
особенно вблизи широты 50°, значение Nmax в полдень особенно велика
местной зимой. Кроме того, существует так называемая декабрьская
а н омалия — в зоне широт 50° с. ш.— 35° ю. ш. Nmax в полдень
аномально велика в ноябре, декабре и январе. Декабрьская аномалия
усиливает сезонную в северном полушарии. Зимняя аномалия слоя FZ
наиболее выражена в период максимума солнечной активности.
Характеристики слоя F2, их вариации в высокой степени
коррелируют как'с общим уровнем солнечной активности, так и с более
детальными явлениями на Солнце — вспышками, флоккулами и т. п.
Выше максимума слоя F2 содержание ионов кислорода быстро
уменьшается и в самой внешней области ионосферы доминируют ионы водорода,
которые, по-видимому, возникают не только путем прямой фотоионизации
атомов водорода солнечным излучением, но и путем перезарядки типа
0++Н^±Н+ + 0. (0.10)
Во внешней ионосфере важную роль играют также ионы гелия.
Теории образования регулярных ионосферных слоев явно или неявно
исходят из предпосылки о так называемой гладкой, или однородной, ионо-
сфере. Такая ионосфера должна представлять собой плазму, в которой
в каждый данный момент времени наблюдается быстрое монотонное
изменение электронной плотности N с высотой и медленное изменение N
в горизонтальной плоскости. Однако реальная ионосфера имеет
существенно неоднородную структуру. Кроме тех крупномасштабных неоднородт
ностей, о которых уже упоминалось при обсуждении свойств слоя Es,
в ионосфере существует целый спектр неоднородностей электронной
плотности — от десятков метров до сотен километров.
Ионосферные неоднородности образуются под действием многих
механизмов [115]: турбулентности в нижней ионосфере, неустойчивости кон-
»

вективного типа и под действием ветров в верхней ионосфере,
вертикального переноса неоднородных электрических полей из динамообласти в
область F ионосферы, вторжения в ионосферу потоков заряженных частиц
из радиационных поясов и частиц солнечного происхождения,
распространения внутри ионосферы магнитогидродинамических колебаний от
границы магнитосферы Земли и т. п. Уже это простое перечисление
свидетельствует о сложности неоднородной структуры и неизбежном широком
спектре ее параметров.
Ионосферные неоднородности участвуют в сложном движении под
действием гидродинамических и электромагнитных сил. Так как наличие не-
однородностей сравнительно легко обнаружить радиофизическими
методами (см. разделы 1.1, 1.4, 1.6), то они служат своеобразным репером при
изучении динамики ионосферы — общей циркуляции атмосферы на
ионосферных уровнях [83] и дрейфа плазмы. В то же время исследование
неоднородной структуры — измерение размеров, формы, интенсивности
(AN/N) и скорости церемещения неоднородностей электронной
концентрации в ионосфере — имеет прикладное значение, так как рассеяние
радиоволн на неоднородностях ионосферы играет существенную роль в
наземной и космической радиосвязи.
2. В радиофизических методах измерения ионосферных характеристик
используются особенности распространения электромагнитных колебаний
в частично ионизированной неоднородной плазме, находящейся в
магнитном поле. Теоретическому освещению этой проблемы посвящено огромное
количество специальных работ [53], и наша задача — только привести
те основные принципы и выражения, которые используются при
радиозондировании ионосферы и измерениях поглощения радиоволн.
Ионизированный газ с электронной плотностью N без учета
соударений является для радиоволны диспергирующим диэлектриком,
относительная диэлектрическая проницаемость которого зависит от частоты
радиоволны и электронной плотности и определяется выражением:
е = п* = 1 - -Д- = 1-80,8 NMJCM3 ■ (0.11)
J кгц
Наличие тяжелых ионов в данном случае можно не учитывать, так как
гпг^>Ше и на показатель преломления п их присутствие не оказывает
существенного воздействия, пока мы не учитываем соударений.
Учет соударений электронов с другими частицами приводит к тому,
что ионизированный газ становится не только диспергирующей, но и
полупроводящей средой, относительная диэлектрическая проницаемость
и удельная проводимость (олг1 • мт1) которой становятся функциями
эффективного числа соударений и определяются выражениями:
е = 1-3190__^_, ^ (0.12)
О = 2,82-10-8 /^ . (0.13)
Если со2 ^$> v2 (что часто имеет место в ионосфере), то
N
e^l-80,8-
о^ 2,82-Ю-8
f*
Nv
(0.14)
Если же (о2 <^j v2 (для низкочастотных колебаний), то
e^l-3190-^-,
0^2,82 -Ю-8 — .
V
(0.15)
10

Наличие геомагнитного поля и связанное с этим воздействие лоренцо-
вых сил на движущиеся под действием радиоволны электроны
(гиромагнитный резонанс) делают ионосферу магнйтоактивной плазмой,
анизотропной средой. Диэлектрическая проницаемость и связанный с ней
коэффициент преломления становятся функциями напряженности магнитного
поля. Ионосфера становится двоякопреломляющей средой,
расщепляющей радиоволну на два луча — обыкновенный и необыкновенный,
отличающихся состоянием поляризации. В общем случае
линейно-поляризованный луч расщепляется на два эллиптически поляризованных луча.
Эти лучи распространяются с разной скоростью, так как показатели
преломления для них различны, большие оси их эллипсов поляризации
ортогональны и направления вращения электрических векторов волны
противоположны.
Показатель преломления ионизированного газа с учетом
геомагнитного поля, но без учета соударений равен [67]:
"1,2 = 1
2 (со2
■»?
V L2("2-"o)J
(0.16)
"пр<°
В этом выражении со — рабочая частота радиоволны; со0 = Ne2/m — плаз-
= (eHnv)/(mc) —
'пр
менная частота ионосферы; соПОп = (еНП0^)1(тс), (О]
поперечная и продольная (по отношению к направлению распространения
волны) гирочастоты; Ниоп и Hnv — соответствующие компоненты
геомагнитного поля. Верхний знак и индекс 1 относятся к
необыкновенному лучу, а нижний знак и индекс 2 —-к обыкновенному
лучу. Состояние поляризации определяется отношением амплитуд
поперечных составляющих электрического поля волны. Если плоская волна
распространяется по оси х и ее электрическое поле определяется
выражениями
'.V
. со
_ —г — пх
. со
—г — пх
е с
Ez = Emt
(0.17)
то в рассматриваемых условиях:
Jmy
Е.
mz /1,2
= I
"поп"
2((02-(02)(0пр
VF
«поп40
гЧшС"2
"пр>
■о
+ 1
(0.18)
Важными частными случаями являются продольное (Нпоп = 0) и
поперечное (Япр = 0) распространение радиоволн. Этим случаям соответствует
вертикальное радиозондирование ионосферы на геомагнитном полюсе и
на геомагнитном экваторе. В случае чисто продольного распространения
выражения 0.17 и 0.18 принимают вид:
-"1,2 =
1-
<° (® Т юпр)
nz /1,2
(0.19)
(0.20)
Таким образом, поляризация магнитоионных компонент — круговая*
причем верхний знак соответствует вращению по часовой стрелке, а
нижний — против (если смотреть по направлению распространения волны).
И

В случае поперечного распространения:
«? = !■
,А*2
(0.21)
(О2
/г| = 1-
Я,
ту
Е„
\
Е,
ту
Еъ
= 0.
(0.22>
(0.23>
Очевидно, что выражение для п\ полностью совпадает с выражением 0.11,-
т. е. на распространение обыкновенного луча поперечное магнитное
полене влияет. Поляризация обоих лучей — линейная.
Учет соударений при наличии магнитного поля приводит к серьезному
усложнению математических выражений для показателя преломления,
а физическим следствием соударений является затухание радиволны,
причем коэффициенты поглощения для обыкновенного и необыкновенного
луча различны.
Реальная ионосфера представляет собой неоднородную среду и эта
неоднородность, с точки зрения распространения радиоволн, прежде всего
выражается в том, что электронная концентрация меняется с высотой
сложным образом. Если рассматривать ионосферу как единичный слой с одним
максимумом, то от его основания электронная концентрация растет, а
показатель преломления для радиоволны по мере ее проникновения в слой
падает в соответствии с выражением 0.11. Это соответствует искривлению
траектории луча. Луч, вошедший в плоскую (для простоты) ионосферу
под углом ф0, цожет испытать явление полного внутреннего отражения.
Пусть показатель преломления в точке отражения пп (а угол падения
в этой точке фп = 90°). Условие отражения в соответствии с оптическими
законами:
sin ф0 = sin (рппп = пп.
Подставляя выражение 0.11 для пп, получим
8тф0=]/1-80,8-^ .
Полагая, что луч падает вертикально (ф0 = 0):
o-j/Г"
•80,8
верт
(0.24)
(0.25)
(0.26)
/ — /верт8есФо*
Это выражение, определяющее соотношение между частотой пологого
луча / и вертикального луча /верт > которые отражаются от одной и той же
области ионосферы, называется «законом секанса» и имеет
фундаментальное значение для ионосферного распространения радиоволн.
Условие отражения (0.24) показывает, что при заданном значении TV
всегда можно найти такое значение ф0, чтобы было отражение от
ионосферы. Однако это соотношение справедливо только для «плоской»
ионосферы и поверхности Земли. Сферичность Земли и концентрической
ионосферы ограничивает верхние значения ф0, так как самый пологий луч
является касательной к поверхности Земли. Это значение фотах определяется
кривизной земной поверхности и высотой точки отражения в ионосфере
(см. рис. 0.2):
Sin фотах =
(0.27)
12

Рис. 0.2. Определение
максимального значения угла
падения на ионосферу
Рис. 0.3. Действительная и
эквивалентная траектория вол-
где а — радиус Земли; h — высота ионосферы. ТЪкое ограничение ф0
означает, что при заданном в точке значении N и угле возвышения р
излучения радиоволн (угол с горизонтом) радиоволны с частотой выше
некоторого максимального значения не будут отражаться от этой точки
в ионосфере, а будут распространяться выше ее. Совершенно очевидно, что
наибольшая частота отражения в этих условиях будет связана с
максимальным значением электронной концентрации в слое iVmax. Эта частота
-определяется из соотношения
/max —
80,87Vr
2h Ь i
2
sin2 p +
2k
(0.28)
При p = 0 (самый пологий луч):
Ь
max о
80,8iV\
(a + Щ 1 2
2/i
]••
(0.29)
Радиоволны с частотой / ^> /maxo от данного слоя ионосферы не
отражаются, а проходят сквозь ионосферу.
При Р = я/2 (вертикальное падение на ионосферу):
/
[80,8Afn
(0.30)
Эта наибольшая частота, отражающаяся от данного ионосферного слоя
при вертикальном падении, называется критической частотой.
Как известно [53], в ионизированном газе электромагнитные волны
распространяются с групповой скоростью Frp < с, причем в ионосфере
траектория их криволинейна. В практических расчетах часто заменяют
действительную криволинейную траекторию распространения со
скоростью VTV так называемой эквивалентной траекторией со скоростью
распространения, равной скорости света в свободном пространстве с.
Эквивалентная траектория составляется путем построения равнобедренного
треугольника на основании D (рис. 0.3) с высотой hdl где hd —
действующая высота отражения, определяемая по ионосферным измерениям
методом вертикального радиозондирования (см. раздел 1.1). Такой переход
от действительной траектории к траектории эквивалентной упрощает
расчеты и позволяет определить угол падения луча на нижнюю границу
ионосферы.

Часть первая
ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ИОНОСФЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
1.1. Метод импульсного радиозондирования
Одним из основных характеристических параметров ионосферной
плазмы, имеющим как чисто научное, так и большое прикладное значение,
является концентрация свободных электронов. Этот параметр может быть
определен различными методами. Наиболее широко распространен метод
импульсного радиозондирования, впервые использованный для
наблюдений за состоянием ионосферы Брайтом и Тьювом еще в 1925 г.
Физическую основу метода составляют соотношения, определяющие
величину показателя преломления в магнитоактивной плазме и условия
отражения радиоволны, распространяющейся в такой среде. Практически
метод реализуется следующим образом.
Импульсный передатчик, находящийся на поверхности Земли, излучает
серию импульсов. Длительность их порядка 10~4 -f- 10~5 сек, так что в
ионосферу излучаются квазимонохроматические группьгволн. Анализ
распространения таких квазимонохроматических импульсов [53, 54] позволяет
считать, что импульс распространяется в ионосфере как единое целое,
без существенных искажений. От поверхности Земли до начала собственно
ионизированной области импульс распространяется по прямой со
скоростью с. Затем, как это уже указывалось выше, траектория импульса
искривляется. Одновременно начинает изменяться и скорость его
распространения. Ее значение тем меньше, чем выше концентрация свободных
электронов, определяющая значение показателя преломления. В точке, для
которой характерно выполнение соотношения (0.26), скорость импульса
уменьшается до нуля и происходит
отражение от этой области.
С целью упрощения решения задачи
вводится понятие о групповом пути £гр,
который определяется так, как если бы импульс
свой путь от точки излучения до точки
регистрации после отражения от слоя проходил
бы в вакууме со скоростью с.
1 \
1 °
1
/ А
Й=
в
0 V
о,
LTp — cZXtrp.
(i.i)
Рис. 1.1. Траектория
радиоволны, отраженной от
плоскослоистой ионосферы
Время Д£гр, называемое временем
группового запаздывания, согласно [53],
определяется как временной интервал между
моментами регистрации в какой-либо
фиксированной точке наблюдения излученного и
отраженного сигнала. Величина Д£гр имеет ясно
выраженный физический смысл и может быть
измерена экспериментально. Для того чтобы
достичь большей точности в ее определении,
необходимо выбирать импульсы с достаточна
крутыми фронтами (поскольку, как показано,.
14

в частности, в [34], точность фиксирования импульса во времени
определяется шириной его спектра).
В простейшем (классическом) варианте реализации импульсного
метода импульсы излучаются вертикально вверх, а приемник находится
в непосредственной близости от передатчика. В этом случае время
группового запаздывания определяется двойным прохождением импульсом
расстояния от точки излучения-приема до области, в которой сформировалось
отражение. Из сказанного выше ясно, что истинную высоту точки, в
которой произошло отражение импульса (отрезок ОгА на рис. 1.1), определить
сложно. Поэтому непосредственно в процессе эксперимента определяется
кажущаяся высота отражения в предположении, что весь свой путь до
точки отражения и обратно импульс проходит с постоянной скоростью,
равной скорости света в вакууме. Тогда кажущаяся (действующая) высота
точки отражения определяется по измеренному интервалу времени* Д£гр
с помощью простейшего соотношения
1.1.1. Зондирование па перемеппой частоте
Основной задачей импульсного метода исследования ионосферы
является получение профиля распределения электронной концентрации по
высоте.
Если изменять несущую частоту передатчика, то импульсы,
характеризуемые разными значениями со, будут, в соответствии с выражением
(0.26), отражаться от областей с разной электронной плотностью.
Поскольку электронная плотность-меняется с высотой, то эти импульсы
испытывают различное по величине групповое запаздывание. Таким образом,
возникает возможность экспериментальным путем получить высотный
профиль электронной концентрации в ионосфере.
Следует помнить, что в описываемом методе фиксируются только
сигналы, отраженные от ионосферы. Поскольку отражения можно получить
только в случае, если показатель преломления уменьшается по мере
проникновения в глубь слоя, то, используя данный метод, можно
зафиксировать только те участки высотного профиля электронной концентрации,
которые характеризуются монотонным возрастанием электронной
концентрации с высотой. Если профиль немонотонный, то участки его, связанные
с уменьшением Nе при росте высоты, не зарегистрируются. В частности,
при помощи проводимого с земной поверхности зондирования нельзя
получить распределение электронной концентрации выше главного максимума
ионизации, где количество свободных электронов начинает уменьшаться
с ростом h. Аналогичное замечание следует сделать и в отношении
межслоевой ионизации. Для выяснения вопроса о том, как изменяется
электронная концентрация с высотой в промежутках между слоями и выше
главного максимума, необходимо модифицировать метод, изменяя технику
проведения эксперимента либо выдвигая дополнительные физические
предпосылки.
Непосредственно в результате эксперимента мы получаем так
называемую высотно-частотную характеристику (вчх) — зависимость
действующей (кажущейся) высоты отражения радиоимпульса от его несущей
частоты. На основании анализа конфигурации Ь! (/) можно определить ряд
ионосферных параметров, в первую очередь критические частоты слоев
ионосферы и их высоты — характеристики, знание которых имеет
первостепенное значение для обеспечения устойчивой и надежной радиосвязи.
Анализ результатов, получаемых импульсным методом зондирования
ионосферы на переменной частоте, помимо данных о распределении
электронной концентрации, позволяет оценивать и ряд других параметров,
15
*

характеризующих состояние ионосферы. В частности, анализируя
временные вариации регистрируемых в эксперименте величин, можно
непосредственно определять ионизационно-рекомбинационные константы
ряда ионосферных процессов. Возможность таких определений тем более
существенна, что это практически единственный метод непосредственной
оценки этих констант в массовых масштабах, поскольку ракетные
эксперименты, также дающие возможность получить такие оценки, единичны и
кратковременны.
Из сказанного ясно, что импульсное зондирование ионосферы на
переменной частоте дает возможность получить сравнительно простыми
средствами большой объем информации о состоянии ионосферы, а поэтому
является в настоящее время наиболее широко распространенным методом
получения сведений об основных ионосферных параметрах.
Основные технические требования
Для проведения импульсного зондирования ионосферы используются
ионосферные станции (ионозонды). Упрощенная блок-схема ионозонда
приведена на рис. 1.2а.
Передатчик, работающий в импульсном режиме, излучает
радиоимпульсы, несущая частота которых в течение сеанса изменяется в пределах,
обеспечивающих отражение от всей толщи ионосферы. Синхронно с пере^
датчиком работает приемное устройство, так что имеется постоянная
возможность приема сигналов, излученных передатчиком и отраженных тэт
ионосферы. Излучение производится при помощи широкополосной
антенной системы.
Синхронность работы передатчика и приемника обеспечивается тем,
что в станции используется общий задающий генератор. Подробнее об этом
речь пойдет ниже, при разборе детальной функциональной схемы.
Принятые приемником сигналы появляются на индикаторе, куда,
помимо отражений, подаются от специальных генераторов калибрацион-
ные метки высоты и частоты.
Кроме перечисленных узлов, в станции имеется устройство
управления — блок синхронизации, обеспечивающий согласованную работу всех
блоков ионозонда.
Кратко сформулируем основные технические требования, которые
следует предъявлять к ионосферной станции.
1. Пределы изменения несущей частоты лимитируются диапазоном
возможных значений электронной концентрации, встречающихся в ионосфере.
Известно, что верхний предел N составляет 5 X 106 эл/см3, что
соответствует критической частоте 20,0 Мгц. Чем ниже значение электронной
концентрации, тем меньшую несущую частоту следует применять для того,
чтобы получить отражения от слоя. С приближением к нижнему пределу
значений N начинает резко возрастать поглощение зондирующего сигнала,
что требует существенного увеличения излучаемой мощности. Возникает
еще ряд технических ограничений, связанных, в частности, с усложнением
антенных систем. В связи со всем этим нижний частотный предел
большинства ионосферных станций выбирается равным 1,0 Мгц, что соответствует
концентрации свободных электронов 1,5 X 104. Этого вполне достаточно
для того, чтобы зафиксировать нижнюю границу области Е.
2. Из рассмотрения физических закономерностей, определяющих собой
образование ионосферы (см. введение), следует, что главный максимум
ионизации, распределение электронной концентрации выше которого
рассматриваемым методом изучать невозможно, располагается не выше
500 км над поверхностью Земли. Необходимо иметь в виду, что излучаемый
передатчиком ионозонда импульс может многократно отражаться от
ионосферного слоя и от земной поверхности, образуя так называемые
кратные отражения, исследование которых представляет известный интерес.
16

A
Передатчик
\
Модулятор
\

Синхронизатор
Антенная
система
Задающий
генератор
1
Генератор
частотных
меток
Генератор
, Ьысотных
меток
Приемник
Индикатор
IIHIIIIIIIIIIIII
UL
iiiiiiiiiiiiiiiiii
^\
■ЪР"
-50 гц
-Выход гки
шиш
Мультивибратор
бысотйой
разбертки
Высотные
метки
^ Генератор
—^-— бысотнои
разбертки
еь> Устанобка
импульса
kF^ передатчика
п Мультивибратор
модулятор/а
J~L»
Щухтактный]
усилитель
мощности
На усилитель
горизонтальной
развертки
/пе,
J~1_»
ШтещиомеЩ
-П»
2-tf
смеситель
| Усилитель
3
I
I
I
л
развертки
3.
М
Входной
каскад
Плавный U/,
гетеродин ■
31Н8Мги
Кулачки и
f. Ч контакты
■"* \управления
1-й
смеситель
\
УПЧ
I
2-J
смеситель
УПЧ
I
I Детектор
0Л7 /7/7tf£.
гетерод.
31-Шеи*
Кварцевый
гетеродин
1Мгц
Смеситмь
Усилитель
Мультивиб-
ратор
частотных
меток
Смеситель
меток
От потенциометра
1 горизонтальной \ 50?и
разбертки \DU ги>
Усилитель

{горизонтальной разбертки

Синхронизатор
Генератор
высотных
меток
3 кии,

Формирователь и
усилитель
И
Индика -
тор Б
Видеосигнал
На катодные
повторители
модулятора
Катодный
\побторитель
тульти-
шратор
Зысотной
развертки
I Усилитель
юершкальноА
\развертки гещ
\pamopa пилы\
ZT
X
Устанобка \
\импцльса
передатчика
\Мультивиб-
[ратор
модулятора
Усилитель
Рис. 1.2. Функциональная
схема ионосферной станции АИС
а — упрощенная блок-схема;
б — блок-схема приемно-передаю-
щей части;
в — эпюры напряжений в основных
точках блок-схемы;
г — блок-схема регистрирующей
части
17

а также учитывать, что при распространении в ионизированной среде
импульс сильно запаздывает, особенно при подходе к критическим
частотам.
Изложенные соображения служат основой для выбора высотного
диапазона установки, который ограничивается величиной промежутка
времени между двумя последовательными зондирующими импульсами —
длительностью единичного цикла работы ионосферной станции. Если
интервал между соседними импульсами слишком мал, то отражения от
высоко расположенных слоев (в первую очередь кратные отражения) будут
фиксироваться приемным устройством уже во время следующего
единичного цикла, что может привести к искажению действительной физической
картины. Обычно командные импульсы, управляющие работой ионозонда,
формируют из переменного тока технической частоты, питающего
станцию. При этом интервал между двумя импульсами в пересчете на шкалу
высот составляет 3000 км. Нижняя граница высотного диапазона будет
определяться постоянными времени приемного тракта, т. е. интервалом
времени, за которое приемник восстановит нормальную чувствительность.
Обычно это составляет несколько десятков километров.
3. Время запаздывания отраженного от ионосферы сигнала
относительно излученного должно регистрироваться с определенной точностью,
не ниже некоторой заданной. В соответствии с теорией оптимального
приема точность регистрации импульсного сигнала на оси времени
определяется шириной частотного спектра сигнала. Это предъявляет требования
к форме зондирующего импульса: его фронты должны быть достаточно
крутыми, и одновременно накладывает ограничения на ширину полосы
приемного тракта ионосферной станции.
Обычно длительность фронтов импульсов, излучаемых передатчиком
ионозонда, составляет величину порядка 10 мксек, что влечет за собой
необходимость использования приемного устройства с полосой не меньше
10 — 15 кгц. В этом случае потенциальная точность определения высотной
координаты импульса составит +0*45 км при отношении сигнал/шум
б -:- 8.
4. Ионосферная станция должна функционировать в широко
меняющихся условиях радиоприема. Работа станции возможна при большом
уровне индустриальных и прочих помех. Кроме того, следует
предусмотреть случаи сильного ионосферного поглощения, когда сигнал,
отраженный от ионосферы, будет иметь очень маленькую амплитуду. В то же время
сама станция должна создавать по возможности минимальное количество
радиопомех.
В связи со всем этим необходимо, чтобы приемный тракт ионозонда был
высокочувствительным, а передатчик излучал в импульсе достаточно
большую мощность. Величины этих параметров существенно варьируют даже
в пределах ионозондов одного класса. Из многолетнего опыта
эксплуатации ионосферных станций установлено, что оптимальными для решения
типовых задач зондирования (наблюдения по стандартной международной
программе) можно считать мощность излучения в импульсе — единицы
киловатт, чувствительность приемного тракта на входе — 5 н- 10 мкв.
5. Данные зондирования желательно получать в виде, допускающем
их эффективное использование — оперативную обработку
непосредственно в момент проведения эксперимента и длительное дальнейшее хранение.
Комплекс перечисленных требований весьма обширен и в ряде случаев
противоречив. Он накладывает на используемые при конструировании
ионосферных станций типовые узлы ряд жестких условий, которые
иногда попросту исключают друг друга. Поскольку выполнение их в
полном объеме невозможно, часто приходится идти на компромиссы,
пренебрегая теми или иными требованиями в зависимости от специфики
поставленной задачи и условий работы станции.
18

Функциональная схема
ионосферной станции современной
Рассмотрим каждый из основных узлов станции, изображенных на
рис. 1.2а, более подробно, акцентируя внимание на функциональном его
назначении и тех принципиальных и конструктивных особенностях,
которые вызываются использованием узла в данной блок-схеме. В качестве
основного варианта будем рассматривать схемные решения, принятые
в конструкции панорамной ионосферной станции типа АИС [137].
Задающий генератор
Одним из основных требований к станциям панорамного
вертикального зондирования является обеспечение генерирования радиочастот
в интервале, допускающем получение отражений от всех основных
ионосферных слоев. В соответствии с только что сказанным оптимален диапазон
от 1,0 до 20 Мгц. Осуществить перекрытие этого диапазона — задача
достаточно сложная технически. В станциях ранних образцов
производилось разбиение всего диапазона на поддиапазоны путем использования
сменных колебательных контуров, которые переключались механическим
путем [123]. В дальнейшем от деления на поддиапазоны отказались и стали
использовать принцип двойного преобразования частоты.
Суть этой операции сводится к тому, что исходная несущая
радиочастота Д трансформируется при помощи некоторого устройства, называемого
преобразователем частоты, в другую радиочастоту /2. Производится это
путем нелинейного преобразования (сложения исходных колебаний,
источником которых является задающий генератор, с колебаниями
второго генератора, называемого гетеродином), в результате чего выделяется
промежуточная частота, отличающаяся от первоначального значения
несущей [124]. Такая операция улучшает чур.ствительность приемных
каскадов и их помехоустойчивость.
В абсолютном большинстве типов современных ионосферных станций
используется единственный задающий генератор для получения частот
рабочего диапазона передатчика и приемника и для получения частотных
отметок. Применение общего генератора позволяет осуществить наиболее
простым и надежным способом синхронную перестройку цепей приемной и
передающей части ионозонда. Частота генератора плавно изменяется
в диапазоне от 31 до 50 Мгц.
Следует оценить величину отрезка времени, в течение которого
задающий генератор должен пройти весь спектр частот. Ионосферные станции
ранних образцов затрачивали на прохождение частотного диапазона
довольно большой интервал времени. Большая длительность сеанса
обеспечивала достаточно высокую надежность получаемых данных, так как
приблизительно на одной и той же частоте (она изменялась хотя и
непрерывно, но медленно) излучалось большое количество импульсов. Однако
медленное прохождение частотного диапазона имело и свои отрицательные
стороны. Основным недостатком была невозможность зарегистрировать
быстрые изменения в ионосфере. К примеру, весьма важно иметь серию
ионограмм (вчх), следующих непосредственно одна за другой, при анализе
вертикально-перемещающихся возмущенностей. Поэтому, как только
представилась к этому возможность, время, затрачиваемое на единичный сеанс,
стали сокращать. В настоящее время в большинстве конструкций
ионосферных станций этот интервал составляет величину порядка 20—30 сек
и является оптимальным для большинства тех задач, которые решаются
методом панорамного вертикального зондирования. Плавное изменение
генерируемой частоты (собственной частоты контура задающего
генератора) происходит в результате вращения ротора переменного
конденсатора.
2* 19

Из практики ионосферных наблюдений известно, что критические
частоты главного максимума ионизации (предельные частоты, на которых
еще наблюдаются отражения от слоя) существенно изменяются в течение
суток и от сезона к сезону. В результате существуют достаточно
продолжительные отрезки времени, когда нет необходимости использовать все
генерируемые частоты вплоть до максимальных. В этом случае
целесообразно изменить величину частотного диапазона, что достигается
переключением конденсаторов постоянной емкости, стоящих в контуре
задающего генератора. Именно таким путем осуществляется в станциях АИС
переход от диапазона 1—18 Мгц к диапазону 1—10 Мгц.
Использование меньшего диапазона позволяет более тщательно
исследовать структуру слоя, так как в этом случае изображение высотно-ча-
стотной характеристики формируется в увеличенном масштабе.
Аналогичное замечание можно сделать и по поводу изменения высотного диапазона.
Передатчик ионосферной станции
Для генерирования несущей частоты в заданных пределах использован
принцип двойного преобразования частоты, хорошо известный из
литературы и широко применяемый в различных радиоустройствах.
Применение этого принципа позволяет обойтись без механических
переключателей и перекрыть весь частотный диапазон, используя
единственный перестраиваемый элемент — переменный конденсатор в
задающем генераторе. Кроме того, применение двойного преобразования
частоты позволяет улучшить такие характеристики приемного тракта станции,
как чувствительность и помехоустойчивость [124].
Блок-схема передатчика ионосферной станции выглядит следующим
образом (см. рис. 1.26).
Кварцевый гетеродин генерирует колебания частотой /х. Он
используется для повышения стабильности частот, излучаемых передатчиком.
Поскольку нет технической возможности обеспечить прямое
генерирование достаточно высокой частоты, в схеме передатчика используется
умножитель. Лампа умножителя работает в режиме учетверения частоты, для
чего в ее анодную цепь включен контур, настроенный на четвертую
гармонику частоты кварцевого гетеродина.
Колебания частоты /2 = 4/х поступают на вход первого смесителя
передатчика, где смешиваются с колебаниями частоты /3, поступающими на
этот смеситель с выхода соответствующего генератора. Этот генератор,
как видно из блок-схемы, работает в импульсном режиме.
Нагрузкой первого смесителя является контур, настроенный на
суммарную частоту /4 = /3 + /2- На контуре выделяются радиоимпульсы,
заполненные несущей частотой /4.
Эти импульсы поступают на вход второго смесителя передатчика. На
второй вход этого смесителя поступают колебания с выхода задающего
генератора /Пер- Их частота плавно изменяется в пределах от 31 до 50 Мгц.
Поскольку значения частот /2 и /3 подобраны так, что /4 = 30 Мгц,
на выходе смесителя 2 выделяются колебания разностной частоты
/б ~ /пер — /4 требуемого нам диапазона частот: 1—20 Мгц. Они
усиливаются широкополосным усилителем (см. рис. 1.26) и через разделительные
конденсаторы и контакты антенного реле поступают в антенну.
В зависимости от условий, в которых предполагается эксплуатировать
ионозонд, величина излунаемои мощности в импульсе колеблется от сотни
ватт до 15—20 кет. Иногда для специальных исследований мощность
ионосферных передатчиков повышают до нескольких десятков киловатт.
Конкретная схема передатчика, используемая в станции АИС (три каскада
широкополосного усиления и оконечный двухтактный каскад на лампе
ГМИ-83 [38]), обеспечивает отдачу в антенну 2,5 кет в импульсе.
20

Модулятор
Для обеспечения импульсного режима работы передатчика в схеме
станции предусмотрен специальный блок модуляторов. С этой целью те
каскады схемы ионозонда, которые должны работать в импульсном
режиме, запираются постоянным отрицательным смещением. Работают они
только в те промежутки времени, когда на их управляющие входы
поступает модулирующий импульс.
Основу блока модуляторов ссставляет мультивибратор, генерирующий
прямоугольный импульс длительностью порядка нескольких десятков
микросекунд с приблизительно десятимикросекундными фронтами.
Формирование напряжения подобной формы надежно обеспечивается
обычными мультивибраторными схемами [28].
Как правило, схема используемого в блоке модуляторов
мультивибратора позволяет менять в некоторых пределах длительность формируемого
импульса (в станции АИС от 50 до 70 мксек). С выхода мультивибратора
сформированный импульс поступает на усилитель модулирующего
импульса, а оттуда через серию катодных повторителей на сетки тех ламп,
которые должны работать в импульсном режиме. Для повышения
устойчивости работы высокочастотных каскадов передатчика в схеме станции
целесообразно применять раздельное управление каскадами передатчика:
для подачи модулирующего импульса на, каждый каскад используется
свой катодный повторитель. Это существенно ослабляет взаимное влияние
каскадов.
Приемник
Приемное устройство ионосферной станции служит для усиления
отраженных от ионосферы высокочастотных импульсов, принятых антенной,
и для преобразования их в импульсы постоянного тока (видеоимпульсы),
которые затем подаются в индикаторное устройство станции. В
современных станциях используются приемники супергетероджнного типа с
двойным преобразованием частоты. На вход первого смесителя поступают
радиосигналы, отраженные от ионосферы, и колебания с выхода задающего
генератора. Поскольку излучается и принимается частота /5 = /Пер — /4
и эта частота постоянно смешивается с частотой /пер, то на выходе первого
смесителя постоянно будут присутствовать колебания разностной частоты
/пер /5 == /пер (/пер tv == /4*
После усиления первой промежуточной частоты /4 в схеме
предусмотрен второй смеситель, куда подаются колебания частот /4 и /2. Разностная
частота /4 — /2 = /3 (см. выше) с выхода этого смесителя поступает на
трехкаскадный резонансный усилитель.
Существенной характеристикой резонансных каскадов приемного
тракта является ширина их полосы. Она должна выбираться такой, чтобы
обеспечить прием сигналов, отраженных от ионосферы, без существенных
искажений. Для выполнения этого требования достаточно иметь полосу
порядка 15 кгц. Вообще говоря, ширина полосы может быть взята и
меньшей, но это ведет к искажению формы принимаемого импульса —
затягиванию его фронтов [53]. При этом снижается потенциальная точность
регистрации временного положения импульса, а стало быть, высотной
координаты фиксируемого отражения. Ширина полосы приемного тракта
должна определяться еще и с учетом того, что частота, на которую настроен
приемник, изменяется непрерывно. Это значит, что несущая частота
импульса, отраженного с разных высот, будет отличаться в разной степени
от частоты, на которую в момент приема этого сигнала будет настроен
приемник. Если время прохода частотного диапазона станции будет
выбрано малым, то для обеспечения надежного приема отраженных сигналов
21

во всем диапазоне высот необходимо задаваться полосой приемного тракта
достаточной ширины. Так, если диапазон частот от 1 до 16 Мгц будет
излучен в течение 5 сек, то в течение одной сотой доли секунды, которая
во временном масштабе соответствует высотному диапазону 1500 км,
несущая частота успеет измениться на 30 кгц, и отражения с предельных
высот приемником со стандартной шириной полосы в 15 кгц уже не
зарегистрируются. Расширение же полосы приемного тракта снижает
помехоустойчивость ионозонда. При разработке и конструировании станций это
противоречие следует иметь в виду.
Усиленные на второй промежуточной частоте импульсы поступают на
диодный детектор, с сопротивления нагрузки которого полезный
видеосигнал через фильтр и разделительный конденсатор поступает на сетку
первой лампы видеоусилителя. Фильтр (в станции АИС это параллельный
контур, настроенный на частоту /2) не пропускает напряжение второй
промежуточной частоты в цепь источника питания и на вход видеоусилителя.
После усиления видеосигнал подается на индикаторное устройство.
Индикаторы
В качестве индикаторов в ионосферной аппаратуре чаще всего
используются электронно-лучевые трубки. Они имеют ряд достоинств, к числу
которых следует отнести прежде всего хорошую обозримость и наглядность
результата зондирования. Получаемое на экране трубки изображение
может быть зарегистрировано на киноленте и сохранено неопределенно
долгое время.
Используются как индикаторы типа А с линейной разверткой, так и
панорамные индикаторы типа В.
В индикаторе типа А применяется обычная высотно-временная
развертка. На одну пару пластин (чаще всего горизонтальную) подается
пилообразное напряжение, пропорциональное времени. Длительность линейно
изменяющегося напряжения или тока развертки выбирается равной
промежутку времени между двумя последовательно излучаемыми
импульсами передатчика. Обратный ход луча гасится обычным образом. Генератор
синхронизируется командным импульсом, благодаря чему на экране
получается устойчивое изображение. На вторую пару отклоняющих пластин
подается напряжение с выхода приемного устройства. В момент прихода
отраженного сигнала на экране трубки фиксируется всплеск,
повторяющий форму сигнала, принятого приемником. Если картина жестко
синхронизирована, то в начале развертки будет постоянно находиться
изображение импульса передатчика, и, измеряя расстояние между передними
фронтами излученного импульса и принятого отражения, можно будет
определить высоту отражающей области.
В современных ионосферных станциях чаще используется второй
вариант индикатора, позволяющий получить на экране электронно-лучевой
трубки значительно более наглядную картину зависимости величины
запаздывания отраженных радиоимпульсов от их несущей частоты —
индикатор типа В. В этом случае на одну пару пластин (развертка по
вертикали) подается напряжение пилообразного генератора высотной развертки.
Параметры этого индикатора и способ его синхронизации аналогичны
употребляемым в индикаторе типа А. При помощи второй пары пластин
осуществляется частотная развертка. Достигается это следующим образом.
На одной оси с ротором переменного конденсатора задающего генератора
станции поставлен потенциометр частотной развертки. Поскольку этот
переменный конденсатор определяет рабочую частоту станции, то
величина снимаемого с потенциометра напряжения будет пропорциональна
рабочей частоте. Напряжение, снимаемое с потенциометра, подается на
вторую пару пластин, осуществляющих горизонтальную развертку. В итоге
вертикальная линия (высотная развертка) в процессе снятия высотно-
22

частотной характеристики по мере изменения частоты задающего
генератора будет перемещаться по экрану параллельно самой себе. Положение ее
по горизонтали будет однозначно определять несущую частоту, на которой
в данный момент времени производится зондирование.
На катод и управляющий электрод трубки индикатора подаются
сигналы с выхода приемника, импульсы высотных и частотных меток и
импульсы подсветки прямого хода вертикальной развертки.
В станции АИС используется трубка 23ЛМ34. На экране создается
светящийся растр размером 150 X 150 мм. На растре образуется темная
калибрационная сетка: горизонтальные линии — отметки высоты через
50 км и вертикальные линии — отметки частоты через 1 Мгц. Отраженные
сигналы, как об этом говорилось выше, создают на светлом растре
потемнения — разрывы в развертке.
Описанные индикаторы могут использоваться в качестве визуальных,
когда необходимо получать сведения о состоянии ионосферы
непосредственно в момент проведения эксперимента. Для этого используются
трубки с длительным послесвечением, чтобы изображение высотпо-частотной
характеристики сохранялось на экране в течение достаточно длительного
отрезка времени. Поскольку индикатор типа В позволяет получить
двумерное наглядное изображение высотпо-частотной характеристики (ее
панораму), станции, использующие индикатор такого типа, названы
панорамными.
Для того чтобы документально зафиксировать результат эксперимента,
получаемое на экране изображение фотографируется на кинопленку. Этот
способ достаточно нагляден, информативен, сравнительно прост с точки
зрения технического осуществления.
Когда необходимо фиксировать изображение на индикаторе типа В,
применяется обычная по'кадровая съемка. Камера засинхронизирована
с управляющим устройством ионозонда; протяжка пленки осуществляется
в промежутках между сеансами. На фотокадр вместе с изображением
высотио-частотной характеристики снимается титр с часами, где
указываются место и время проведения эксперимента.
Калибрационные генераторы
Генератор частотных меток. Для повышения точности
отсчета частотной координаты в схеме ионосферной станции предусмотрен
генератор частотных меток. Основу его составляет кварцевый гетеродин.
Колебания с выхода этого гетеродина, действуя на сетку лампы смесителя,
вызывают большой сеточный ток, сильно искажающий форму напряжения,
и создают колебания анодного тока, богатые гармониками. На второй вход
смесителя подается напряжение от задающего генератора станции. При
этом, как только частота плавного генератора будет проходить через
значения, совпадающие с гармониками кварцевого гетеродина, в анодной цепи
смесителя будут возникать биения звуковой частоты. Эти биения в виде
импульсов затем усиливаются усилителем постоянного тока с полосой
пропускания порядка 10 кгц. Далее, после усиления и ограничения в виде
коротких импульсов они поступают на блок индикатора.
Генератор высотных меток. Генератор высотных меток
создает кратковременные остроконечные импульсы известной частоты
следования, которые служат опорными при отсчете высоты, на которой
фиксируются отраженные сигналы.
Основу его составляет обычный автогенератор с автотрансформаторной
связью. Входящий в состав этого генератора контур шунтируется малым
сопротивлением управляющей лампы, которая в обычном состоянии
открыта, так как напряжение на ее сетке больше нуля. В этом случае контур
является апериодическим, колебания в нем отсутствуют. Когда на сетку
управляющей лампы подается отрицательный импульс, лампа запирается
23

на время действия этого импульса и в контуре возникают колебания с
частотой настройки контура. Эти колебания усиливаются, ограничиваются,
дифференцируются и подаются на катодный повторитель. На нагрузке
катодного повторителя выделяются импульсы только одной полярности,
которые и играют роль высотных меток, поступающих на индикатор.
Синхронизатор
Все блоки ионосферной станции должны работать согласованно.
В первую очередь должно выполняться требование, согласно которому
необходимо однозначно связать между собой моменты излучения импульса
передатчиком ионозонда и запуска генераторов высотной развертки и
высотных меток. Для обеспечения этих требований в схеме ионосферной
станции предусмотрен синхронизатор, который управляет работой
перечисленных выше блоков. Основу синхронизирующего блока составляет
формирователь командных импульсов, частота следования которых
определяет собой длительность единичного цикла работы ионосферной станции
(промежутка времени между двумя последовательными импульсами
передатчика). Как говорилось выше, при формулировании основных
технических требований к ионосферным станциям наиболее простым
конструктивным решением является выбор частоты следования 50 гц.
Синусоидальное напряжение частотой 50 гц подается на вход
усилительного каскада, работающего за счет подбора соответствующего
отрицательного смещения в режиме с отсечкой сеточным током части
отрицательной полуволны напряжения, подаваемого на вход. Следующий каскад
усилителя работает в режиме насыщения, что приводит к обрезанию
верхнего положительного участка синусоиды. В итоге из синусоидального
напряжения формируется последовательность импульсов, близких по форме
к прямоугольным. Эти импульсы дифференцируются, и остроконечные
положительные пики, идущие с частотой исходного синусоидального
напряжения (см. рис. 1.2tf), используются для синхронизации работы
блоков станции.
Прежде всего эти пики (командные импульсы) запускают
мультивибратор высотной развертки, служащий для синхронизации работы цепей
индикатора. Собран этот мультивибратор по схеме ждущего
мультивибратора с катодной связью. Схема отличается большой стабильностью
длительности генерируемых импульсов. Длительность импульса определяет
собой высотный диапазон станции. Для того чтобы обеспечить работу
станции в разных высотных диапазонах, с мультивибратора необходимо
получать импульсы различной длительности. Это достигается путем
переключения емкостей С7 — С9 в схеме. Кроме того, в небольших пределах
длительность импульса можно регулировать переменным сопротивлением
i?2> включенным в сеточную цепь первой лампы. С анода левой лампы
мультивибратора импульс отрицательной полярности подается на вход
генератора пилы (высотная развертка) и на вход генератора высотных
меток, с анода правой лампы — на подсветку прямого хода луча
вертикальной развертки. Принципиальная схема мультивибратора высотной
развертки, используемого в станции АИС, приведена на рис. 1.3а.
Поскольку для запуска генератора пилообразного напряжения и
генератора высотных меток используется один и тот же отрицательный
импульс с выхода мультивибратора высотной развертки, первая высотная
метка всегда совпадает с началом вертикальной (высотной) развертки и
дает первую (нулевую) отметку дальности.
Для того чтобы можно было однозначно сопоставить моменты запуска
высотной развертки и излучения зондирующего импульса, запуск
модуляторных каскадов, управляющих работой передатчика, также должен быть
синхронизирован командным импульсом. Это достигается при помощи
следующей схемы.
24

6H8C
От синхро-. X
низатора ®~~* |~~
Масштаб
плавно
Г-£=э—0+Шб
Переключатель
бысотных
диапазонов
К генератору
0 бысотной
разбертии
Гашение
обратного „хода
1
i
с, \
От бидеоусилителя
i
i
1 i
б
1
1
1
кг—
V
i
•
Л
I
-50Од
-0+4006
_^КМб запуска
"^передатчика
Синхронизатор
Мб установки
импульса передатчика
Рис. 1.3. Некоторые основные схемы станции АИС
а - принципиальная схема мультивибратора высотной развертки, б- принципиальная схема
апуска управляющих блоков; в — схема защиты индикатора от помех
Синхронизирующий (командный) импульс, запускающий
мультивибратор вертикальной развертки, одновременно является стартовым и для
мультивибратора установки импульса передатчика (см. рис. 1.2ви 1-эо).
Отрицательный импульс с первого анода этой лампы (Л2 на рис. 1.66)
дифференцируется цепочкой C6i?17, и сигнал, соответствующий заднему
фронту дифференцируемого импульса, подается на следующий блок,
который вырабатывает непосредственно модулирующий импульс (импульс
запуска модулятора передатчика). В этом блоке также используется муль-
тивибраторная схема. Длительность импульса первого мультивибратора
может изменяться вручную при помощи одного из потенциометров .
При этом меняется момент запуска второго мультивибратора относительно
первого, что соответствует изменению момента излучения
зондирующего сигнала относительно начала работы генератора высотной
развертки.
Используя такую схему, можно, перемещая зондирующий импульс по
высотной развертке, устанавливать его, точно совмещая передний фронт
с какой-либо из высотных меток. Тем самым удается добиться уменьшения
ошибки в отсчете высоты, которая может возникнуть из-за несовпадения
импульса передатчика с калибрационными метками.
1 Ru~Rie — в зависимости от того, на каком высотном диапазоне работает станция.
25

Технические особенности основных узлов
Рассмотрим теперь технические особенности основных узлов,
применяемых при реализации конкретных вариантов радиосхем ионосферных
станций.
1. Из рассмотренного видно, что вторая промежуточная частота
приемника совпадает с частотой гетеродина 0,9 Мгц, используемого в схеме
передатчика (см. рис. 1.26). Для того чтобы в такой обстановке уменьшить
взаимное влияние передатчика и приемника, для генератора /3 в схеме
передатчика предусмотрен импульсный режим работы. Обеспечивается
он следующим образом.
Генератор /3 собран по обычной трехточечной схеме с
автотрансформаторной связью на одной из половин двойного триода. Вторая половина
лампы генератора является управляющей. Контур собственно
генератора, настроенный на частоту 900 кгц, включен в катодную цепь этой лампы.
Управляющая лампа все время открыта, ее сетка подключена к
источнику анодного напряжения через большое сопротивление (1 Мом),
сеточный ток лампы создает на этом сопротивлении падение напряжения, так
что через лампу, а следовательно, и через контур генератора течет ток
управляющей лампы. При этом сопротивление, включенное в анодную цепь
лампы через конденсатор выпрямителя фильтра, полностью шунтирует
контур генератора по высокой частоте, нарушая режим самовозбуждения;
колебания в контуре отсутствуют.
Когда на сетку управляющей лампы поступает отрицательный импульс,
то на время его действия управляющая лампа запирается, и генератор
переводится в режим самовозбуждения. По прекращении действия этого
импульса колебания в контуре срываются до прихода следующего
отрицательного импульса на сетку управляющей лампы..
2. Приемное устройство ионосферной станции должно быть рассчитано
на прием импульсных сигналов. Оптимальное значение полосы
пропускания приемного тракта в этом случае определяется из соотношения А/0Пт =
= k/тс, где тс — длительность сигнала. В нашем случае к можно считать
близким к единице. Если необходимо обеспечить точное измерение высот,
то величину полосы пропускания следует выбирать значительно шире
оптимальной. Кроме того, для воспроизведения формы принятых
импульсов с минимальными искажениями необходимо, чтобы постоянные времени
каскадов приемного тракта были не больше некоторых выбранных
значений.
Как в приемнике, так и в передатчике имеется несколько
широкополосных каскадов. Для обеспечения равномерного коэффициента передачи
по всему диапазону от 1 до 20 Мгц необходимо предусмотреть коррекцию.
Корректирующие катушки индуктивности включены, в частности, в
анодные цепи ламп широкополосного усилителя передатчика.
3. Поскольку приемник и передатчик ионосферной станции находятся
в непосредственной близости один к другому, приемное устройство
должно быть надежно защищено от перегрузок, которые возникают в момент
излучения импульса передающим устройством станции. В ионозонде АИС
этой цели служит входной каскад, собранный на лампе ГУ-29,—
двухтактный широкополосный усилитель с коэффициентом 2 ~ 4,
работающий следующим образом. В момент излучения зондирующего импульса
передатчиком ионозонда первая положительная полуволна заряжает
конденсаторы сеточных цепей лампы. Цепь заряда замыкается через
промежуток сетка-катод каждой половины лампы (так как амплитуда
высокочастотных колебаний очень велика, то для положительной полуволны
высокочастотного напряжения сопротивление участка сетка-катод очень
мало из-за появления сеточного тока). В момент действия отрицательной
полуволны высокочастотного напряжения конденсаторы разряжаются
через сопротивления, но поскольку постоянная времени разряда значи-
26

тельно больше полупериода высокочастотного напряжения, конденсаторы
разряжаются незначительно и на сопротивлениях остается большое
отрицательное напряжение, запирающее обе половины лампы. Таким образом,
в течение всего времени действия зондирующего импульса первая лампа
приемника оказывается практически закрытой. Амплитуда импульса,
поступающего в этом случае на вход следующего каскада приемника,
значительно меньше амплитуды з&ндирующего импульса и уже не может
вызвать нежелательных перегрузок первых каскадов.
После окончания действия зондирующего импульса конденсаторы
сеточных цепей лампы ГУ-29 разряжаются полностью, и к моменту прихода
отраженного от ионосферы сигнала эта лампа открывается и работает как
усилитель напряжения в режиме класса А. Постоянная времени разряда
конденсаторов подобрана таким образом, что обеспечивает полное
восстановление чувствительности приемника через 300 мксек после момента
начала излучения, что соответствует высоте 45 км.
4. Наиболее широко распространены панорамные индикаторы с
негативным изображением ионосферной характеристики на экране. Трубка при
этом открыта все время, пока на ее управляющем электроде сигнал
отсутствует, и запирается только на момент действия отраженного сигнала.
Для об^рпечения такого режима работы постоянное отрицательное
смещение на сетку лампы выходного каскада приемника подбирается таким
образом, что лампа работает на пороге закрывания. В момент поступления
на сетку лампы положительного видеоимпульса лампа открывается и на
анодной нагрузке ее образуется отрицательный импульс, который,
поступая на трубку, закрывает ее. На время действия импульса луч гасится:
на экране образуется темное пятно.
В [37] описан способ регистрации, в котором используется позитивное
изображение высотно-частотной характеристики. В этом случае точка,
образующая растр, вспыхивает только в моменты прихода отраженных
сигналов, а также когда проходят высотные и частотные метки. Технически
это сводится к изменению режима работы кинескопа. Авторы [37] считают,
что предлагаемый ими способ регистрации позволяет снизить величины
субъективных ошибок отсчета, допускаемых операторами при оценке
количественных значений параметров ионограммы.
5. Электрическая схема индикатора на электронно-лучевой трубке
предусматривает повышение его помехозащищенности. В частности, в
схеме станции АИС для защиты экрана трубки от действия импульсных
помех, длительность которых значительно превышает длительность
полезного сигнала, служит левая половина лампы выходного каскада
совместно с дифференцирующей цепочкой (см. принципиальную схему рис.
1.3<s), постоянная времени которой подбирается таким образом, чтобы
полезные сигналы проходили через нее без искажений. В станции АИС эта
постоянная равна 180 мксек и импульсы длительностью 50—100 мксек
практически не искажаются. В результате же прохождения через такую
цепочку более продолжительных импульсов на ее выходе образуются два
сигнала. Один из них, соответствующий началу дифференцируемого,
положителен. Он так же, как и исходный импульс, гасит луч на экране
трубки, но на более короткое время. Второй сигнал на выходе цепочки
соответствует заднему фронту дифференцируемого импульса. Полярность его
отрицательна, попадая на трубку, он будет вызывать усиление яркости
луча, что нежелательно. Для устранения этого эффекта и используется
левая половина лампы выходного каскада, включенная диодом, не
пропускающим напряжение помехи на выходной каскад. В результате
изображение ионосферной характеристики на экране трубки становится более
«чистым».
Отрицательный видеоимпульс с выхода приемного устройства подается
непосредственно на управляющий электрод индикаторной трубки.
Применяется безъемкостная связь, что обеспечивает неискаженную передачу
27

i h 23м »=Г
h 37,5m И
Рис. 1.4. Антенная система установки импульсного радиозондирования (вертикальный
расщепленный ромб)
импульса. Но зато при такой связи на трубку попадает постоянное
напряжение, которое имеется на сопротивлении нагрузки выходного ^каскада
за счет анодного тока лампы. Поскольку режим работы выходного каскада
приемника таков, что при отсутствии отраженного сигнала эта лампа почти
закрыта, отрицательное напряжение, попадающее на трубку, не
превышает 10—15 в. Вызываемое этим некоторое уменьшение яркости может быть
скомпенсировано соответствующим подбором режимов остальных
электродов трубки. Однако, если в приемник попадет мощная непрерывная
помеха, режим выходного каскада по постоянному току резко меняется,
что может привести к частичному или даже полному гашению луча
развертки. Это ухудшает качество изображения.
Антенные системы
Для излучения электромагнитной энергии и ее приема на ионосферных
станциях используют антенные системы, имеющие основой лепесток
диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Наиболее
распространены так называемые ромбические антенны (рис. 1.4). Для перекрытия
всего диапазона используют две системы ромбов и соответствующий
переключатель на выходе передатчика.
Несколько хуже работают антенны типа «дельта» [108].
Основные модификации соврэменных ионосферных станций
Расширение диапазона физических задач, для решения которых
оказались необходимыми данные панорамного вертикального зондирования,
потребовало модернизации основной схемы панорамной ионосферной
станции. Изменения в схеме определяются спецификой конкретной задачи и
могут быть самыми разнообразными. Так, для постановки экспериментов
в полевых условиях необходимо уменьшать размеры станции и
энергопотребление, повышать механическую прочность конструкции; для
регистрации частичных отражений — значительно увеличивать излучаемую
мощность; для работы в условиях большого количества внешних помех —
обращать особое внимание на помехоустойчивость и т. д.
Можно сформулировать следующие основные направления, в которых
идет усовершенствование конструкций панорамной станции: повышение
помехозащищенности, обеспечение малогабаритности и экономичности
питания, расширение автоматизации процессов получения информации и
ее обработки.
Рассмотрим на конкретных примерах пути реализации этих основных
направлений.
28

Цифровая регистрация ионограмм
Фотоспособ регистрации данных, в настоящее время применяемый
наиболее широко, наряду с рядом достоинств имеет и некоторые
недостатки. При его использовании информация, поступающая на вход
ионосферной станции, несколько раз преобразуется из одного вида в другой,
прежде чем доходит до потребителя. Вначале мы имеем дело с временным
интервалом между двумя пакетами высокочастотных колебаний. В приемном
тракте эти высокочастотные импульсы преобразуются в видеоимпульсы.
Для фиксирования временного интервала в регистрирующем тракте
применяются генераторы пилообразного напряжения, в результате чего
временной интервал преобразуется в пространственное изображение на экране
трубки. Затем это изображение переносится на кинопленку. Каждое такое
преобразование неизбежно влечет за собой появление дополнительных
ошибок и снижает достоверность и точность получаемых данных. Как
показывает даже самый ориентировочный учет, проведенный в [50],
координаты отраженных сигналов снимаются со стандартного изображения вы-
сотно-частотной характеристики с ошибками +130 кгц по частоте и
+10 км по высоте. Кроме того, линейные размеры электронно-лучевых
трубок^, используемых в конструкциях ионосферных станций, не
позволяют раздельно зафиксировать координаты каждого из отраженных
импульсов, последовательно идущих один за другим. Это повышает достоверность
наблюдаемой картины, но зато ыэ дает возможности зафиксировать тонкие
эффекты, изучать при помощи такой аппаратуры микропространственные
и микровременные вариации регистрируемых параметров.
Несовершенство фотоспособа регистрации данных выявилось и еще
в одном аспекте, когда для обработки исходного экспериментального
материала стали привлекать электронные вычислительные машины. Для
ввода данных в машину необходимо координаты высотно-частотной
характеристики переводить в дискретную форму. Используя в качестве
первоосновы фотоизображение?, это чаще всего приходилось делать вручную,
что резко снижало эффективность использования машины. Были
разработаны специальные фотосчитывающие устройства типа описанных в [15,
202].
В качестве материала, используемого для преобразования в цифровой
код, здесь берется фотокадр ионограммы. Обработчик обводит контур
высотно-частотной характеристики контактным датчиком. При этом
происходит автоматическое преобразование координат точек кривой в
двоичные числа, которые сразу наносятся на перфокарту [202] или при помощи
специального буферного регистра вводятся непосредственно в память
машины [15]. Коэффициент полезного использования машины при этом
повышался, но оставался и даже усугублялся недостаток, связанный с
низкой достоверностью получаемых данных, так как ко всем предыдущим
ошибкам в определении координат отраженных сигналов добавлялись
новые, связанные с преобразованием фотоизображения в код.
В связи со всем этим встал вопрос о получении данных панорамного
вертикального зондирования в виде, который бы позволял вводить эти
данные прямо с выхода ионосферной станции в вычислительную машину.
Уже самые первые шаги в этом направлении показали безусловную
перспективность намеченного пути.
Наиболее целесообразно для кодирования координат отраженных
сигналов применить принцип время-импульсного преобразования. При
этом в код преобразуется непосредственно временной интервал между
излученным и отраженным сигналами. В работе [185] описано автоматическое
устройство, которое позволяет осуществить прямое преобразование
временного интервала в цифровую форму. В устройстве используется
генератор импульсов постоянной частоты, работающий синхронно с
передатчиком ионосферной станции. Эти импульсы поступают на электронный счет-
29

чик в течение промежутка времени между моментом излучения импульса
передатчика и моментом прихода отраженного сигнала. Однако
осуществленная авторами [185] техническая реализация описанного устройства
далека от оптимальной, поскольку прежде всего устройство является одно-
канальным и позволяет зарегистрировать высотную координату только
единственного отраженного сигнала. Если использовать несколько
параллельно работающих каналов, то можно будет получить в цифровом виде
практически всю инфррмацию, получаемую при панорамном
вертикальном зондировании, т. е. принципиально избежать каких бы то ни было
потерь по сравнению с применяемой обычно регистрацией на фотокадре.
Количество промежуточных преобразований при этом будет значительно
сокращено и, стало быть, достоверность и точность получаемой
информации может быть более высокой. Установка такого типа, рассчитанная на
четыре параллельно работающих канала, описана в [45]. Раздельная
регистрация координат каждого отраженного сигнала сводит на нет
интегрирующие свойства применяемого ранее способа и позволяет исследовать
тонкую структуру высотно-временных зависимостей. В [46] приведены
первые результаты использования установки: зафиксированы колебания
кажущихся высот ионосферных отражений с квазипериодом порядка
десятых долей секунды. При фоторегистрации этот эффект неминуемо осред-
нится, что приведет лишь к некоторому расплыванию следа отраженного
сигнала по оси высот. Запись результатов зондирования в форме,
позволяющей осуществлять их прямой ввод в ЭЦВМ, получила
распространение также в связи с эксплуатацией спутниковых ионосферных станций
[198].
Непрерывная регистрация параметров
В том случае, когда необходимо зарегистрировать быстрые временные
вариации какого-либо из ионосферных параметров, эффективно
применение прямой записи данного параметра. Естественно, что для этой цели
типовые регистрирующие устройства непригодны и необходимо
использовать специальные регистраторы [39, 205].
Обычно необходимо бывает фиксировать временные вариации
следующих параметров: минимальной высоты слоя /гЩт, минимальной и
максимальной (предельной) частот, на которых наблюдаются отражения.
Общий принцип, используемый для осуществления непрерывной
регистрации /Zmin, /mm, /max? состоит в отключении одной из разверток па-
норамного индикатора. Высотно-частотная характеристика при этом
вырождается в отрезок прямой линии на экране трубки. Крайние точки
отрезка представляют собой искомые значения параметров. Рассмотрим
один из технических вариантов осуществления записи минимальных
действующих высот ионосферы при помощи ионозонда типа АИС [39]. В
конструкции его индикаторного устройства произведены для этого следующие
изменения: негативное изображение высотно-частотной характеристики
заменено на позитивное и отключены развертка по частоте и генератор
частотных меток. На оставшейся вертикальной высотной развертке при
включенной станции будут видны при этом светящиеся неподвижные
точки, соответствующие земному импульсу, отраженным от ионосферы
сигналам и высотным меткам (рис. 1.5а).
При прохождении всего частотного диапазона изображение земного
импульса и высотных меток остается неподвижным, а след отражения
перемещается по экрану в вертикальном направлении по мере подхода частоты,
на которой производится зондирование, к критическим частотам слоя.
Естественно, что на участке минимальных действующих высот, где след
горизонтален, он будет более продолжительное время оставаться на одном
месте, а стало быть, будет более ярким.
30

h'rz
пП
З.И.
*J\ Отраженные
/j **~~ сигналы
Высотные
' ** метки
-Ззмной иппульс
и о п п j Пленка
— h'FZ u
| П D
З.И.
D П D П
Рис. 1.5. Непрерывная регистрация
минимальных действующих высот
а — схема работы установки; б — примеры
записи /Г (О-характеристик
Получаемое изображение регистрируется на кинопленку, непрерывно
протягиваемую перед экраном трубки в направлении, перпендикулярном
развертке. Засвечивается пленка только в тех местах, куда попадают
изображения светящихся точек. Если высота слоя не меняется со временем,
на пленке мы получим горизонтальную линию. При подъеме или
опускании слоя конфигурация этой линии меняется. На рис. 1.56 даны примеры
записи h! (t)—характеристик.
Зондирование на дискретных частотах
Основная особенность предлагаемой модификации сводится к замене
в принципиальной схеме ионосферной станции плавного генератора
совокупностью генераторов, работающих на дискретных частотах.
Из общих теоретических положений, определяющих условия работы
радиоприемных устройств, известно, что широкополосные приемные
каскады характеризуются меньшей помехоустойчивостью по сравнению с
каскадами, в которых имеются настраиваемые элементы. Уровень шума,
воспринимаемый приемным устройством, при прочих равных условиях
пропорционален полосе пропускания приемного тракта. Избирательные
цепи на входе приемника ионосферной станции, как правило, отсутствуют.
Ширину полосы в этом случае следует оценивать по величине частотного
диапазона станции. Если на входе приемника использовать селективный
каскад с полосой порядка 100 кгц, то по сравнению с ненастраиваемым
входом мы получаем выигрыш по уровню шума приблизительно на 25 дб.
Чтобы обеспечить одинаковые условия приема, используя эти два
варианта приемников, необходимо в первом случае повысить излучаемую
мощность в 400 раз, так как из [124] известно, что отношение сигнал/шум,
служащее критерием помехоустойчивости работы ионозонда, находится
в квадратичной зависимости от излучаемой мощности.
Из сказанного ясно, что введение переключаемых избирательных
усилителей высокой частоты на входе приемника ионосферной станции,
уменьшая полосу частот, резко снижает требуемую для надежной работы
устройства мощность передатчика и увеличивает помехоустойчивость.
Вместе с тем использование электронного переключения рабочих
частот позволяет в случае необходимости уменьшить время, нужное для
прохождения всего частотного диапазона. В этом случае несущая частота,
излучаемая передатчиком, меняется скачкообразно и нет необходимости
в чрезмерном расширении полосы приемного тракта, как этого требуют
конструкции станции с плавным прохождением диапазона, если весь
диапазон проходится за короткий промежуток времени (см. стр. 22).
31

При использовании станций, работающих на фиксированных частотах,
возникает потенциальная возможность определения частоты, на которой
производится зондирование, со сколь угодно большой точностью. Это так
же немаловажное достоинство, позволяющее при помощи такой
аппаратуры исследовать сверхтонкие эффекты, связанные с различием в
распространении сигналов, отличающихся по несущей частоте на очень малые
величины. В работе [228] описана ионосферная станция > разрабатываемая
в США, соседние значения несущей частоты у которой различаются на
0,1 кгц.
При конструировании панорамных ионосферных станций на
дискретных частотах весьма важен выбор сетки рабочих частот станции. Их
количество определяется спецификой поставленной физической задачи. Так, для
исследования резонансных явлений в ионосферной плазме выше главного
максимума ионизации, а также для изучения структуры горизонтальных
градиентов электронной концентрации и локализованных нерегулярностеи
горизонтальной протяженностью 100 км и меньше в США была
разработана ионосферная станция на шести фиксированных частотах [209]. Для
испытания радиолиний связи там же создан портативный ионозонд,
работающий в диапазоне 1,8—28,8 Мгц на 128 фиксированных частотах. Уже
упомянутая выше ионосферная станция [228], называемая авторами
разработки диназондом, работает на 2400 фиксированных частотах в диапазоне
от 0,5 до 32 Мгц. Существуют разработки ионосферных станций на
фиксированных частотах и в СССР [35, ИЗ].
При выборе шага сетки рабочих частот следует иметь в виду, что в ряде
случаев, когда казалось бы даже сама постановка задачи требует
непрерывного изменения несущей частоты, на которой производится зондирование,
на деле при использовании результатов эксперимента применяется
аппроксимация. Так, при расчете N (А)-профилей аппроксимация высотной
зависимости электронной плотности по определенному закону допускается
на интервале 0,1 Мгц, а иногда и большем.
Зондирование широкополосными сигналами
Обычно для зондирования ионосферы применяются импульсные
сигналы, огибающая которых представляет собой прямоугольник (точнее —
трапецию с достаточно крутыми фронтами), причем используется чисто
амплитудная модуляция. Для таких сигналов характерно следующее
соотношение между длительностью сигнала Т и шириной спектра сигнала
AF : AF ж 1/Г. При этом ширина спектра сигнала определяется как
величина, минимально необходимая для неискаженной передачи его формы.
Сигналы такого типа называются сигналами с малой базой. Под базой
в этом случае понимают произведение длительности сигнала на ширину
его спектра, и тогда величина базы приблизительно равна единице.
Наряду с сигналами с малой базой существуют сигналы с большой
базой. Эти сигналы за счет дополнительной модуляции, осуществляемой
внутри импульса, позволяют распределить энергию полезного сигнала
в полосе частот, значительно превышающей величину, необходимую
только для неискаженной передачи его формы. Возникает определенная
избыточность, величина которой определяется «коэффициентом расширения
полосы». За счет этой избыточности и оказывается возможным улучшить
качество работы системы, в частности повысить ее помехоустойчивость.
При таком подходе ширина полосы системы определяется не
абсолютным значением величины используемой полосы частот, а соотношением
между спектром сообщения (он определяется скоростью поступления
информации и совпадает с величиной, необходимой для неискаженной
передачи формы сигнала) и собственно спектром сигнала, величина которого
определяется избранным видом модуляции [120].
32

Пусть AF — ширина спектра сообщения, W — ширина спектра cnf-
яала, а Г — длительность сигнала. Тогда широкополосную систему от
обычной узкополосной мы сможем отличить по величине ее базы. В
соответствии с данным нами определением узкополосная система
характеризуется соотношениями
W = AF и TW = rAF»l,
а широкополосная система — соотношениями
W^>AF и TW~ 100ч-1000.
Широкополосные сигналы с большой базой распространены в системах
связи, где необходимо достичь высокой помехоустойчивости или добиться
эффективного использования частотного спектра при перегруженном
диапазоне частот. Имеется возможность применить широкополосные сигналы
и для зондирования ионосферы. Основной выигрыш при этом —
значительное повышение помехоустойчивости ионозонда.
Существует ряд методов получения сигналов с большой базой [120].
Мы кратко рассмотрим лишь те из них, которые можно использовать
в ионосферной аппаратуре.
Одним из них является разбиение информационной посылки общей
длительностью Т на бинарные элементы длительностью т, имеющие ту же
амплитуду, что и основной сигнал, но разные знаки. Такое разбиение
позволяет получить сигнал длительностью т с полосой W == 1/т. Число
элементарных импульсов в посылке N = Т/т определит собой значение
базы сигнала.
Следует заметить, что далеко не всякое разбиение исходной
информационной посылки на бинарные элементы даст сигнал, который можно будет
эффективно использовать в широкополосной системе. Поскольку
зондирующий сигнал имеет большую длительность, а от ионосферной станции
требуется обеспечить высокую разрешающую способность и точность
регистрации высотной координаты, необходимо иметь такие сигналы,
которые при перекрытии их друг другом все-таки можно было бы
пространственно разделить. Такое требование выполняется в случае, если сигналы
имеют корреляционную функцию с единственным максимумом
значительной амплитуды и малой длительности (по протяженности совпадающим с
длительностью элементарного импульса, составляющего общую посылку).
Такого типа корреляционной функцией характеризуются отрезки шума
с полосой W. По аналогии все остальные сигналы, обладающие
корреляционной функцией подобной формы, называют псевдошумовыми или
шумоподобными последовательностями, эквивалентными импульсу. После
обработки в корреляционном приемнике или согласованном фильтре они
принимают вид импульса длительностью т с амплитудой NA, где т —
длительность элементарного импульса, А — его амплитуда, а N — число
элементарных импульсов в посылке.
Широкополосные сигналы можно получить также с помощью так
называемого многофазного кодирования. При этом фаза несущего колебания
в элементарных импульсах информационной посылки изменяется в
соответствии с некоторым специально подобранным законом, позволяющим
получать сигналы с хорошими корреляционными свойствами. Число
различных фаз при этом может быть от трех до десяти и более. При числе фаз,
равном двум (0 и я), эти сигналы обычно совпадают с псевдошумовыми
последовательностями.
Кроме того, существует метод построения широкополосного сигнала
при помощи модуляции фазы несущей частоты в соответствии с кодом
Баркера. В этом случае исходный сигнал длительностью Т разбивается
на N элементарных посылок длительностью т. Фаза несущей частоты
в них может либо полностью совпадать, либо отличаться на я. Функция
3 Ионосферные измерения
зз

_п_
*4 Ли и и я з а д е р ж к и I
LJLJLJLJ.
|р/7| |у=/7| |у=#|
ТК]^
ШЛАМ/
зг
5/1
J=^zftr
m/i/v
п п п
п п п
Рис. 1.6. Широкополосная система зондирования ионосферы
а — блок-схема устройства, генерирующего код Баркера; б — схема построения корреляционной
функции согласованным фильтром
взаимной корреляции таких посылок при отсутствии временного сдвига
равна —1. При передаче дискретных сообщений такие сигналы
обеспечивают наибольшую помехоустойчивость.
Число элементарных посылок N в исходном сигнале, модулируемом
по коду Баркера, не может быть произвольным, так как функция
корреляции имеет четко выраженный максимум только при вполне определенных
значениях N = 3, 7, 11, 13. В [98] показано, что при N > 13 кодов Баркера
не существует. Вследствие этого обстоятельства даже при оптимальной
фильтрации нельзя получить превышение модуля главного максимума
корреляционной функции над боковыми лепестками более чем в 13 раз.
Значительно лучшими в этом плане возможностями обладают системы,
в которых сигнал имеет псевдослучайную фазовую манипуляцию. Эти
системы позволяют получать весьма высокую разрешающую способность
по высоте. Но поскольку псевдослучайные последовательности имеют
периодический характер [98], получить на их основе корреляционную
функцию с четко выраженным главным максимумом и малыми боковыми
лепестками можно только используя непрерывное излучение. При этом
значительно усложняется техническое решение вопроса надежной развязки
передатчика и приемника. Можно подобрать отрезок псевдошумовой
последовательности конечной длины с хорошими корреляционными
свойствами, но все дтвно он должен быть достаточно длинен (с N порядка
тысячи), что требует построения сложной линии задержки, а, кроме того,
пока еще не существует надежного способа выбора такого отрезка.
Резюмируя все вышесказанное, можно утверждать, что реализация
подобных систем вообще и применение их в аппаратуре для исследования
ионосферы, в частности, сопряжены со значительными техническими и
принципиальными трудностями. Поэтому для исследования ионосферы
наиболее просто получать широкополосные сигналы с помощью
модуляции фазы несущей частоты в соответствии с кодом Баркера. Необходимую
манипуляцию сигнала по фазе на я можно осуществить балансным
модулятором, питаемым от генератора высокой частоты и модулируемым
последовательностью кодовых импульсов. Кодовую последовательность получают
путем алгебраического суммирования импульсов, снятых с
секционированной линии задержки общей длительностью (N — 1)т, на вход которой
подается импульс длительностью т. Суммирование производится с
весовыми коэффициентами, соответствующими значениям членов кода [74г
98]. Блок-схема устройства и принцип его работы для N = 7 изображены
на рис. 1.6а.
34

Для приема фазовоманипулированных сигналов и обеспечения
эффективного их обнаружения приемное устройство ионозонда должно включать
дополнительные по сравнению с типовым приемником блоки. Детекторный
каскад должен быть чувствительным к фазе принимаемого сигнала. На два
входа такого каскада подаются собственно отражение, принимаемо^
приемником, и опорный сигнал от синхронизирующего гетеродина. В
качестве опорного используется синусоидальное (или прямоугольное)
напряжение, частота и фаза которого должны совпадать с частотой и фазой
принятого сигнала. После перемножения входных напряжений и
фильтрации по низкой частоте на выходе фазового детектора после
ограничителя образуется последовательность импульсов различной длительности,
имеющих постоянную амплитуду, но отличающихся полярностью.
Сформированный таким способом сигнал поступает на согласованный фильтр,
задача которого непрерывно формировать автокорреляционную функцию
продетектированного сигнала.
Фильтр является согласованным по отношению к сигналу
определенной формы (совпадающей с формой сигнала передатчика).
Формируемая им автокорреляционная функция будет иметь единственный большой
главный максимум только в том случае, когда на вход приемника поступит
действительно отраженный сигнал. Во всех других случаях амплитуда
сигнала на выходе согласованного фильтра будет мала. Таким образом,
сравнивая выходное напряжение с фильтра с некоторым пороговым
значением, мы можем принимать решение о наличии отраженного сигнала и
пропускать этот сигнал на регистрацию только тогда, когда принятый
сигнал есть действительно отражение излученного нашим передатчиком
сигнала. На рис. 1.66 изображена схема построения корреляционной
функции в согласованном фильтре, рассчитанном на обработку сигнала,,
промодулированного по коду Баркера в соответствии с рис. 1.6а.
Принимаемый сигнал 7 раз сдвигается на интервал, равный по длительности
единичной посылке кода, а результат такого сдвига постоянно складывается
в сумматоре.
Кроме описанного способа, когда фильтрация сигнала производится
после детектирования, возможно выделение полезного сигнала на
промежуточной частоте (до детектирования) при помощи аналоговых устройств
[172]. В этом случае, кроме момента прихода, можно регистрировать и
амплитудные значения принятых сигналов.
Метод частичных отражений
Когда приемник ионосферной станции фиксирует сигналы, отраженные
от ионосферы^ то в полном соответствии с теоретическими предпосылками
это есть сигналы, отраженные от областей с концентрацией, определяемой
соотношением (0.26). Однако, если излучаемая мощность очень велика,
то можно обнаружить очень слабые (по амплитуде в 105 раз меньше
обычных отражений от регулярных слоев) сигналы, приходящие с высот 50—
90 км. Кратко излагаемый ниже метод называется методом частичных
отражений.
Амплитуда частично отраженных волн определяется как процессами
рассеяния, ответственными за их возвращение в точку приема, так и
прохождением этих волн через области ниже уровня рассеяния. Изучение и
сопоставление амплитуд волн обеих компонент (обыкновенной и
-необыкновенной), рассеянных на дискретных нерегулярностях, дают нам сведения
о концентрации и частоте соударений электронов в области Д.
В аппаратуре используются импульсные передатчики с мощностью
100 кет в импульсе и выше. Для изучения нормальной области Д
применялась частота 2,66 Мгц. На более высокой частоте (6,25 Мгц) получепы
некоторые результаты, касающиеся основания слоя Е, а также некоторые
результаты относительно возмущенных условий, когда импульсы частоты
3* 35

-ЧОдб
%
I
-80
-90
-wo
-110
-110
-100
-90
-80
m
a
N
m
I
w
50
100 150
В ы с о т а
Рис. 1.7. Осциллограммы, иллюстрирующие метод частичных отражений
Верхний след на каждом рисунке — обыкновенная компонента, нижний — необыкновенная
2,66 Мгц не могут проникнуть в рассеивающую область из-за сильного
поглощения.
Существенной особенностью метода частичных отражений является
применение большой излучаемой мощности и высокочувствительных
приемников с накоплением сигнала (типа применяемых при некогерентном
рассеянии). В установке, упоминаемой в [26], зондирующие импульсы
излучаются с эквивалентной частотой 12,5 гц, а регистрация результатов
измерения ведется каждые 2 сек. На рис. 1.7 приведены результаты одного
из экспериментов.
Отношение амплитуд отраженных обыкновенной и необыкновенной
компонент Ах/А0, слабо рассеянных на высоте h и принимаемых на
Земле, зависит от соотношения коэффициентов отражения Rx/R0 и
суммарного дифференциального поглощения (кх — к0) ниже уровня рассеяния.
На малых высотах, где дифференциальное поглощение мало, Ах/А0 =
■= Rx/R0. Используя обобщенную формулу Эпплтона — Хартри, при
некоторых упрощающих предположениях можно записать зависимость
RJR0 от частоты волны, гирочастоты и средней частоты соударений
между электронами и молекулами воздуха. Затем по известным значениям
частоты соударений вычисляют электронную концентрацию.
Ионосферные станции на спутниках
Метод импульсного зондирования с приемом сигналов, отраженных от
ионосферы, и анализом свойств этих сигналов позволяет исследовать
ионосферу только на тех участках, где имеется рост электронной
концентрации с высотой. Поэтому исследовать распределение электронной
концентрации выше главного максимума ионизации при помощи аппаратуры,
расположенной на земной поверхности, невозможно. Кроме того, ввиду
неравномерности сети наземных ионосферных станций существуют
обширные районы, о поведении ионосферы в которых эта сеть не дает никакой
информации. Для построения же глобальных карт планетарного
распределения ионосферных параметров необходимы хотя бы некоторые
опорные сведения о состоянии ионосферы по всей поверхности земного шара.
Поэтому, когда появилась возможность постановки научных
экспериментов при помощи аппаратуры, устанавливаемой на искусственных
спутниках Земли, встал вопрос и о проведении зондирования ионосферы
установкой, размещаемой на спутнике. Траектория движения такого
спутника должна проходить выше главного максимума ионизации
£> 1000 км). Такая высота выбирается с тем, чтобы зарегистрировать воз-
36

можно больший участок высотного профиля. Наклонение орбиты также
желательно выбирать возможно большим (близким к 90°), чтобы охватить
наблюдениями максимальную территорию земной поверхности, в том
числе полярные районы, знание поведения ионосферы в которых
представляет наибольший интерес.
К аппаратуре, устанавливаемой на спутниках, предъявляется ряд
специфических требований, связанныхс условиями ее эксплуатации. В связи
с ограниченностью рабочего пространства и энергетических ресурсов
станция должна быть малогабаритной и должна быть рассчитана на малое
потребление энергии. Условия вывода спутника на орбиту (большие
ускорения, вибрации) предъявляют соответствующие требования к
конструктивным решениям и ограничивают выбор применяемых элементов. Станция
должна быть полностью автоматической и допускать управление ею по
телеметрическим линиям связи. Данные зондирования необходимо
получать в такой форме, которая допускала бы передачу их телеметрическим
способом. Наконец, в связи с высокой стоимостью эксперимента и
невозможностью ремонта станция должна характеризоваться высокой
надежностью работы всех узлов. В связи с последним требованием особое
внимание при конструировании необходимо уделять выбору рабочих
режимов; кроме того, следует предусматривать резервирование отдельны*
наиболее важных элементов схемы.
При выборе собственно радиотехнических параметров ионозонда
(частотный диапазон, частота повторения зондирующих импульсов, скорость
изменения частоты, излучаемая мощность, длительности зондирующего
сигнала) также следует обязательно учитывать специфику эксплуатации
разрабатываемого ионозонда. Здесь прежде всего необходимо учитывать,
что спутник, на котором устанавливается ионосферная станция,
перемещается в пространстве со скоростью порядка 8 км/сек, а также, что ионо-
зонд находится не в нейтральной среде, как это имеет место в наземных
станциях, а в области, где концентрация свободных электронов отлична
от нуля. В частности, этот фактор оказывает существенное влияние на
частоту повторения зондирующих импульсов, поскольку на высоких
орбитах, где градиент электронной концентрации мал, наблюдаются большие
групповые запаздывания. Верхняя предельная частота зондирования
определяется максимальными в течение эксперимента значениями критических
частот области F для необыкновенной компоненты (это требование
аналогично предъявляемому к наземным станциям).
Если исследования предполагают анализ отражений от земной
поверхности, то верхний предел частоты должен быть еще большим.
Минимальная частота должна быть меньше, чем частота, на которой происходит
отражение Z-компоненты сигнала вблизи спутника, с тем чтобы обеспечить
максимальную точность при измерении малых электронных концентраций.
Первая ионосферная станция для исследования ионосферы выше
главного максимума ионизации была создана в США. Спутник «Алуэтт-1»,
на котором она размещалась, был запущен 20 сентября 1962 г. на почти
круговую орбиту высотой 1000 км и наклонением 80,5°. Основной целью
этого запуска было измерение электронной концентрации в ионосфере на
высотах от 300 до 1000 км [148, 179].
Ионосферная станция, размещенная на спутнике «Алуэтт-1», работает
по принципу, разработанному для обычных ионосферных станций.
Излучаемый импульс имеет длительность 100 мксек и частоту повторения 62 гц.
Длительность сеанса — 12 сек. 'За это время несущая частота,
излучаемая передатчиком, изменяется в пределах от 1,6 до 11,5 Мгц. Излучаемая
в импульсе мощность составляет около 100 вт. Поскольку станция
работает в условиях малого уровня шумов, такой мощности оказывается
достаточно для получения устойчивых отражений во всем диапазоне частот.
Сеансы повторяются через каждые 18 сек, что в пересчете на длину
траектории составляет расстояние около 125 км.
37

У\г*гг,8бм
Рйс. 1.8. Блок-схема ионосферной станции «Алуэтт»
В схеме используется принцип однократного преобразования частоты.
Изменение несущей частоты в заданных пределах достигается путем
смешивания колебаний генератора частоты 19,0 Мгц и плавного генератора,
меняющего свою частоту в пределах от 19,5 до 32,0 Мгц. Этот же генератор
используется в качестве первого гетеродина приемной части станции. Вся
электрическая схема в соответствии с требованиями, предъявляемыми
к потреблению энергии и весу станции, а также для повышения
надежности работы и долговечности собрана на полупроводниковых приборах.
Отличительной особенностью описываемого эксперимента является
прямая передача результатов зондирования непосредственно во время
измерений по телеметрическим каналам связи на Землю. Для обеспечения
приема данных была создана большая сеть наземных телеметрических станций
слежения [180]. Однако, несмотря на то, что сеть эта достаточно велика
(она насчитывает 18 регулярно используемых пунктов, расположенных
па территории Канады, США, Южной Америки, Австралии и в других
местах), задача получения сведений о поведении электронной
концентрации выше главного максимума ионизации по всей поверхности земного
шара при помощи данного эксперимента в полном виде решена быть не
может. Для решения ее необходимо дополнить описываемую конструкцию
станции запоминающим устройством, которое бы позволило фиксировать
результаты зондирования в те интервалы времени, когда спутник не имеет
связи с наземными станциями.
Такого типа запоминающее устройство было использовано на спутнике
ISIS-1 [179]. Оно позволяло записывать информацию непосредственно
с выхода приемного устройства ионозонда на магнитную ленту. Сигнал
фиксировался в аналоговой форме, объем запоминающего устройства
давал возможность записывать сигналы в течение 66 мин при скорости
протяжки магнитной ленты 12,7 см/сек.
Блок-схема ионосферной станции «Алуэтт» приведена на рис. 1.8
Из нее видно, что по телеметрическому передатчику, помимо
непосредственных результатов зондирования, передается сигнал, контролирующий
значение частоты, на которой производится зондирование, своеобразная
частотная метка.
Уникальной особенностью «Алуэтта» являются выдвигающиеся
зондирующие антенны [199]. Они были сделаны из свернутой стальной ленты
толщиной 0,1 мм и шириной 10 см, которой при помощи отжига была
придана форма цилиндрической трубки диаметром 2,5 см. Затем трубка рас-
38

прямлялась в ленту и наматывалась на барабан, размещенный внутри
спутника. После выведения спутника на орбиту по специальной команде
антенны сматывались с барабана при помощи электромотора и резиновых
фрикционных лент и образовывали два жестких скрещенных диполя длиной
46 и 23 м. При проектировании и запуске ионосферной станции «Алуэтт-П»
рассчитанной на больший частотный диапазон (от 0,2 до 13,5 Мгц),
больший вибратор диполя имел длину 73 м.
Вся электронная аппаратура питалась от никель-кадмиевых
аккумуляторов, соединенных в батареи по 15,5 #, способных выдержать большое
число циклов перезарядки (около 6500). К этим элементам в параллель
подключались солнечные кремниевые р — ^-элементы. Максимальная
мощность, потребляемая электронной аппаратурой, составляла 30 вт.
Четыре преобразователя постоянного тока обеспечивают различные
напряжения, необходимые для питания всех узлов электронной
аппаратуры.
Телеметрический передатчик, при помощи которого осуществляется
передача на Землю данных зондирования (передается выходное
напряжение приемника ионосферной станции), работает в диапазоне 136 Мгц
и имеет выходную мощность 2 вт.
25 августа 1964 г. в США был запущен второй вариант спутников
ионосферной станции [209] — «Эксплорер XX». Перед этой станцией была
поставлена физическая задача иного плана, чем перед «Алуэттом»: изучение
структуры горизонтальных градиентов электронной концентрации и
локализованных нерегулярностей горизонтальной протяженностью 100 км
и меньше. Поэтому и конструктивное решение, и режим работы «Экспло-
рера XX» отличались от соответствующих характеристик «Алуэтта».
Ионосферная станция «Эксплорер XX» излучала зондирующие импульсы
на шести фиксированных частотах: 1,5; 2,0; 2,85; 3,72; 5,47 и 7,22 Мгц.
Все шесть частот последовательно излучались в течение 0,1 сек. Сеансы
могли повторяться практически непрерывно. Поскольку район, к
которому следовало отнести единичное измерение, при этом оказывался
ограниченным всего лишь сотней метров, при таком режиме работы оказалось
возможным осуществить пространственное разрешение мелкомасштабных
неоднородностей градиентов электронной концентрации.
Конструктивно ионозонд «Эксплорера XX» представлял собой
комбинацию трех двухчастотных приемо-передатчиков, работающих
последовательно один за другим. Мощность, излучаемая в импульсе, составляла
100 вт, частота повторения зондирующих импульсов — 67 гц. В
антенную систему входило три вибратора, расположенных под углом 60° один
к другому в средней части космического корабля перпендикулярно оси
его вращения.
Принимаемые на Земле телеметрической линией связи результаты
зондирования записывались на магнитную ленту. Затем для удобства их
анализа и обработки необходимо было эти данные представить в виде, обычном
для ионограмм. Для такого преобразования использовался комплекс,
состоящий из воспроизводящего магнитофона, осциллографа, кинокамеры и
нескольких вспомогательных управляющих узлов: схемы высотных меток
и ряда других. Как свидетельствуют авторы [180], эта задача достаточно
сложна и должна рассматриваться как комплексная проблема,
учитывающая работу ионозонда спутника, командно-телеметрических линий связи,
наземных станций и центра обработки данных.
Предельные возможности и принципиальные недостатки
импульсного метода
Как и любой другой конкретный метод исследования, импульсное
зондирование ионосферы может быть охарактеризовано своими
предельными возможностями. Выше неоднократно говорилось о том, что существен-
39

ным принципиальным ограничением импульсного зондирования является
невозможность зарегистрировать отражения от тех участков высотного
профиля электронной концентрации, которые характеризуются
отрицательными значениями высотного градиента. Второе не менее существенное
ограничение вытекает из того, что для исследования ионосферы в данном
методе используются импульсные сигналы. Совершенно очевидно, что при
панорамном вертикальном зондировании не регистрируется никаких
других параметров отраженного сигнала, кроме его несущей частоты и
временного запаздывания, а стало быть, утрачивается информация, которую
несут с собой сведения о высокочастотной фазе сигнала, его амплитуде и
форме. Однако потери этой информации мы не считаем принципиальным
недостатком импульсного метода изучения ионосферы, поскольку в рамках
рассматриваемого нами панорамного зондирования задача регистрации:
этих параметров отраженного сигнала попросту не ставилась.
Принципиальное ограничение вытекает из того, что временная координата
ионосферного отражения даже теоретически может быть определена только с
конечной точностью. Из анализа процессов обнаружения сигналов на фоне
помех, приведенном, в частности, в [34], следует, что для случая малого
уровня шумов \i^ 1 для оценки ошибки в определении момента прихода
сигнала применимо выражение
Д* = Ц^- (1.3>
или, переходя к отсчету высоты в соответствии с формулой (1.2),
Ah'= ' , (1.4>
4ябс/ У \i
где и. — отношение сигнал/шум; б J — частотная полоса, занимаемая
спектром сигнала; At (ДА') — искомая ошибка в определении момента
прихода (высоты отражения) соответственно.
Следовательно, для достижения заданной точности при регистрации,
высотной координаты необходимо применять импульс определенной
формы и длительности, поскольку ширина спектра импульса тесно связана
с этими характеристиками сигнала. В то же самое время совершенно
очевидно, что сколь большой бы полосой не характеризовался импульсный
сигнал, применяемый для зондирования, ширина его конечна, а стало бытьг
повышение точности регистрации высотной координаты отраженного от
ионосферы импульса имеет предел.
Рассмотрим основной технический вариант реализации импульсного-
метода исследования ионосферы — установку для вертикального
панорамного зондирования с плавным задающим генератором.
Для достижения заданной точности при регистрации высотной
координаты необходимо применять импульс вполне определенной формы и
длительности, причем определяющим фактором здесь будет крутизна фронтов.
Известно [144], что ширина спектра импульса б J тесно связана с этими,
характеристиками сигнала. В то же время для того чтобы зарегистрировать
такой импульс без искажений, необходимо иметь приемный тракт с
полосой бп/ во всяком случае не меньшей, чем бс/. Иными словами, должно
выполняться неравенство
6„/>6с/. (1.5)
Расширение полосы приемника (при условии использования импульса
неизменных параметров) не повлечет за собой снижения точности
регистрации высоты отражения, но зато уменьшение бд/ ниже значения полосы
спектра используемого сигнала — нарушение неравенства (1.5) — приведет
к снижению точности регистрации высоты (искажению формы
принимаемого импульса).
40

Если несущая частота непрерывно и плавно изменяется во время экспе-
римента (при использовании в схеме станции плавного задающего
генератора), то выделить значение несущей частоты, на которой производится
зондирование в каждый данный момент, не предпринимая каких-либо-
специальных мер, можно с точностью, не превышающей значения полосы
приемного тракта. Таким образом, можно утверждать, что значение
бп/ c^6J может быть принято нами за верхний предел точности
определения частотной координаты регистрируемого отражения, а величина ДА',,
определяемая из соотношения (1.4), может служить предельной границей
точности определения высоты отражения. Как следует из (1.4),
произведение А/г'-А/ = const, а это значит, что одновременное повышение точности;
отсчета обоих параметров отраженного сигнала, которые определяются
в методе панорамного вертикального зондирования, выше некоторого
предела принципиально невозможно: при увеличении точности отсчета одной-
характеристики будет неизбежно понижаться точность отсчета другой,
и наоборот. Этот результат, полученный в [47], находится в полном
соответствии с основными выводами теории информации (см., например, [30]).
Следует иметь в виду, что сформулированный только что вывод относится
к оценке возможностей метода и не учитывает экспериментальных ошибок
в оценке определяемых параметров, которые связаны с несовершенством,
аппаратуры, наличием субъективизма и т. д.
В заключение данного раздела приведем сводные оценки вариаций
основных параметров ионозондов, используемых до недавнего времени а
теперь на мировой сети станции.
Мощность в импульсе в зависимости от характера поставленной задачи
колеблется от нескольких десятков ватт до десятков киловатт.
Максимальный частотный диапазон от 0,5 до 35 Мгц. Ионозонды, используемые
для целей наклонного и возвратно-наклонного зондирования, имеют еще
больший верхний предел несущей частоты, доходящий до 64 Мгц. Как
правило, в схеме предусматривается возможность работы на растянутых
диапазонах (в станции АИС, таких диапазонов два: 1—10 или 1—18 Мгц)..
Переход от одного диапазона к другому осуществляется вручную.
Масштаб изменения частоты во времени может быть либо линейным,
либо логарифмическим. Время прохода диапазона колеблется от единиц
секунд до нескольких минут (в старых образцах станций). Частотные метки
идут чаще всего через 1,0 Мгц, иногда через 0,1 Мгц.
Высотный диапазон колеблется в широких пределах — от 100 до
4000 км и, как и в случае с несущей частотой, делится на поддиапазоны
(в станции АИС 0—250, 0—750, 0—1500 км). Смена диапазонов
производится скачкообразно и, как правило, вручную. Иногда предусматривается
плавная регулировка. Высотные метки идут с интервалом 50 или 100 км'г
на больших высотах скважность повышается до 500 км.
Частота повторения зондирующих импульсов (чаще всего 50 гц)
колеблется в пределах от 10 до 120 импульсов в секунду. В некоторых типах
станций предусмотрена ее плавная регулировка.
Длительность импульса, излучаемого передатчиком, меняется от 30 до
150 мксек, в каждом конкретном случае возможна ее плавная регулировка
в некоторых пределах. Синхронная перестройка приемной и передающей
части ионозонда обеспечивается в современных типах станций
применением общего задающего генератора. В ранних образцах для этой цели
использовались блоки переменных конденсаторов, синхронно изменяющих свою
емкость за счет установки их роторов на одном валу.
Вопрос об индикаторах рассматривался выше, пока что наиболее
распространены панорамные индикаторы типа В на электронно-лучевых
трубках с последующим фотографированием получающегося изображения
на 35-миллиметровую кинопленку.
В качестве антенных систем обычно используются вертикальные
скрещенные дельты, вертикальные ромбы. Активное сопротивление антенн
41

около 600 ом. Прием и излучение ведутся на одну и ту же антенну,
переключение производится при переходе от низких значений несущей частоты
к высоким. Иногда функции приема и излучения разделены.
Технические характеристики некоторых ионозондов приведены в [121].
1.1.2. Физическая интерпретация
высотиО'Частойгиых характеристик
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в начале слоя
(считая от его нижней границы) электронная концентрация очень быстро
изменяется с высотой, величина dNIdh характеризуется большими
значениями. Темп роста N падает по мере проникновения в глубь слоя; чем
ближе к максимуму, тем эти изменения меньше, и в области максимума
электронной концентрации dNIdh обращается в нуль. Этими причинами
объясняется характерная конфигурация высотно-частотной
характеристики ионосферы — экспериментально получаемой кривой, определяющей
высоту отражения радиоимпульса как функцию его несущей частоты.
Вначале отражения идут от нижнего края слоя. Электронная
концентрация здесь столь быстро изменяется с высотой, что изменения в h'
оказываются незначительными на довольно большом интервале частот. На этом
участке высотно-частотная характеристика идет параллельно оси частот
(рис. 1.9). Чем глубже в слое лежит точка отражения, тем больший путь
приходится проходить импульсу в ионизированной среде. Импульс,
попадая в ионизированную среду, распространяется в ней с групповой
скоростью Утр = сп. Следовательно, время группового запаздывания
будет возрастать как за счет проникновения в глубь слоя, так и за счет
уменьшения групповой скорости в связи с изменением значения
показателя преломления.
Если обозначить через N (h) зависимость электронной концентрации
от высоты, то время запаздывания сигнала, распространяющегося в
ионизированной среде, можно определить как
h 1 Г dh /л а\
о
где h0 — истинная высота точки отражения. Используя введенное выше
понятие кажущейся высоты А', можно получить следующее выражение
для связи между кажущимися и истинными высотами отражения импульса.
Поскольку h' = ст, то, рассматривая простейший случай отсутствия
магнитного поля (#Пр = #шш = 0), мы будем иметь выражение для п в виде
У moo2 v '
а подставляя это значение п в (1.6), получим для h' выражение
v = f j dh
Интеграл (1.7) является несобственным: при h = h0 в соответствии с
условиями отражения вертикально направленного луча (п — 0)
подынтегральное выражение обращается в бесконечность. Тем не менее интеграл
сходится: проведенный анализ показывает, что условие его сходимости
нарушается лишь в той области ионосферы, где градиент электронной
концентрации по высоте обращается в нуль. Это происходит в области
максимума; следовательно, при подходе к критической частоте слоя
кажущаяся высота точки отражения должна резко увеличиваться, устремляясь
к бесконечности.
42
(1.7)

Рис. 1.9. Схематическое
изображение идеализированной
высотно-частотной
характеристики
№№
h'i
h'Es
fcsfcs
В действительности кажущаяся высота растет не до бесконечности. Это
объясняется тем, что в районе, близком к точке отражения, положения
геометрической оптики уже не применимы. Точное решение задачи в рамках
волновой оптики показывает, что при п —> 0 групповой путь имеет
большое, но конечное значение. Такая картина и наблюдается в
действительности: высотно-частотная характеристика в области максимума слоя имеет
загиб вверх. По местоположению этого загиба на характеристике можно
определить критическую частоту, а стало быть, и оценить величину
электронной концентрации в максимуме слоя.
Измеряя время запаздывания импульсных сигналов на тех частотах,
которые отражаются от начала слоя, и используя для перерасчета формулу
(1.2), мы получаем значения кажущейся высоты, на которой начинается
слой. Поскольку в этом случае запаздывание, вызванное распространением
сигнала в самом слое, невелико, получаемые значения высот могут быть
с достаточной степенью точности приняты за истинные высоты нижней
границы слоя.
В условиях, когда поглощение распространяющегося сигнала мало,
на ионограммах часто наблюдаются так называемые кратные отражения.
Физической причиной их возникновения является вторичное (иногда
многократное) отражение сигнала на участке Земля — отражающий слой.
Как видно из рис. 1.9, регистрируемые значения высот таких отражений
на одной частоте должны быть обязательно кратны друг другу.
Для определения высоты, на которой располагается максимум слоя,
существует ряд методов. Наиболее прост способ, предложенный Букером
и Ситоном [164]. Согласно этому способу, за истинную высоту максимума
ионизации принимают значение кажущейся высоты отражения,
снимаемое с ионограммы на частоте, равной 0,834 от критической. Этот метод
исходит из предположения, что распределение электронной концентрации
по высоте вблизи максимума слоя близко к параболическому, и не
учитывает влияния внешнего магнитного поля. Если взять разницу в отсчетах
кажущейся высоты отражения на частотах 0,83 и 0,97 от критической,
то таким путем можно оценить полутолщину слоя, от которого происходит
отражение, в предположении, что изменение электронной концентрации
с высотой описывается уравнением параболы.
Радиоволна частоты большей, чем критическая для данного слоя,
пронизывает этот слой насквозь и отражается от слоев, расположенных выше
и характеризуемых большими значениями электронной концентрации.
Однако эффект возрастания кажущихся высот вблизи максимума слоя
проявляется и на частотах, несколько превышающих значение
критической. Поэтому в начале отражений от вышележащего слоя наблюдается
постепенное уменьшение запаздывания (см. рис. 1.9). Высоту слоя
(параметр h') определяют по тому участку следа, где импульс испытывает
минимальное (запаздывание.
Таким образом, уже по одиночной ветви высотно-частотной
характеристики можно оценить величину ряда параметров ионосферного слоя: его
высоту, максимальную электронную концентрацию, истинную высоту,
43

на которой располагается максимум, и полутолщину слоя в
предположении, что он имеет форму параболы.
Высотно-частотные характеристики ионосферы, получаемые в
результате проведения эксперимента, существенно отличаются от рассмотренной:
нами выше. В первую очередь это связано с наличием внешнего
магнитного поля. Под его влиянием волна испытывает двойное
лучепреломление и расщепляется на две составляющие. Два знака у корня в
знаменателе выражения (0.16), определяющего коэффициент преломления,
дадут два значения для этих составляющих. Очевидно, что поскольку
значения показателя преломления для разных компонент даже при условии
постоянства со различны, две компоненты одной и той же несущей частоты
будут отражаться от областей ионосферы, характеризуемых различными
значениями электронной концентрации. Обе компоненты эллиптически
поляризованы, векторы их поля имеют левое и правое вращение. Как и:
в случае отсутствия поля, условия отражения записываются в виде
7*1,2 = 0.
Знак плюс перед корнем определяет значение показателя преломления
той из составляющих, которую называют обыкновенной компонентой.
При соблюдении равенства со = со 0 показатель преломления п2 обращается
в нуль, так же как и в случае отсутствия внешнего магнитного поля.
Отражение обыкновенной компоненты происходит, когда несущая частота
импульса совпадает со значением плазменной частоты, откуда электронная
концентрация в точке отражения
W--S-. (1-8>
Условия отражения необыкновенной компоненты, как показывает
анализ выражения (0.16) со знаком минус перед корнем, могут быть
записаны в следующем виде:
со* —
2(со<
°шп Л/Г\ "Чоп 1
-со*) У [2(a)»-©;) J
+ a>2a>Sp = (Do
Введя обозначение сон = (Опоп+ сопр = \еН^)1т)2 и проделав
соответствующие преобразования, получаем, что значение электронной
концентрации в точке отражения необыкновенной компоненты волны с частотой
со определяется выражением:
ты* ' со
Формально из (1.9) следует, что необыкновенная компонента будет
отражаться от двух различных уровней электронной концентрации
*«-&(**-&-). ' <1л°>
Физический смысл обычно имеет только одно из рассматриваемых
значений — меньшее, поскольку, если в этой области произойдет полное
отражение необыкновенной компоненты, она уже не сможет достичь
уровня с большими значениями N.
При вертикально направленном луче обыкновенная и необыкновенная
компоненты распространяются по общему пути, за исключением отрезка
между точками отражения обеих составляющих. Разнятся у них и
значения групповых скоростей из-за различия показателей преломления.
Поэтому в начале слоя обе компоненты испытывают одинаковое
запаздывание и только при подходе к максимальным значениям электронной концен-
44

трации изображение высотно-частотной характеристики «раздваивается»
ж эти участки Ь/ (/) характеристик обеих компонент регистрируются
раздельно (см. рис. 1.9). По значениям критических частот со™ и com можно,
используя выражения (1.10) и (1.8), определить величину напряженности
магнитного поля Н0в области максимума электронной концентрации.
Из (1.10) следует
4яе2Агт = . еН0
<*)
тшт
Поскольку в соответствии с (1.8) 4ne*Nm/m = com , то
wm _ л еН0 (o)t _ <*)• еН0 <х)
со^)2 тс^х)
откуда
"т
Я0=—^г-(«« -«*')• (1-П)
Из положений магнитно-ионной теории следует, что при квазипро-
дольном распространении волны, когда нормаль к ее фронту составляет
малые углы с направлением внешнего магнитного поля Н0 и значение
градиента электронной концентрации dN/dh достаточно велико, ощутимая
часть энергии обыкновенной волны просачивается выше области, где
п± < 0. В этой области обыкновенная волна распространяется уже как
необыкновенная. Она достигает значений электронной концентрации,
удовлетворяющих условию
ж отражается от этого уровня. В этом случае высотно-частотная
характеристика будет иметь три ветви. Каждая из ветвей будет характеризоваться
соответствующими значениями критической частоты f°\ fix\frz),
удовлетворяющими условию / х) > /^0) > /(z). Ветвь /<z> называется Z-компонен-
той высотно-частотной характеристики.
Помимо основных регулярных слоистых образований, в ионосфере
часто наблюдаются так называемые спорадические слои. Отражения от них
обладают рядом специфических свойств, отличающих их от регулярных
слоев Е, F\, F2. Прежде всего спорадические образования
характеризуются большими значениями электронной плотности по сравнению с
регулярными слоями. Значения высотных градиентов dN/dh у них обычно также
выше, чем в регулярных слоях; это приводит к тому, что часто отражения
от таких слоев не имеют характерного загиба вверх на высокочастотном
конце следа.
В отличие от регулярных образований спорадические слои часто
бывают полупрозрачными. В этом случае на одной и той же частоте
наблюдаются отражения и от спорадического слоя, и от регулярного,
расположенного выше (см. рис. 1.9). В связи с этим существенной
характеристикой спорадического слоя является частота экранировки fb — значение
частоты, выше которой слой становится полупрозрачным, а ниже которой
он экранирует все вышележащие ионосферные образования. Иногда
спорадический слой развивается настолько, что оказывается экранирующим
во всем диапазоне частот. Чаще всего при этом наблюдаются
многократные отражения от слоя.
Спорадические образования возникают как в области Е, так и в
области F. Возникающие в области Е образования изучаются давно и подроб-
45

но. В соответствии с их физической природой различают три основных
типа Е: тонкий слой, резкий градиент (или выступ) и рассеивающие
центры (или вкрапления). Определения ряда параметров этих слоев (высота
h\ предельная частота f0Es, частота экранировки fbE8, а также
классификация по форме следа) входят в задачу стандартной обработки ионограммг
которая проводится повсеместно на ионосферных станциях согласно
международным правилам интерпретации. В настоящее время изучению»
спорадических образований в области Е уделяется очень много внимания.
Спорадические образования в области F изучены очень слабо. В
настоящее время пока не существует даже четко принятой единой терминологии;
что считать спорадическим образованием в области Fs. Под Fs разные
авторы понимают диффузные (рассеянные) отражения в области F,
наклонные отражения, отражения, по своей конфигурации напоминающие
отражения от регулярного слоя F, но характеризующиеся аномально большими
значениями критических частот и т. д.
Подводя итог сказанному, можно представить себе некоторую
идеализированную высотно-частотную характеристику ионосферы, которая
должна наблюдаться при вертикальном зондировании, и оценить тот
минимальный набор параметров, который может быть с такой ионограммы снят
(см. рис. 1.9).
Выбору этих параметров, а также формулировке правил их отсчета^
придается очень большое значение, поскольку необходимо осуществлять,
обоснованное сопоставление данных, получаемых в разных пунктах
земного шара. Если такое сопоставление невозможно или малообоснованно,,
ценность результатов, получаемых на огромной сети ионосферных станций,
практически падает до нуля. В настоящее время общепринят следующий
перечень параметров, снимаемых с ионограмм и представляемых для
международного обмена.
1. Критические частоты обыкновенной волны, отражающейся от
регулярных слоев ионосферы F2, Fi, E, — f0F2, f0Fl, f0E.
2. Соответствующие критические частоты необыкновенной волны
fxF2, fxFl, fxE. Обычно эти характеристики определяются с целью
повышения надежности определения критических частот обыкновенной
компоненты.
3. f0Es — предельная (наивысшая) частота обыкновенной волны,
отражающейся от слоя Es. Если нельзя различить или установить, что
отражается именно обыкновенная компонента, определяют fEs — предельную
видимую частоту Es.
4. fbEs — наибольшая частота, до которой слой Es экранирует
лежащий над ним регулярный слой.
5. /min — минимальная частота, начиная с которой на ионограмме
виден след отражений от ионосферы.
6- h'F2 — минимальная действующая высота наивысшего стабильного
слоя области F.
7. h'F — минимальная действующая высота наиниз пего слоя
области F.
8- h'E и h'Es — минимальные действующие высоты слоев Е и Es*
9. hpF2 — действующая высота слоя F2, отсчитываемая по ионограмме
при частоте 0,834 f0F2- Численно она определяет высоту максимума
ионизации слоя F2 в предположении параболического распределения
ионизации вблизи максимума и без учета запаздывания волны в нижележащих
слоях.
Физические задачи, которые могут быть решены на основе анализа
результатов, получаемых при помощи станций панорамного вертикального
зондирования, можно подразделить на две большие группы: а) изучение
общих характеристик ионосферы и ее изменений в планетарном масштабе
в зависимости от других явлений; б) исследование детальной структуры
ионосферы (в частности, во время особых ионосферных явлений).
46

5 *
/
О 01 02 03 Oh 05 06 01 08 09 10 II 12 13 tk IS 16 П 18 19 20 21 22 23 2h
f*
• ч
►♦•—
.'
1 1
л
**
МП
МП
...
/Лестное время , vac
Рис. 1.10. Образец /-графика
Задачи первой группы, которые можно назвать стандартной обработкой
ионограмм, требуют статистически репрезентативных, как можно более
полных рядов данных, точность которых не обязательно должна быть очень
высокой. Однако эти данные, полученные на разных станциях, должны
быть весьма однородны.
Правила идентификации ионограмм в рамках предъявляемых
требований и определения количественных значений оцениваемых параметров
описаны в ряде руководств по интерпретации и обработке данных
панорамного вертикального зондирования [122. 121]. Там же приведены и
единообразные правила представления получаемых данных, определяющие
составление /-графиков, суточных и месячных таблиц для снимаемых
параметров (рис. 1.Д0 и таблицы 1 и 2). Проведение стандартной обработки
осложняется тем, что ионограммы, получаемые на станциях,
расположенных в различных районах земного шара, характеризуются рядом
особенностей, затрудняющих их однозначную интерпретацию и снятие числовых
значений (см., например, [159, 213]).
Наиболее близкими к «теоретической» форме высотно-частотной
характеристики оказываются ионограммы, получаемые на среднеширотных
станциях. Пример такой ионограммы приведен на рис. 1.11а:
конфигурация следа весьма близка к идеализированной высотно-частотной
характеристике, след тонкий, отсчет количественных значений не представляет
никаких сложностей. Однако и здесь имеются свои сложности, связанные
47

tO tO tO tO н^ н^
о о о оо о
НА НА 1-^- НА. НА К»-
oooorto
о о о о о о 1
ел сп -j оо оо оо
ел to to со to to
to со со со оо со I
00 О О и*- О tO
О СЛ СЛ СП СЛ О
to to to to со to
^ JS й^ *« ^ ^
ел о о о о о
8_
^
■&з^
НА.
СО
О
&а
^ОО^ О
ЬА- Н*. НА- pTJ ГЧ НА.
Со 00 to NJ CD
1 О О О О О
НА. НА. и-" НА. НА.
-«Л СО 00 на. со
64
НА. НА. НА. НА. НА.
О О О v tO СО
о о о о ел
&а
*в м- н- и ^
со со со со со to
С5 ьа. на. о ^^" CD
о о о о о о
на. на. на. на. на. на. ,
•<i сп ел >ps оо to
о о о о о о
H^^H^h^lA^.
о о о о о о
о о о о о о 1
-<i -~л оо оо оо оо
-Л 00 tO CO LO 00
СО 00 СО 00 00 СО
на о to на. на. о
ел ел о ел ел ел
250
hhh
to to to to to to
4^ CO Co tO О О
о ел о ел ел о
*
bt^t^b
tO tO 00 СО 00 00
СЛ -^ О to СО 4>-
о ел ел о ело
НА НА Н^. НА. НА ^
о о о -а о о
ел ел ел о о о
1 о о о о
и-. на to -tO
1 о о о о
НА. НА. tO tO
ЙЬ -J О 4>-
C^C^C^Ci
НА. НА. НА. НА
ОО О О
о сл о о
СЪ Ci
ь- ь- ь- to
1 CO CONS CO CO CO
О **■ CD О О на.
О ОО О О О
н^-на. О О О О 1
на. о CD 00 -Л СП
О О О ОО О
НА. НА НА НА. НА. НА
О О О О ьа о
О О О О О О 1
сс оо оо -л -л ел
на оо о ел to ел
со со со со со со
to to оо оо со to
о о ел ел ел о
to to to 1
ел ел en
ел ел о
tr-i
to to to to со to
О О to CO 4^- 4^-
о ел ел ел о о
!г—■ t—* t:—• ir—■
со со со
СО 00 1-а
ел о ел
^^^
НА. НА. НА. НА НА. НА.
О О О О н*. на.
о с? о ел о ел
О О О (—4 (—4 (—4
coco со gPS
SS§gEsS
1 о оо о о о
СО 00 00 00 СО СО
О О 1-а 10 CD на.
С^С>
на. на. на. на. на. на.
О О О О 1-а на.
ел ел ел ел ел ел
СО СО СО СО СО СО
1 to to со to со to
CD CD ■<! ■<! ■<! CD
О О О О О О
О О О О О О 1
ел 4^ со со на. о
О ОО ОО О
НА. НА НА НА НА. НА
О О О О О О
О О О О О О 1
4>» СО ОО rfN 4>» 41>
О 00 CD на. со £>
СО СО СО СО СО СО
о оо оо со оо оо
о ел ел о ел сл
^
to со со со со со
■сп ел сп ог сп —л
о ел о ел ел о
^; fcq fcq tq fcq ьа
со -^
1 о о о
на на. LO
| ел со о
fcqfcq tq
О НА. НА.
НА. НА. О
1 о о о
fcqfcq fcq
09 Н» Ы>
1 со со со со со со
со ел ел 4>* сл ел
о о о оо о
1 ^
Час
^min
оценочный

описательный
/oF2
F2
AfSOOO
оценочный

описательный
h'F2
оценочный

описательный
h'F
оценочный

описательный
foFi
Fl
М300Э
оценочный

описательный
foE
оценочный

описательный
h'E
оценочный

описательный
FbEs
FoEs
оценочный

описательный-
!*:*•
оценочный

описательный
тип
Г8
Зона
5'
| F-область
t4
о
о
Примечания
V2
*о
н
В
>
и
сг
в
о
о
в
о
в
о
п
е
м
*0
в
о
о
со
о
в
в
о
>
в
в
В:
н
»
я
-В
S

винэЯэиеи эннйэфэонои fr
ОЭ оэ Н '
го а 2
сч
to со
to со -о со
ело о о
tOtOtOtOtOtOl^tOCOtOtOtOtOCOlNStOtO^tOtOtOtOIsDCOtOtOtOtOCO
СЛ05'<1СОСЛ'<1СЛС^О-^-^-^050СЛСЛ-^С^СООО-^ЛСЛ02 1'ОСЛСЛСЛ050
ОСЛООООСЛООСЛООООСЛОООСЛОСЛОООСЛОСЛСЛО
tocototototototototocototototocototototototototototototototoco
toco -<|^^^^сл^10оа^^лслооо-<10ооо-<10слсла5а5со^1^л-<10осло5-<105-<10
ОО ООСЛСЯОСЛОООООСЛОООСЛООСЛСЛООСЛОООСЛСЛООСЛ
^ococolNi^i^^totototolotococotocototoI^^tototototo^itotototo^oto
toco аэ^осэсэелел^о^сл^а^^^елн^слсла^^сосл^^ела^а^соа^сэоо
СЛО СЛСЛОСЛСЛООСЛОСЛСЛСЛООООСЛСЛСЛСЛОСЛСЛОСЛСЛОООСЛО
сч
tocototo^tototototototococototob^totototo^tototototototototo
tO СО ООСОСЛ05СЛ05<105СЛ010500<1^01СЛФО"(<1СЛ01СОСТСОСЛСПСЛСПСЛ
ОО ООСЛООООООООООООООООСЛСЛОООСЛООСЛООО
^
tocotototototototototototototototototoi^b^totototocotototototo
tCCO елО^С^елелелСЛС5СЛСЛСЛСЛ00СЛ^С5елелСЛ4^елСЛ00^О4^СТ1|4^СЛ-<1
ОО ООСЛООООСЛООООСЛООСЛСЛОСЛОСЛОООООООСЛОО
bototo^tototototototototototototoL\2to^tototototocotototoiN3iN^
н^СО СЛО^СЛСЛ^СЛС^4^СЛ4^4^СЛ^1^^СЛСЛС:СЛ^СЛелелСЛ^елСТ>СЛСЛС^
оо ооелооелоослооелслелооооооелоелоооелооело
н^ СО
оо
н^ СО
СЛ О
н^ СО
ОО
сч
tototototoiNJtotototototobitototototototototototobJisitototototo
^^1СЛСО^г^СО-^^4^4^4^-^^СО^СОСЛ4^0^Й^СЛ4^С^СП-^^й^
ООООСЛСЛООООСЛООСЛОСЛСЛОООООСЛОСЛСЛООСЛОО
tototototototoi>ototototototototototototototototoi>ototototototo
СО ^СлеЛ104^СОСОСОСОСОСО^СЛ^С0^^^4^4^4^^С04^4^СЛ4^4^^^^
СЛО ОООСЛОСЛОСЛСЛОСЛООООСЛСЛОООООСЛОООООСЛСЛО
to to to to
со сл *> to
оооо
to to to
со to to
сл сл сл
totototototototototototototototototototototototo
н-jsf - " - -
ooc
аз
<слелслелслоооослосло
to to to to
to to сл to
ел сл о сл
tototototototototototototototototoi^tototototototototo
H^C0C0C0t0tOO^^C0H^H^b3tOtOOtO^tO^^^^C0a*C0H-b.
слелелослоелслоослслслослооослооослоооо
1Эз &5 из 153
to to ю to
tO tO 4^ tO
ел о о ел
to to to to to
н^ CO CO " "
о ел ел
Э СО н
wtototowtototototototototototototototototo
COOWCO^W^DOP-OO^OtOaiJNUIlNSWWtOO
оелслслслоослослоослоооослослело
сч
towtotototototototototototsitototototo^totototototototo toto
^^w^^Jsto^O^OOOOO^^OCCDOOOtOWUitOK) COCO
о сл о о о о о ел сл о о ел о о ел о ел о о ел о о о о сл о о сл оо
totototototototototototototototototototo»totototototototo toto
OOMi(NWH-OOOOOCO^O^OyiOOOOOOO^^H>W н^ СО
сл сл о о сл ел сл сл сл о сл о о о о о о о о о сл о о о сл о сл о оо
totoiototototototototototototo^tototototototoi>otototototototo
слоослослелослослослооелоослоооооооослоосл
ИЗ &3
J^tQ^
toiotototoiN^tototototototototototototototototototototototototo
оослслелослооелслслоооослослслоослелелооелооо
я?аз
&!&:&:
bototoi>oto^tobo^totototoi>otototototototototototot>oi>ototototo
t0^^tNOWI>OC04^^00QCO^OCOLO^C04^tOCOtOlOH^^tOrf>.rf^H^tO
слоелслслоелоооооооослооооослслелослслоооо
IOLOtOtOtOtOtOtOtOI>OtOtOI>O^WtOLOtOtOLOtOtOtOtOtOI>OtOtOtOI>ODO
^СЛСЛ^4^^СО^^4^н^СО|4^1>0^^^Л^С04^^4^СОСЛСОа^^
оооелооооелслслелооооооелослослослослоослсл
WIS3b«3tOI>OtOtOtOlN3tOtOtO|N3tOI>OlN3lN3tOtOtOtOtOlN3tObOtOtOtOtOtOt^
4^ч^^4^С0СО4>. rf,- ^4^4^4^4^^а^СЛСЛа^^^4^4^й^ел^СЛСЛ^СОЙ^4^
елслелоелооослслелоелслслоооооелелслооооослосл
totototototototototo^totototototototototoboi>ototototoi>obat^
4^С04^Ц^^СОСОС04^^С04^4^4^4^СОО^С0^^^4^СЛ4^СЛ^^а^СЛСЛСЛ
ооелслслослслоелслоооослооослслслослоелелоооо
toi>otototoi>ototoi>otototototoi>otoi>ototoi>otototototot^
0^^^ел^^СО^^1^СО^СЛ4^СО^СПСО4^СП4^4^4^^^^^СО4^4^СЛ
ООСЛСЛООООСЛСЛОООООООСЛОООООООСЛСЛОСЛОО
tototototototototototototototototototototototo to to to to to to to to
^елслел4^сососососоа^со^^со^сл^^^^^соел4^
ослоооослслоооелоослооооооослооооооело
l>oi>ototoi>otoi>oi>otototototototototototototototototototototototo
4^СЛН^СЛС04^СЛ4^4^4^СЛС04^елСЛ^СЛ4^^10^СО^ел^<^
ооослослоелслоослооооооослслоооооослооо
totocotototototototototo^totototototototototototototototototo
ело^сяелелгп^слооспслоо^оо-^^сясл^^елел-^сэсле^
оооослослоослоосноооооелооооооооелосло
и а
о -Н
Н Н
» 3
а?
я
я
о
я
а?
13
Я
л
й
я
4
3=4
я
U
О
ное
и
эемя
►^
о
СЛ
И
а
о
W
о
г>
е
W
ч
а
2
^
►
д
в
и
8s
а
о
3=1
н
О)
09
а .
О о%]
► *;
•"в М

с динамикой развития ионосферных слоев (возникновение и исчезновении
слоя F1, классификация спорадических образований, экранировка
регулярных слоев спорадическими, развитие ионосферных возмущений,
проявляющееся в сильном развитии самой нижней из регулярных областей
ч ионосферы — области D, а также в аномальном изменении электронной
концентрации в регулярных слоях и появлении спорадических
образований, и др.). Не ставя перед собой задачу рассмотрения этих явлений в
настоящем пособии, мы отсылаем интересующихся к специальным
руководствам, где эти вопросы рассматриваются детально [121, 122].
Немногим сложнее интерпретация низкоширотных ионограмм. Каждая
отдельно взятая высотно-частотная характеристика по конфигурации н&
отличается от характеристики, получаемой в средних широтах. Различие-
сводится к количественным значениям параметров, что вполне объяснимо,
в частности, величиной зенитного угла Солнца. Различен также характер-
временных вариаций (суточные и сезонные изменения). Кроме того, в
зависимости от географической широты изменяется частота наблюдения
спорадических образований различных типов. Так, для близких к экватору
районов более характерно появление спорадического слоя экваториального
типа, для которого типичен резко очерченный плоский нижкий край и
диффузность в верхней части, достигающая максимума в середине следа
(по шкале частот) и убывающая к краям. Пример низкоширотной ионо-
граммы приведен на рис. 1.116.
Наиболее сложны для интерпретации ионограммы, получаемые в
полярных районах. Высокая степень изменчивости высокоширотной ионосферы,
существование дополнительных источников ионизации приводят к тому,
что на этих ионограммах значительно чаще, чем в других районах,
наблюдаются наклонные отражения, отражения от спорадических образований,
аномальное поглощение, сильная диффузность отраженного сигнала и
другие явления, существенно осложняющие расшифровку. Кроме того,
вид записи на ионограммах в высоких широтах часто меняется за короткие
промежутки времени, что затрудняет использование принципа
последовательности при интерпретации ионограмм. Практика анализа результатов
обработки материалов сети высокоширотных ионосферных станций
показала, что расхождения в интерпретации результатов иногда оказываются
настолько большими, что могут приводить к совершенно различным
выводам по сравнительно близким географическим районам, для которых
априори следовало ожидать приблизительно идентичные закономерности.
Можно выделить следующие группы вопросов, вызывающих разнобой
в интерпретации: а) классификация спорадических образований; б) опре-
50

деление численных значений критических частот слоя F2 при диффузном
характере отражений; в) выбор основного следа отражений от области F
в случае наличия наклонных отражений или появления ряда
промежуточных образований. Существуют специальные руководства, посвященные
вопросам интерпретации высокоширотных ионограмм (см., например,
[44, 107]). Рис. 1.11* — пример высокоширотной ионограммы.
Идентичность интерпретации, обработки и представления результатов
наблюдений, а также их полнота и надежность имеют первостепенное
значение. Удовлетворительное решение этого вопроса зависит не только
от неукоснительного соблюдения операторами-обработчиками правил
интерпретации, но и от качества работы аппаратуры. Из опыта работы
многочисленных ионосферных станций, специально проведенных
исследований, а также из физических предпосылок известно, что определение
количественных значений ряда параметров ионосферы и даже сама
возможность получения этих значений во многом зависят от того, как работает
аппаратура, на которой ведутся наблюдения. Общеизвестен факт
зависимости такого параметра, как /min (минимальная частота зондирования),
от мощности, излучаемой передатчиком ионозонда. Весьма существенную
роль в получении качественных ионограмм играет чувствительность
приемника, причем здесь в равной степени важны абсолютное значение
чувствительности и равномерность чувствительности приемного тракта
ионозонда по всему частотному диапазону. При слишком низкой
чувствительности на ионограмме не црорисовываются те участки, где мощность
отраженного сигнала падает в связи с селективным поглощением. Чаще всего
такой эффект наблюдается в области критических частот, т. е. как раз
там, где необходимость получить зарегистрированный след особенно
велика. В то же время, если чувствительность приемника будет слишком
велика, изображение высотно-частотной характеристики на экране
осциллографа может оказаться полностью закрытым помехами, что также
приведет к потерям полезной информации.
Неравномерность частотной характеристики приемного тракта может
привести к возникновению «провалов» на изображении высотно-частотной
характеристики, что вызовет ухудшение качества изображения
(прерывистый след) и усложнит интерпретацию полученных результатов, а то
и вовсе сделает ее невозможной. Поэтому при проведении ионосферных
исследований (особенно по согласованной программе в разных точках
земного шара) весьма важно проведение регламентных работ,
позволяющих судить о том, насколько качественно работает аппаратура.
С появлением ионосферных станций, устанавливаемых на ракетах и
спутниках, встал вопрос об интерпретации высотно-частотных
характеристик внешней стороны ионосферы [139]. Схематическое изображение
ионограмм, получаемое при зондировании ионосферы сверху, приведено на
рис. 1.12аг типичная ионограмма ионозонда «Алуэтт» — на рис. 1.126.
Рис. 1.12. Результаты зондирования ионосферы при помощи станции, устанавливаемой
на искусственном спутнике Земли
а — схематическое изображение ионограммы верхней половины ионосферы; б — пример высотно-
частотной характеристики, полученной на искусственном спутнике Земли «Алуэтт»
4* 5i

Структура основного следа «внешней» h' (/^характеристики может быть
полностью объяснена с точки зрения магнитоионной теории подобно
объяснению конфигурации обычных «наземных» высотно-частотных
характеристик. Но внешние ионограммы характеризуются еще и рядом
особенностей, которые типичны только для внешнего зондирования. В
первую очередь следует упомянуть о резонансных явлениях. Возникновение
резонансов связано с тем, что спутниковые ионосферные станции находятся
в среде, концентрация свободных электронов в которой отлична от нуля.
Если частота сигнала, излучаемого станцией, оказывается совпадающей
или кратной характеристическим частотам окружающей среды, в
последней развиваются собственные резонансные колебания, регистрируемые
приемником ионозонда. Поскольку колебания возникают в
непосредственной близости от спутника, на ионограммах они регистрируются как
вертикальные следы, начинающиеся непосредственно после восстановления
нормальной чувствительности приемника. Чем больше развиваются эти
явления, тем большей протяженностью характеризуется пик. На
большинстве ионограмм имеются три пика. Наблюдаются они на плазменной
частоте /дг, пропорциональной корню квадратному из электронной
концентрации вблизи спутника, на гирочастоте /я, значение которой определяется
величиной напряженности магнитного поля на орбите Н: /я = (Не)/(2п>т).
Частота третьего пика /г (верхняя смешанная частота) определяется из
соотношения
/, = УЖ+Ж.
Кроме этих основных пиков, наблюдаются пики на кратных частотах
2/я, 3/я, 2/г. Пик 2/n наблюдается редко, пики 3fN, ifN и т. д., а также
3/г, 4/г никогда не наблюдались. Зато пики гармоник циклотронного
резонанса /я наблюдались на ионограммах «Алуэтта-1» при больших
величинах f0F2, когда зондирующие антенны были параллельны магнитному
полю 3>емли, вплоть до 22-й гармоники [183]. Поскольку плазменная частота
/iv измеряется по местонахождению пика независимо от потенциала
объекта, скорости его фотоэмиссии и других сопутствующих явлений, ее
значение является точной и абсолютной мерой электронной концентрации возле
спутника. Поэтому существуют специальные разработки аппаратуры для
исследования плазменных резонансов (см., например, [190]). Частотный
диапазон такого передатчика от 0,1 до 3,0 Мгц, частота повторения
зондирующих импульсов 500 гц, полоса пропускания приемника 30 кгц —
для того чтобы в пределах каждого резонанса получить несколько
сигналов.
Представляется целесообразным для большей полноты получаемых
данных ставить на борту оба типа станций — и с плавным прохождением
диапазона в течение длительного промежутка времени, и ионозонд,
работающий на фиксированных частотах [195].
По такой программе работает американский спутник ISIS-1,
запущенный 30 января 1969 г. на полярную орбиту (апогей 3523 км, перигей 574 км,
наклонение 88Q,4). На нем осуществляется зондирование с качанием
частоты от 0,1 до 20 Мгц и на шести фиксированных частотах: 0,£5; 0,48;
1,0; 1,95; 4,0 и 9,303 Мгц,
Для получения материалов первичной обработки ионограмм в виде,
допускающем их обоснованное сопоставление друг с другом, необходимо
тщательно следить за идентичностью правил, по которым производится
идентификация ионограмм, за соблюдением требований точности отсчета
количественных значений параметров и т. д. Только в этом случае данные,
получаемые на сети станций, будут достаточно однородны для того, чтобы
при сопоставлении их можно было делать какие-либо выводы, имеющие
-под собой реальную почву. Процесс первичной обработки ионограмм, та-
лим образом, можно попытаться свести к четко сформулированной совокуп-
52

Рис. 1.13. Высотно-частотиые характеристики, построенные при помощи ЭЦВМ с
использованием записи результатов зондирования в цифровой форме на магнитную
ленту
а — без подавления шумов; б — с предварительным отсеиванием помех
ности однозначно реализуемых правил. Иными словами, возможно
построение алгоритма стандартной обработки ионограмм, что облегчает
внедрение электронных цифровых вычислительных машин в практику
ионосферных исследований.
Первым шагом в автоматизации процессов получения и обработки
ионосферных данных можно считать получение результатов панорамного
вертикального зондирования в виде, позволяющем осуществить прямой
ввод результатов наблюдений в ЭЦВМ. Этому вопросу посвящено немало
работ, в которых рассматриваются как общие методологические аспекты
данного направления [49, 197], так и конкретные варианты
конструктивных решений, обеспечивающих решение поставленной задачи [15, 202,
228]. Если результаты зондирования практически без какой бы то ни было
предварительной фильтрации непосредственно с выхода ионозонда
записываются на магнитную ленту в дискретной форме, так что возможен их
прямой ввод в ЭЦВМ [45, 2281, то второй шаг должен заключаться в
идентификации ионограммы, т. е. в выделении машинным способом (с помощью
алгоритма) достоверных главных участков высокочастотной
характеристики из общего объема зарегистрированной информации. В работе [491
впервые излагались общие принципы построения алгоритма,
реализующего данную задачу; подробное описание алгоритма и программы дано
в [48].
Первые экспериментальные результаты, полученные на
ионосферной станции АИС с помощью аппаратуры [45] и ЭЦВМ БЭСМ-2,
приведены в кандидатской диссертации одного из авторов [47]. Аналогичные
результаты приведены в работе [228], откуда мы заимствуем рис. 1.13,
иллюстрирующий построение ионограммы машинным способом. В [481
описан вариант последовательности операций, предлагаемых при
построении алгоритма стандартной обработки ионограмм.
Изучение распределения ионизации с высотой является одной из
главных задач исследования ионосферы. Сведения о временных и
пространственных изменениях этих распределений необходимы при решении
практических задач распространения радиоволн, а также большинства проблем
строения верхней атмосферы и физических процессов в ней.
53

Из высотно-частотных характеристик, получаемых при панорамном
вертикальном зондировании, определяются кажущиеся высоты отражений
радиоимпульсов /г', вычисляемые в предположении, что скорость
распространения радиоволны постоянна и не зависит от характеристик среды.
Расхождение между значениями h' и истинными высотами, на которых
происходит отражение, достигает при подходе к максимальным значениям
электронной концентрации в слое довольно больших значений.
Для того чтобы получить истинное распределение ионизации с высотой
(так называемый N (й)-профиль ионосферы), необходимо осуществить
переход в процессе пересчета от кажущихся высот отражения к истинным.
В настоящее время N (й)-профили ионосферы могут быть получены при
помощи ракет, когда построение профиля производится по результатам
непосредственных измерений электронной концентрации по мере
проникновения ракеты в глубину ионосферы.
Ракетные измерения имеют ряд положительных качеств, выгодно
отличающих их от косвенных методов определения истинного распределения
электронной концентрации по высоте, к числу которых следует отнести
получение N (й)-профиля по результатам панорамного вертикального
зондирования. Однако они не могут полностью заменить этих методов. В
первую очередь это объясняется тем, что ракетные измерения проводятся
эпизодически, в отдельные моменты времени и небольшом числе пунктов.
Поскольку большое значение для решения ряда прикладных и чисто
научных вопросов имеют данные о временных и пространственных
вариациях N (й)-профилей, а такие сведения можно получить только на большой
сети регулярно действующих ионосферных станций, ясно, что задача
пересчета результатов панорамного вертикального зондирования в кривые
истинного распределения электронной концентрации по высоте весьма
важна. В последнее время в связи с получением высотно-частотных
характеристик выше главного максимума актуальной стала также задача
получения N (й)-профиля внешней области ионосферы. При этом возникла
новая задача — состыковка профилей, полученных при помощи наземной
ионосферной станции и станции, расположенной на спутнике. При этом
должна получиться единая кривая распределения электронной
концентрации по высоте.
Из всего сказанного ясно, что получению высотного профиля
электронной концентрации из высотно-частотных характеристик в настоящее
время уделяется весьма серьезное внимание.
Решение соответствующей задачи в полной ее постановке связано с
трудностями, обусловленными сложностью выражения для коэффициента
преломления ионосферы и формулы для групповой скоростив следствие влияния
магнитного поля Земли. Пренебрежение магнитным полем существенно
упрощает расчеты и во многих случаях позволяет получать довольно
близкий к действительности ход высотного профиля. Однако точность
такого рода приближения в ряде случаев уже не удовлетворительна как для
исследовательских, так и для практических целей. Кроме того, и в
приближенных и в точных методах расчета почти одинаковым образом
возникают две трудности.
Во-первых, имеется заметная погрешность в определении начальной
высоты профиля N (h). Возникает эта погрешность в связи с тем, что
практически высотно-частотные характеристики начинаются с достаточно
больших значений частоты, в результате чего отсутствуют экспериментальные
сведения о том, какова конфигурация высотно-частотной характеристики
на частотах ниже fm]n. Во-вторых, переход через максимум электронной
концентрации часто связан с разрывом на высотно-частотной
характеристике или с крутым ростом ее ветвей. Это, в свою очередь, ведет к
разрыву рассчитываемых кривых, что делает неопределенным положение
начала каждого из участков кривой, следующего за максимумом электронной
концентрации в слое. Существенное влияние на поведение N (&)-профиля
54

оказывает и межслоевая ионизация, т. е. те участки высотно-частотной
характеристики, которые непосредственно на ионограмме не фиксируются,
так как связаны с уменьшением значений по мере увеличения высоты.
В связи с изложенными только что причинами задача вычисления
истинного распределения электронной концентрации по высоте решается
при недостатке сведений, необходимых для однозначного ее решения.
Следовательно, в соответствии с общепринятыми определениями ее следует
определить как математически некорректную, полагая основными
физическими причинами некорректности: а) отсутствие экспериментальных
-сведений о нижележащей (на частотах ниже, чем /тш) и межслоевой (там,
где нарушается монотонный рост N с высотой) ионизации; б)
неоднозначность физической интерпретации тех участков высотно-частотной
характеристики, где происходят разрывы первого и второго рода.
В общей постановке определение зависимости N (К) по
высотно-частотной характеристике сводится в приближении геометрической оптики к
обращению интеграла
h h
h'(<o) = h0+X-^dh=h0 + [n((o,N)dh\ (1.13)
ho Ло
тде тг(со, N) — групповой показатель преломления, а и — групповая
скорость, в интеграл вида
h((o) = h0 + [F (со, h') dco, (1.14)
о
причем функция F (со, h') получается при соответствующем
преобразовании (1.13) в (1.14). Формула (1.14) и определяет вид профиля,
поскольку А (со) есть обратная функция h(N), так как со и N связаны
условием отражения волны через равенство нулю коэффициентов
преломления.
К настоящему времени разработано большое количество различных
методов, позволяющих осуществить решение поставленной задачи с той или
иной степенью приближения. По принципу подхода к инверсии
интегрального уравнения методы можно разделить на четыре [105] группы. В первую
группу включают модельные методы, принцип которых состоит в оценке
параметров профиля путем сравнения экспериментальной
высотно-частотной характеристики с набором стандартных характеристик,
построенных по определенному закону. Наиболее часто в качестве модельных
распределений используются:
я) параболический слой /V (h) = Nm 1 — ( -у
где Ym — полутолщина слоя;
^) косинусоидальный слой /V (К) = Мт -^- 11 — cos & ■ ;
в) слои .Эпштеина N (h) = Nm [i + exp(i+M/rm)]» -
г) слой Чепмена N {К) = A^wexpi-^-fl — у 1- ехр у—) •
Последнее распределение считается наиболее близким к истинному.
Вторая группа методов расчета предполагает разбиение
высотно-частотной характеристики на интервалы по шкале частот.. Разбиение может
иметь как равномерный, так и неравномерный характер. Математически
55

разбиение профиля на участки приводит к разбиению интеграла (1.13) на
части
h Фо<ЛГп)
Л'(ю) = h0 + [ n(a,N,H)dh = h0+ ^ n-^-d^ =
h0 О
ф(Д7г>
г=1 ^(^i-i)
обозначим
Min = ^L_ ^ ^ф. (1.16)
Введение Af|n, являющихся средними коэффициентами группового
запаздывания для каждого данного участка, приводит к системе
уравнений
п
К = К + S Л/ш (^ —fci-i). (1-17)
i=l
n
решением которой будет /&i = 2 ^*Л>
k=i
Для расчета профиля таким методом необходимо рассчитать элементы
матрицы групповых показателей Min и элементы матрицы Nki, которая
является инверсией матрицы Min. Эти матрицы для станции с заданными
магнитными координатами рассчитываются один раз.
Наиболее распространены метод Баддена [169] и метод Титериджа
[224]. Инверсия в методе Титериджа проводится не обращением матрицы,
а последовательными шагами. В результате решения определяются не
истинные высоты А, а их приращение ДА, что требует в процессе
проведения расчетов соответственно не абсолютны^ значений действующих
высот А', а их приращений ДА'. Поскольку Ыг' могут быть определены с
несколько большей точностью, чем сами высоты, этот метод, на наш взгляд,
более удобен. Он весьма подробно, с изложением алгоритма и его
программной реализации на машине «Стрела», описан в [154, 155].
Отличительной особенностью методов, объединенных во второй группе,
является то, что в пределах каждого отдельного интервала, на которые
при проведении расчетов разбивается высотно-частотная характеристика,,
градиент dh/dN есть величина постоянная, а при переходе от одного
участка к другому он изменяется скачком, т. е. имеются разрывы первого рода.
Третья группа методов может быть определена как группа
полиномиальных методов расчета. Основные принципы построения этих методов
сводятся к использованию следующих предположений: непрерывность
кривой h (N) и представление ее в виде степенного ряда (полинома) типа
п
* W) = 2 м>к(^)- (1Л8>
Это приводит к заданию высот hlt h2, ..., hn для соответствующих частот
/i. U, •••» /п в виде системы
h1 = a0 + ахф (fNj) + а2ф2 (fNl) + . . . + а„ф" (/лг,),
А, = а0 + ахф (fNi) + а2ф2 (fNl) + . .. + апц>п (fNp), (1.19)
К = а0 + сцЧ> (/wn) + «гФ2 Цяп) + • • • + «пФп (/лгп).
56

В отличие от ламинарных методов второй группы, в случае использования
полиномов полагают, что градиент dh/dN есть величина непрерывная.
Для нахождения связи коэффициентов ак с экспериментальными зна~
чениями К' в основное интегральное уравнение градиент dh/dtp (fN) подстав-
п
ляется в виде суммы 2 ^а/сф'с~1(/лг)- После подстановки и перемены мест
k=i
суммирования и интегрирования получаем выражение
к
h'(fi) =h0+ 2 как J ntf,fN,H)<p*-1(fN)d<p(fN). (1.20)
fc=l О
Введение коэффициентов
f.
г
bi: =к[ л (/,/*, Я)ф*-1^) Ар(/w) (1-21)
О
приводит к системе уравнений относительно аг
п
«'(/i)= S^a*. (1-22).
В этой системе коэффициенты feifc могут быть вычислены по (1.21) один раз
для данной станции и заданного ряда частот. Различие в конкретных
вариантах полиномиальных методов определяется разнообразием выбора
вида полинома ф (/^). Основным вариантом полиномиального метода
можно считать метод Титериджа, предложенный в 1961 г. [223].
Большим преимуществом этой группы методов является возможность
достижения большей точности при значительно меньшем числе
экспериментальных точек (сопоставление ведется с ламинарными методами).
Необходимое число экспериментальных отсчетов, снимаемое с высотно-
частотной характеристики, определяется степенью полинома.
Если высотно-частотная характеристика не имеет разрывов, то степень
полинома может быть не выше 4. Для многослойных ионограмм (снятых
в дневное время, когда на них регистрируется несколько слоев) можна
использовать несколько полиномов — отдельно для каждого ^лоя. Можно,
вообще говоря, ограничиться и единственным полиномом, писывающим
всю ионограмму в целом, но тогда степень полинома нужно выбирать
высокой, при высоких же степенях решение становится неустойчивым.
Модификацией рассмотренного основного варианта является метод
перекрывающихся полиномов, когда исходная высотно-частотная
характеристика разбивается на несколько интервалов по шкале частот, причем
границы этих интервалов перекрывают друг друга.
В четвертую группу включаются так называемые ручные методы, хотя
для их реализации также требуется предварительное проведение
машинных расчетов (определения значений частот, на которых необходимо
снимать отсчеты высоты, на которой произошло отражение). В настоящее
время в группу ручных методов объединяют те, которые требуют
минимального числа операций и выражают истинные высоты или другие параметры
ионосферы непосредственно через снимаемые с ионограмм значения h'.
Наиболее современным примером такого метода можно считать метод
Шмерлинга [217].
Келсо [196] показал, что в случае пренебрежения влиянием магнитного
поля можно для определения истинной высоты, на которой произошло
отражение частоты /, взять среднее арифметическое из десяти значений
кажущихся еысот, снимаемых с ионограммы на частотах, определяемых
как 0,997; 0,972; 0,924; 0,853; 0,760; 0,649; 0,523; 0,383; 0,233; 0,078 ог
вначения /.
57

В последующих работах было показано, что для учета влияния
магнитного поля эти коэффициенты необходимо модифицировать, причем
степень модификации будет зависеть от отношения рассматриваемой
частоты / к гирочастоте и от величины магнитного наклонения на станции.
Поскольку поправки относительно малы и очень медленно изменяются
с магнитным наклонением, можно представить себе некоторое семейство
серий коэффициентов типа приведенных выше/ Каждая из этих серий
может быть применима к некоторому диапазону частот /, для которых
производится определение истинной высоты отражения, и некоторому
диапазону магнитного наклонения к гирочастоте. Таблицы этих серий,
содержащие информацию, достаточную для того, чтобы применяться
почти на всем земном шаре, приведены в руководстве по
интерпретации и обработке ионограмм [122]. Для пользования этими таблицами
достаточно знать магнитное наклонение и величину гирочастоты для
данной станции. По этим величинам выбирается ряд коэффициентов,
соответствующих данной станции. Зная величину /, определяют конкретные
значения коэффициентов, с помощью которых выбираются точки, в которых
следует снимать значения кажущихся высот отражения, которые затем
осредняются. Для облегчения отсчетов можно воспользоваться ионограм-
мами, которые строятся на основе этих же таблиц. Особенно удобны ионо-
граммы в том случае, когда частотщай масштаб ионограмм, получаемых
на станции, логарифмический.
При практическом применении данного метода возможны следующие
трудности. Некоторое количество отсчетных частот (минимальные
значения) может оказаться ниже /mjn, где отсутствуют экспериментальные
данные о высотах отражений h'. Возможно также, что при наличии на ионо-
грамме нескольких слоев плотность ионизации между слоями будет
меньше, чем плотность в максимуме нижележащего слоя, т. е. нарушится
монотонный ход высотно-частотной характеристики.
Эти две сложности вообще говоря, характерны практически для
любого метода расчета, независимо от того, к какой из упомянутых четырех
классификационных групп он относится. Как уже говорилось, отсутствие
экспериментальных сведений о нижележащей (на частотах, меньших
/mm) и межслоевой ионизации является одной из причин того, что
задача построения N (А)-профиля из высотночастотной характеристики
не имеет однозначного решения, т. е. относится к классу математически
некорректных.
Для получения однозначного решения необходимо использовать
информацию, дополнительную к той, которая содержится в участке
высотночастотной характеристики, первоначально использованном для
построения профиля.
Исходной основой для построения профиля является отраженный след
обыкновенной волны на вчх. В качестве дополнительной информации
может использоваться след необыкновенной компоненты, фазовые высоты,
измерения поглощения и другие экспериментальные данные.
Привлечение дополнительных данных привело к использованию метода
наименьших квадратов для минимизации отклонений рассчитанных величин и
величин, относящихся к дополнительной информации. Поскольку
подробное рассмотрение вопроса о построении N(А),-профилей различными
методами выходит за рамки собственно ионосферных измерений, отсылаем
интересующихся к литературе, обращая особое внимание на обзоры
методов.расчета, приведенные в [105, 153].
Проблеме получения высотных профилей электронной плотности
посвящено большое количество работ и существует несколько Способов
ее решения. Представляет несомненный интерес и расчет истинного
распределения электронной концентрации с высотой на основе высотно-ча-
стотных характеристик, получаемых при помощи ионосферных станций,
расположенных на спутнике. Эта задача аналогична в основном задаче
58

расчета наземного профиля, но характеризуется рядом специфических
особенностей, которые не встречаются при анализе данных наземного
зондирования.
Во-первых, поскольку спутник перемещается в плазме, все
действующие высоты (глубины) измеряются не от границы слоя (точки, в которой
плазменная частота ра*вна нулю), а от области, в которой плазменная
частота имеет некоторое конечное ненулевое значение. Если оно заметно
отличается от нуля, невозможно без потери точности применить любой
лз методов, разработанных для анализа данных наземного зондирования,
поскольку для всех них нижний предел исходного интеграла равен нулю.
При анализе данных, получаемых методом зондирования сверху, нижний
лредел интеграла в (1.14) не равен нулю и определяется значением
электронной концентрации вблизи ионозонда.
Во-вторых, в месте расположения спутника также конечной и не
равной нулю, как при наземном зондировании^ является и величина
градиента dhldf.
Все без исключения методы расчета N (А)-профилей предполагают, что
зондирование вертикальное. При зондировании сверху может
наблюдаться отклонение от вертикального распространения. Чем выше траектория
спутника, тем больше величина возможной ошибки.
С учетом перечисленных особенностей для вычисления профилей
внешней части ионосферы могут использоваться практически все методы,
разработанные ранее. В [193] описано применение ламинарного метода,
проведен его подробный анализ в части возникновения ошибок, связанных
с пересчетом кажущихся высот отражения в истинные. Показано, что
удовлетворительной точности можно достичь при использовании 10—20
значений, снимаемых с высотно-частотной характеристики. В [138] дано
описание полиномиального метода. Полагают, что этот метод более
эффективен для обработки «внешних» ионограмм с учетом того, что при
зондировании на дискретных частотах [209] количество экспериментальных
точек будет меньшим, чем это требуется для оптимального применения
ламинарного метода.
При сопоставлении данных, получаемых со спутника «Алуэтт-1», с
результатами измерений путем наземного зондирования, а также другими
методами (некогерентное рассеяние, эксперименты на ракетах), было
отмечено расхождение экспериментальных результатов. Профили,
получаемые на спутнике, оказались лежащими ниже соответствующих профилей,
получаемых другими методами. В [194] проведен специальный анализ
этого вопроса. Показано\ что регистрируемое расхождение может быть
отчасти объяснено систематическими ошибками высотных меток
спутниковой аппаратуры. Эти ошибки могут быть скорректированы путем
анализа высот отражений от поверхности Земли на частотах выше
критической. Причиной расхождения могут также являться горизонтальные
градиенты электронной концентрации и отклонения траектории
распространения излучаемых импульсов от вертикали.
В связи с получением большого количества данных зондирования
ионосферы сверху и необходимостью проводить в массовом масштабе
перерасчеты ионограмм в профили проведена работа по созданию специальной
системы, обеспечивающей снятие координат с ионограмм и расчет N (h)-
профиля с помощью электронной вычислительной машины [198]. Система
состоит из небольшой вычислительной машины, с которой связан
индикатор на электронно-лучевой трубке, и основной большой ЭВМ. На вход
преобразователя амплитуда-код подается ионограмма, записанная в
аналоговой форме на магнитной ленте. Эти данные преобразуются в цифровую
форму (амплитуда отраженного сигнала и время запаздывания) и
поступают в малую вычислительную машину. Эта машина осуществляет
постоянный вывод ионограммы и другой информации в цифровой форме на экран
электронно-лучевой трубки. Оператор снимает координаты высотно-ча-
59

стотной характеристики с экрана с помощью вветового карандаша, и эти
данные передаются в универсальную вычислительную машину для
расчета N (й)-профиля. Универсальной машине задана следующая
последовательность операций. Она строит N (й)-профиль по одной из компонент
высотно-частотной характеристики (как правило, для этой цели оператор
использует необыкновенную ветвь вчх), затем по этому профилю машина
рассчитывает вторую ветвь характеристики и возвращает ее на малую
ЭВМ для сопоставления с результатом эксперимента. Если рассчитанная
ионограмма не совпадает с исходной, то операция повторяется. Такая
система весьма удобна для интерпретации сложных по структуре ионо-
грамм, так как обладает линией «обратной связи», позволяющей
обнаружить ошибки оператора в том случае, если он неверно выбрал координаты
основного отражения для ввода их в ЭВМ.
1.1.3. Измерение парачетроз неоднородной структуры
Многочисленные экспериментальные исследования позволили сделать
вывод, что ионосферный слой представляет собой неоднородную средуу
состоящую из ионизированных образований — неоднородностей
различного масштаба. На современном уровне исследований основные методы
изучения неоднородной структуры ионосферы дают возможность
установить, что спектр линейных размеров неоднородностей электронной
концентрации в ионосфере весьма широк — от нескольких десятков метров
до сотен километров. Будем классифицировать неоднородности по
горизонтальным размерам в соответствии с характером явлений, вызываемых
при распространении радиоволн в неоднородной ионосфере. Следует
различать основные классы:
1. 1^> 500 км. Неоднородности, известные в литературе как
спорадические образования и перемещающиеся возмущения.
2. I < 500 км. Крупномасштабные неоднородности, изучаемые обычна
методом разнесенного приема с большой базой.
3. 2 ^> I > 20 км. Неоднородности, вызывающие F-рассеяние и
мерцание радиозвезд.
4. I < 2 км. Мелкомасштабные неоднородности, вызывающие
искажение радиоимпульсов и замирания амплитуды отраженного сигнала.
Следует иметь в виду, что под термином «ионосферная неоднородность»
всегда подразумевается область с повышенной или с пониженной по
сравнению с окружающей «фоновой» плотностью ионизации. С точки зрения
распространения радиоволн, это неоднородность в пространственном
распределении величины показателя преломления.
Ионосферные неоднородности находятся в состоянии непрерывного
движения. Обзор теории их движения дан в работе [66]. Можно представить
себе ионизированные «облака», возникающие и исчезающие, хаотично
движущиеся в различных направлениях внутри некоторой области или
находящиеся в состоянии упорядоченного дрейфа в определенном
направлении. Легко также представить себе движущийся фронт таких
неоднородностей. Экспериментальные данные говорят в пользу существования и
хаотических, и регулярных движений. Более того, изучение
горизонтального дрейфа мелкомасштабных неоднородностей ионизации дает
возможность исследовать ветровой режим на уровне ионосферы. При этом
ионосферные неоднородности являются своеобразным «репером».
Следует сказать, что существование в ионосфере ионизированных
«облаков», т. е. областей повышенной или пониженной ионизации,—
достаточное, но не необходимое условие для объяснения наблюдаемых явлений
при исследовании ионосферы радиофизическими методами.
Предположение о них лишь делает наглядным понятие скорости движения, размерау
времени жизни неоднородностей. Возможно, рассеяние радиоволн
происходит в областях, где возбуждены плазменные продольные колебания^
60

При этом поле принимаемых радиоволн будет удовлетворять
статистическим законам, т. е. эти волны когерентны между собой. Для продольных
волн плазмы под размером неоднородностей следует понимать длину
волны, а под временем жизни — время затухания.
Не исключена и другая интерпретация формы существования
неоднородностей ионизации.
Обзор ряда гипотез и теорий, касающихся механизма образования
неоднородностей в ионосфере, характера их пространственно-временного
распределения, приведен в [3, 115]; теоретические основы
радиофизических методов исследования неоднородностей изложены в [3, 115, 151, 161,
211], в настоящем разделе будут рассмотрены вопросы измерения основных
величин, характеризующих неоднородную структуру ионосферы.
Основные методы изучения неоднородной структуры верхней
ионосферы в настоящее время базируются на исследовании структуры поля
радиосигнала, отраженного от ионосферы или прошедшего через нее. К таким
методам прежде всего относится исследование процесса замирания
коротких радиоволн при вертикальном или наклонном зондировании
ионосферы, включая пространственно-разнесенный и частотно-разнесенный
лрием, исследование структуры поля излучения радиозвезд или сигналов
ИСЗ и, наконец, изучение /"-рассеяния на ионограммах вертикального
импульсного зондирования. Все эти методы позволяют надежно установить
факт наличия неоднородностей ионизации и оценить их интенсивность,
локализацию, форму и параметры движения. Физическую информацию
о мелкомасштабных неоднородностях можно получить, изучая временные
вариации амплитуды, фазы или угла прихода радиоволны, отраженной от
ионосферы при импульсном зондировании.
Пусть проводится зондирование на фиксированной частоте при
нормальном падении волны на слой. По-видимому, падающая на слой волна
частично проходит через неоднородности электронной концентрации и
отражается там, где показатель преломления п обращается в нуль [3].
При таких услових отражения у земной поверхности будет наблюдаться
некоторая дифракционная картина, задаваемая формой, размером и
взаимным расположением рассеивающих центров — неоднородностей
ионизации. Поскольку неоднородности ионизации находятся в непрерывно-
хаотическом и упорядоченном движении, то и дифракционная картина
у поверхности Земли будет непрерывно изменяться во времени и в
пространстве.
Часть энергии, отраженная при п = О, дает компоненту поля —
«зеркально» отраженную волну, приходящую в точку
E0cos(v)0t — ф0) (1.23)
наблюдения под углом а0 = я/2. Часть энергии, рассеянная на
неоднородностях, образует компоненту поля
2 Я. cos (со.*-ф,), (1.24)
8
т. е. пучок рассеянных волн со случайными амплитудами Es и фазами фв.
За счет движения рассеивающих центров каждая из элементарных
волн (1.24) имеет допплеровский сдвиг частоты
Д/ = /.-/о (1.25)
и угловое смещение
es-a0. (1.26)
Таким образом, электромагнитное поле Е (t) каждого единичного
сигнала в некоторой точке земной поверхности можно представить как супер-
61

позицию регулярной волны (1.23) и большого количества элементарных
волн (1.24)
Е (t) = E0 cos ((V — Фо) + S Es «°s (ast — Ф8),
(1.27)
Обозначая Qs = co5 — со0» можно получить следующее выражение для
амплитуды отраженного сигнала
/?(0 = i/[£'o + S^cos(Qs<-98)]2 + rS^sin(Q8^-<ps)f. (1.28)
Учитывая характер дифракционной картины у поверхности Земли,
следует отметить, что
R = R(x, у, *).
(1.29)
где х, у — координаты точки наблюдения на земной поверхности.
Исследуя дифракционную картину у поверхности Земли, можно
получить сведения о структуре неоднородного экрана.
Характеристика процесса R (t)
Вариации амплитуды.?? отраженного сигнала имеют характер
случайного процесса. Хорошо известно, что условия отражения радиоволн от
ионосферного слоя весьма существенно зависят от времени суток, сезона
и состояния ионосферы. Поэтому вариации R (t) являются
нестационарным случайным процессом [115].
Учитывая большую сложность анализа нестационарного случайного
процесса, обычно выполняют расчеты, рассматривая R (t) на коротком
(несколько минут) временном интервале. Это позволяет использовать
математический аппарат анализа, разработанный применительно к
стационарным процессам, и, кроме того, дает возможность изучать временные
вариации (суточные, сезонные и т. д.) параметров неоднородной структуры.
В некоторых случаях применяют специальные меры, учитывающие
нестационарность процесса.
Итак, пусть по результатам наблюдения известны значения амплитуд
R (кд) отраженного сигнала на отрезке времени Т (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Временная вариация
амплитуды отраженного
сигнала R (t)
Т t
1. Математическое ожидание (среднее значение) обсуждаемого
процесса можно рассчитать:
Дер = 4г 2 ж*»). Р-ад
где б — шаг интегрирования
Т
6 =
No
(1.31)
a N0 — полное число отсчетов [99].
62

1,0 2,0 3,0 it,0 5,0 6,0
Рис. 1.15. Параметры неоднородной
структуры ионосферы
а — зависимость отношения Н^й* от р (R —
амплитуда сигнала) [3]:б — теоретическая
зависимость (РобЛГ)2 от A, J7, для £0 = 200 м и Л = 250 км.
Кривые Пл.2 соответствуют Л = 100 кл*. X =50
и 25 л», кривые 3 и 4 соответствуют hm = 20 клс и
тем же значениям Хс [3]; в — теоретическая
зависимость (РобЛГ)2 отЯ^Я для £0= 200 м и 7i=110 км.
Кривые J и 2 соответствуют h = 10 км и Я =75
и 100 л*, кривые 3 л 4 соответствуют h = 20 км
и тем же значениям X [3]
(М^*
5
г
и*
7
3
г
6 7
5
3
7
3
2
5
Ю
1
Nest?
5
4
/0
4
5
3
2
10 У
^МТК
r>«JT
^ш
пттт
WsQ4
0,3 О,1* 0,5 0,6 0,7. 0,8 0,9 1,0 Яс/Л 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Хс/Х
Шаг интегрирования б выбирается достаточно малым, так что
изменением кривой R(t) за промежуток времени б можно пренебречь. Более
строгие соображения о выборе б приведены в [128].
Математическое ожидание процесса R (k&) представляет собой среднее
значение амплитуды отраженного сигнала за период наблюдения Т.
Величина i?cp используется для определения ряда ионосферных
характеристик.
2. Функция распределения амплитуд может быть построена
P(R)
AR
No
(1.32)
где N{~ число отсчетов, имеющих амплитуду в.интервале от Л до Л + AR.
Вид функции распределения процесса R (t), описываемого выражением
(1.28), зависит от соотношения энергий регулярной и рассеянной
компонент [3, 115]
Р =
El
7*1
(1.33)
Поэтому для обсуждения кривой Р (R) и сравнения ее с теоретической
кривой распределения амплитуд необходимо определить из
экспериментальных данных значения Е0ш / Е9. Это можно выполнить следующим
образом. В работе [3] получена графическая зависимость (рис. 1.15а)
[*21сР
R2
ср
= /№)•
63

Следовательно, определив из опытных данных [i?2]cp/i?cp как
l"JCp _ 1 t=i (1 34)
ср -"ср
по графику, (рис. 1.15а) можно определить р\ Учитывая, что
[Д2]ср = [^]сР + 5:[Я!]ср, С1-35)
в
можно вычислить Е0 и Е\.
Располагая полученными данными, можно сравнить
экспериментальную и теоретическую кривые распределения амплитуд отраженного
сигнала и проверить правильность выражения (1.28).
Необходимо отметить, что представление поля E(t) в виде (1.33)
накладывает известные ограничения на отношение [i?2]cpAffcp- В частности, как
доказано в работе [3],
4 [*21сР
1. (1.36)
Таким образом, расчеты, изложенные выше, могут быть выполнены
лишь для тех записей вариаций амплитуды R (£), которые удовлетворяют
условию (1.36). Анализ случаев
Л2 " 2
"ср
требует исследования рассеянной компоненты. Методы таких измерений
изложены ниже.
3. Одной из важных характеристик случайного процесса вариаций
амплитуды R(t) является нормированная автокорреляционная функция.
Эта функция может быть рассчитана следующим образом [99]:
ЛГ(т)=^—^ ' ср \ ср, (1.37)
[^Wlcp-I^WlSp
причем среднее произведение
No
[R(t)-R(t + x)]c1, = -±r- S Д(*«) Д(&6 + т) (1.38)
0 fc=i
может быть определено непосредственно из опытных данных.
Автокорреляционная функция (1.37), являясь функцией времени,
характеризует степень статистической связи амплитуды сигнала во
времени.
Аналогично можно рассчитать пространственную корреляционную
функцию, определяемую
[Л (я, t) R(a + x, *)]._ —[J? (a, t)]*
к (х) = '—v Лср—L : Лср , (1.39)
[*2к oicp-[*(<*> oiSp
где Д (а, £) и /? (а + х, t) — амплитуды сигнала, измеренные в точках
с координатами а и а + х (одномерный случай) одновременно. Функция
(1,39) характеризует степень статистической связи амплитуды сигнала
64

вдоль направления х. Как следует из (1.37) или (1.39)
К (т) = 1 при т = О,
К (х) = 1 при я = О,
поэтому часто бывает удобным вводить для рассмотрения значение
временного интервала т, при котором К (т) = 0,5 (или соответственно
расстояние х, при котором К (т) = 0,5).
Параметры неоднородной структуры отражающего слоя
1. Степень мутности ионосферы. Введенный выше
коэффициент р (1.33) характеризует отражающий экран как
полупрозрачную мутную среду. Вместо величины (3, которая изменяется от нуля до
бесконечности, удобнее ввести коэффициент мутности а, определяя его
как отношение энергии пучка рассеянных волн и полной энергии
отраженной волны:
УК
а = —± — = —4г . (1.40)
s
Являясь мерой степени неоднородности отражающей области, а
изменяется от единицы до нуля.
2. Среднеквадратичная скорость
хаотических движений. Выражение для расчета среднеквадратичной
скорости хаотических движений рассеивающих центров получено в [3]
путем анализа нормированной корреляционной функции процесса R (t).
Найдено, что
ЬДсрМАЯтЦср
S
где А/?т = R (t) — R (t + т) — разность амплитуд отраженного сигнала
в моменты времени t и t + т; А, — длина волны зондирующего излучения.
В частном случае при Е0 = 0 формула (1.41) принимает вид:
3. Среднеквадратичное значение углового
разброса пучка волн. Выражение для определения Э0 пучка
рассеянных волн получено в [3] путем анализа пространственной
автокорреляционной функции процесса замираний амплитуды отраженного
сигнала вдоль оси х. Найдено:
90= Х "***"% , (1.43)
где AR% = R (x, t) — R (х + £, t) — разность амплитуд отраженного
сигнала в момент времени t в точках наблюдения, отстоящих на
расстоянии £ одна ох другой вдоль направления х.
4. Линейные размеры неоднородностей
ионизации можно определить
5 Ионосферные измерения
65

а линейные размеры области, формирующей отраженный сигнал,
Ро = в0Л, (1-45)
где h — высота отражающей области.
5. Флуктуация электронной плотности.
Располагая перечисленными выше экспериментальными данными, можно
определить флуктуацию электронной плотности (6N)2. В работе [3] рассчитана
теоретическая зависимость произведения |3 (6N)2 от отношения рабочей
частоты /0 к критической частоте /кр
/о _ ^кр
/кр ко
для нескольких типичных значений /0 и полутолщины слоя hm (для
областей Е и F ионосферы). Соответствующие кривые приведены на рис. 1.15.
Используя эти кривые и значения р, /0, /кр из опытных данных, можно
определить (6N)2.
Флуктуация электронной плотности 6N, т. е. отклонение электронной
плотности мелкомасштабных неоднородностей от среднего значения Ncp,
является важной физической характеристикой ионосферного слоя.
Сложность расчета параметров неоднородной структуры заставляет
исследователей использовать иногда различные приближенные
характеристики замираний («индексы» замираний, скорость флуктуации и т. п.)г
которые имеют тот же физический смысл, но не дают большей физически
ценной информации, чем уже рассмотренные характеристики. Мы не
будем останавливаться на их рассмотрении.
Выполняя анализ дифракционной картины у поверхности Земли г
получают ряд сведений о структуре экрана, т. е. об эффективных размерах,
форме, всевозможных движениях рассеивающих центров (неоднородностей
ионизации). При этом неизбежно возникает вопрос, к какому именно
уровню ионосферного слоя (к какой высоте) следует относить полученные
результаты. Обычно при отражении радиоволн под ионосферным
дифракционным экраном понимают сравнительно узкую область слоя,
непосредственно примыкающую к области отражения. Получаемые данные относят
именно к соответствующим высотам отражения.
Существующие во всей толще слоя неоднородности ионизации
вызывают флуктуации показателя преломления п. Вдали от области отражения
показатель преломления мало отличается от единицы, и флуктуации 6N
не вносят заметных изменений в поле волны. Напротив, на уровне
отражения, где п —> 0, даже незначительные флуктуации 6N могут вызвать
серьезные изменения в структуре поля. На этом основании сделано
предположение, что наблюдаемая на земной поверхности дифракционная картина
формируется на уровне отражения.
Приведенные рассуждения являются чисто качественными и
разделяются не всеми исследователями.
Измерительная установка для регис грации R (t)
в одной точке земной поверхности
при вертикальном зондировании
Общие данные: а) установка представляет собой импульсную
ионосферную станцию вертикального зондирования, работающую на фиксированной
частоте; б) установка стационарная; в) диапазон рабочих частот 1,5—
20,0 Мгц выбран из соображений возможности исследования Е и
/^-областей ионосферы; г) питание,— сеть переменного тока 50 гц\ д) режим
работы — длительный, непрерывный.
Функциональная схема установки приведена на рис. 1.16а.
66

/ 5
T I
I
it *— 7 $
Влоки

питания
A
_Л
АЛААЛ
/l Л
/i
A
_П
ШЛА
Л
л
_п_
IT
I—J
Рис. 1.16. Измерительная установка для
регистрации Я (t)
а — функциональная схема регистрации R (/) в одной
точке; б — эпюры напряжений в основных блоках установки;
в __ функциональная схема широкополосного передатчика
Работой всей установки управляет импульсный центр — блок 4,
который генерирует следующие основные напряжения: а) прямоугольные
командные импульсы длительностью 50—300 мксек с частотой следования
25 или 50 гц для управления передатчиком; б) пилообразные импульсы
частотой 25 или 50 гц для создания высотной развертки на индикаторах.
Длительность развертки обычно выбирается порядка 7000 мксек, это
обеспечивает развертку по высоте до 2000 км и позволяет наблюдать
многократные отражения от области F; в) прямоугольные импульсы
длительностью порядка 10 мксек с частотой следования 1500 или 3000 гц для
получения высотных меток на индикаторах. Импульсы указанных частот
обеспечивают цену деления метки соответственно 50 или 100 км.
По команде импульсного центра передатчик 2, управляемый
модулятором 3, при помощи направленной антенны 1 излучает короткие
импульсы радиоволн. Одновременно с этим на индикатор 7 поступит
пилообразное напряжение высотной развертки. Отраженный сигнал, принятый и
выделенный приемным трактом (блоки 5,6), наблюдается на
электроннолучевом индикаторе 7. Кроме того, отраженный сигнал подается на
регистратор 8 для записи процесса R (t).
Передатчик
Для подобного рода установок необходим импульсный передатчик,
работающий со скважностью цорядка 50—400. Мощность передатчика
определяется интенсивностью радиопомех в месте расположения
измерительной установки. Опыт работы показал, что для надежной регистрации
процесса R (t) необходима мощность передатчика в импульсе порядка
нескольких десятков киловатт.
Передатчик может быть построен по схеме генератора с
самовозбуждением при сеточной или анодной модуляции. На рис. 1.17 приведена схема'
подобного генератора на лампах типа Г-481 [79, 94], имеющего мощность
в импульсе 25—30 кет. В данном случае используется двухтактный
генератор с самовозбуждением на лампах Лг и Л2. Передающая антенная
система включена в колебательный контур Л2СХ через разделительные
конденсаторы С. и С3. Плавная перестройка передатчика осуществляется
с помощью конденсатора Сх, весь диапазон частот перекрывается путем
5* 67

Рис. 1.17. Принципиальная
схема передатчика на лампах
типа Г-481
Г-Ш л
От модулятора L. i
> ■ гИо^4
Xе*
75006
смены индуктивностей Lx и L2. Модуляция передатчика — сеточная;
большую часть времени лампы Л1 и Л2 заперты отрицательным
напряжением на сетках. От модулятора на сетки генераторных ламп подается
положительный импульс амплитуды 500—600 в; во время этого импульса
сетки получают небольшое положительное напряжение относительно
катода, что обеспечивает достаточную амплитуду анодного тока в
колебательном режиме. Подобный передатчик с анодной модуляцией описан
в [108].
Другой тип часто встречающихся передатчиков — это совокупность
маломощного задающего генератора и широкополосного усилителя
мощности [40].
Передатчик настраивается на необходимую частоту только путем
настройки задающего генератора (см. рис. 1.16в), работающего в импульсном
режиме. Далее импульсное высокочастотное напряжение подается на
многокаскадный широкополосный усилитель 77, имеющий в качестве нагрузки
последнего каскада передающую антенную систему. По существу, этот
усилитель аналогичен усилителям автоматических ионосферных станций
(см. 1.1.1).
В качестве задающего генератора могут быть использованы либо
специальные генераторы, либо серийные приборы типа ГСС-6 [154]. Для
удобства работы оператора иногда осуществляют механическое сопряжение
настроек задающего генератора и приемника [40].
Для получения мощности 30—50 кет на выходе усилителя 77 (см. рис.
1.16в) применяют лампы типа ГМИ-90; для обеспечения равномерного
усиления в заданном диапазоне в таких усилителях необходимо вводить
систему коррекции (см. 1.1.1). Следует отметить, что даже использование
сложной схемы коррекции не обеспечивает постоянства усиления на всех
частотах, и в конце диапазона мощность падает до 1—3 кет [40].
Преимуществом такой передающей системы является то, что на вход
широкополосного усилителя 77 может быть подключено несколько
задающих генераторов (например, на рис. 1.16в — два — блоки / и /77),
управляемых импульсами, сдвинутыми относительно друг друга во времени.
Это обеспечивает одновременную работу установки на нескоьлких часто
тах (естественно, при соответствующем приемно-регистрирующем
устройстве).
Передающие антенны
Для описываемой ионосферной измерительной установки могут быть
использованы стандартные передающие антенны станций вертикального
зондирования. В случае использования поляризационных передающих
68

антенн применяют две взаимно перпендикулярные антенные системы
(например, типа вертикальных ромбических антенн), питаемые через
фазосдвигающий четырехполюсник.
Приемник
Для усиления принятых сигналов обычно используется стандартный
супергетеродинный приемник, в схему которого внесены следующие
изменения: а) удалены все цепи автоматической регулировки усиления;
б) величины постоянных времени всех цепей приведены в соответствие
с характером принимаемых сигналов (см. 1.1.1).
Первое изменение необходимо выполнить для неискаженного
воспроизведения R (t) на выходе приемника.
Второе изменение связано с тем, что искаженный при отражении
от ионосферы сигнал имеет длительность т = 150 -г- 400 мксек. В таком
случае постоянная времени любой цепи должна быть менее т. В этих
условиях импульсный сигнал усиливается без искажений и, что более
существенно, не искажается при перегрузке приемника мощным излучением
собственного передатчика.
Кроме указанных основных изменений стандартного приемника,
предусматривают ослабление чувствительности приемника на момент
излучения ¥передатчика путем подачи отрицательного импульса на некоторые
каскады, ручную регулировку усиления приемника (и обязательный
контроль этой регулировки) и расширение полосы пропускания.
Для неискаженной передачи импульсного сигнала необходима полоса
А/ = (18—20) кгц. Необходимая полоса пропускания достигается
соответствующей настройкой контуров УПЧ. Кроме того, для уменьшения
собственных колебаний контуров под воздействием импульсов с крутыми
фронтами и увеличения Л/ все контуры шунтируются резисторами порядка
40—60 ком.
После детектирования сигнал поступает на индикатор 7 и
регистратор 8 (см. рис. 1.16а).
Из числа приемников, выпускаемых промышленностью, можно
использовать приемники типа Р-250, Р-250 М, Волна-К, УС-9, Р-311 [133—135];
из числа более старых образцов могут удовлетворительно работать
приемники типа АР-88, ВС-342.
Разберем на конкретной схеме приемника Р-250 необходимые
изменения (названия, номера элементов схемы приведены в соответствии с [133]),
которые заключаются в следующем.
1. Отключены многоконтурные фильтры в первом УПЧ-2 и во втором
УПЧ-2. Оставшиеся одиночные контуры для расширения полосы
пропускания зашунтированы резисторами величиной 30 ком.
2. Для осуществления связи между анодным контуром промежуточной
частоты (409, 410) второго смесителя и сеточной цепью первого УПЧ-2,
а также между анодным контуром первого УПЧ-2 и сеточной цепью
второго УПЧ-2 поставлены в схему конденсаторы емкостью по 100 пф
(рис. 1.18).
3. Отключена система АРУ во всех каскадах приемников
(конденсаторы 135, 303^ 291 закорочены, см. принципиальную схему приемника [133]).
4. В первом каскаде УНЧ приемника отключен фильтр «полоса НЧ»
(отпаян конденсатор 561 от сопротивления 603). Конденсатор 587 отключен
от сопротивления 588 и через него подан сигнал с первого УНЧ на
индикатор и фоторегистратор.
5. При установке нужного усиления приемников в качестве отсчетных
приборов усиления применены вольтметры, подключенные к движку
потенциометра ручной регулировки усиления приемника РРУ.
6. Предусмотрена подача на антидинатронную сетку второго УПЧ-2
импульса для запирания приемника на период излучения передатчика.
69

Для того чтобы лампа этого каскада работала в более легком режиме,
в цепь антидинатронной сетки включен фильтр, состоящий из
конденсатора 91 пф и сопротивления 20 ком (см. рис. 1.18).
Импульсный центр
Выше были перечислены импульсные напряжения, выдаваемые
импульсным центром, для нормальной работы установки. Если этот узел
установки изготовляется самостоятельно, то имеет смысл формировать
основной синхроимпульс из переменного технического тока частотой
50 гц с помощью перегруженного усилителя и триггера, а напряжение
развертки получать от фантострона. Более целесообразно этот узел
собрать из приборов, выпускаемых промышленностью. Так, в качестве
основного импульсного генератора можно использовать генератор
сдвинутых импульсов типа ГИС-2. Напряжение развертки можно получить от
блока разверток типа Бр-1 или использовать индикатор (осциллограф)
с соответствующим диапазоном развертки, например типа ЭНО-1 или
С-1-34. В последнем случае автоматически решается вопрос о калибровке
линии развертки.
Приемные антенны
В качестве приемных антенн могут быть использованы любые антенны,
диаграмма направленности которых отлична от нуля в вертикальном
направлении, например все типы антенн, применяемых для панорамных
ионосферных станций: вертикальные ромбические антенны (см. рис. 1.4),
антенны типа «Дельта», типа «Шеврон». Антенны перечисленных типов
могут употребляться в том случае, если их линейные размеры не будут
влиять на результаты измерений. Иногда, например при измерении
скоростей и направлений дрейфа мелкомасштабных неоднородностей (см.
раздел 1.4), необходимо, чтобы линейные размеры приемной антенны были
малы по сравнению с расстоянием между ними (базой). В этом случае
необходимо применять малогабаритные антенны, например рамочные.
Как известно [41], действующая высота hd рамочной антенны равна:
где N — число витков; S = hd — площадь.
Так как в рамочной антенне используется разность э.д.с, наводимых
в двух противоположных плечах, сдвиг фаз между которыми при малых
значениях отношения dlX невелик, то действующая высота рамочной
антенны значительно меньше геометрических размеров ее плеч. Поэтому
рационально бывает применять настраивающиеся рамочные антенны.
В этом случае напряжение на входном контуре возрастает в Q раз (Q —
добротность рамочной антенны). При заданной площади и форме рамки число
70

витков должно обеспечивать величину индуктивности, определяемую
диапазоном рабочих частот и данными остальных элементов входного контура.
Одним из возможных методов повышения действующей высоты рамочной
антенны является применение рамок с сердечником из магнитодиэлектри-
ка. В качестве магнитодиэлектрика могут быть использованы феррит,
карбонильное железо и другие материалы.
Действующая высота такой рамки
, 2я SN
пЬ = И-эФф J t
где иЭфф — эффективная проницаемость магнитодиэлектрика.
К недостаткам рамочных антенн следует отнести наличие элемента
настройки и сложность сопряжения с фидером. По-видимому, удобно
применять антенный усилитель, расположенный непосредственно возле рамки
и нагруженный на фидерную линию.
Из анализа формулы, описывающей коэффициент преломления в
ионосфере [3], следует, что в ионосфере происходит двойное лучепреломление,
обусловленное ее магнитоактивными свойствами. Отраженный сигнал
содержит две различные волны — обыкновенную и необыкновенную. Обе
волны поляризованы, и векторы их поля имеют правое и левое вращение
соответственно. За счет взаимодействия этих волн может возникать
поляризационный фединг, искажающий дифракционную картину. Для
исследования дифракционной картины в чистом виде этот вид замираний
необходимо исключить. Устранение поляризационного фединга возможно
двумя путями. Первый из них заключается в том, что наблюдения
процессов R (t) производят только на одной частоте — близкой к гиромагнитной
частоте. В этом случае необыкновенная компонента значительно
ослаблена, и можно считать, что ведется исследование только одной компоненты.
Второй путь заключается в использовании специальных антенн,
получивших название поляризационных. Действие их заключается в
следующем [105]. Полотна двух идентичных антенн располагают
перпендикулярно одно другому. Следовательно, э.д.с, наведенные в этих антеннах
обыкновенной и необыкновенной волнами, будут отличаться по фазе на 4; 90°.
Если теперь на вход приемника подать сумму э.д.с. обеих антенн, сдвинув
предварительно фазу одной из них на -ь 90°, то одна из волн будет
подавлена.
Для получения необходимого сдвига фазы э.д.с. применяют шестипо-
люсник (рис. 1.19а), состоящий из двух четырехполюсников с
собственными частотами /01 и /02 [105]. Каждое звено четырехполюсника представляет
собой полосовой фильтр с фазовой характеристикой, представленной на
рис. 1.196. Сдвиг фазы такого фильтра равен:
яр = arctg-/- ,
/о
где / — рабочая частота.
Рис. 1.19. Схема фазосдвигающего шестиполюсника
а — принципиальная схема; б — фазовая характеристика одиночного четырехполюсника; в
—^фазовые характеристики шестиполюсника
71

Сдвиг я|) = 90° будет осуществляться только на собственной частоте
fk0 четырехполюсника. Для работы в заданном диапазоне частот Д/
необходимо включить два четырехполюсника (рис. 1.19а), подобранные
таким образом, чтобы их фазовые кривые различались в нужном диапазоне
частот на + 90° (рис. 1.19в), т. е. чтобы
г|) = 2(агс tg-/ arc tg -/—) = -+- 90°.
V /01 /02 /
Практическое выполнение таких систем показало, что отношение
подавляемой и пропускаемой волн бывает не хуже 1/10. Значительно лучшие
результаты могут быть получены при одновременном применении
передающих и приемных поляризационных антенн [108].
Естественно, что в схеме фильтра (рис. 1.19) может быть предусмотрен
переключатель для перехода с одного типа поляризации на другой.
Методика расчета элементов фильтра изложена в [14, 105].
При размещении приемных антенн на местности необходимо выбирать
такой участок, чтобы вблизи не было никаких металлических предметов
большого размера (линия связи, электросети, полотна антенн и т. д.);
такие предметы, являясь переизлучателями электромагнитной энергии,
могут серьезно исказить исследуемую дифракционную картину. При
выборе антенного поля можно руководствоваться теми же требованиями,
что и для мест расположения радиопеленгаторов [41].
Индикатор
Визуальное наблюдение отраженных сигналов осуществляется на
экране электронно-лучевого осциллографа, на одну пару платин которого
подается напряжение развертки, а на другую — выходное напряжение
приемника. Импульсное напряжение меток высоты может быть подано
на катод или управляющий электрод электронно-лучевой трубки для
модуляции яркости луча. В качестве индикаторов могут быть применены
приборы типа С-1-1, ЭНО-1, С-1-15, С-1-34 и т. д. [154].
Регистратор
Вариации амплитуды отраженного сигнала можно зарегистрировать па
кинопленку с помощью фотоприставок. Фотоприставку размещают
непосредственно перед экраном визуального индикатора или дополнительного
индикатора, вводимого в состав измерительной установки специально для
регистрации. Протяжка кинопленки осуществляется непрерывно в
направлении, перпендикулярном отклонению луча отраженным сигналом.
Скорость движения пленки выбирается в пределах 1,5—3,5 мм/сек.
Для регистрации временных вариаций амплитуды сигнала возможно
также применение шлейфовых осциллографов, например типа К-105.
Описанные способы записи на кинопленку просты и наглядны, но
неэффективны при необходимости использования ЭВМ для обработки
поступающей информации. В этом случае необходимо либо вести
регистрацию прямо в виде, удобном для ввода в ЭВМ (цифровая запись на
перфоленте, перфокартах или магнитной ленте), либо использовать специальные
преобразователи для перевода графической записи R (t) в аналоговую
и цифровую форму (например, установка типа «Силуэт» [136]).
Регистраторы, позволяющие применять ЭВМ, описаны в работе [228].
На выходе приемного устройства имеется несколько сигналов,
соответствующих излученным и принятым импульсам, но для регистрации
необходимо тем или иным образом выделить лишь один из них. Сделать это
можно, используя метод временного стробирования — выделения
требуемого сигнала при помощи вспомогательного стробирующего импульса»
Стробирующий импульс должен иметь ту же частоту следования, что и
72

командные импульсы, длительность — 250—400 мксек и регулируемую
временную задержку в пределах 0—7000 мксек (см. рис. 1.166). Выделение
нужного сигнала достигается тем, что в приемном устройстве запирается
постоянным отрицательным напряжением какой-либо каскад; отпирается
этот каскад только стробирующим импульсом, временная задержка
которого соответствует моменту прихода нужного сигнала. Стробирование
можно выполнять в любом каскаде приемника или индикатора [108].
Если регистрация осуществляется с экрана электронно-лучевой
трубки на кинопленку, то рационально проводить непосредственно
стробирование электронного луча регистрирующего осциллографа.
1.2. Метод когерентных^частот
В последние годы для исследования ионосферы при помощи ракет и
спутников широко используется метод определения электронной
концентрации по измерению разности допплеровского смещения на
когерентных частотах.
Идея использования когерентных частот для изучения ионосферы была
впервые реализована еще задолго до появления ракет и спутников Л. И.
Манделынтаммом и Н. Д. Папалекси, которые применили этот метод для
изучения ионосферы во время солнечного затмения 1936 г.
В зависимости от условий, в которых происходит реализация метода,
он называется методом дисперсионного интерферометра, методом
измерения разности допплеровских частот и т. д. Общая схема его, изложенная,
в частности, в [3, 4], сводится к следующему.
Известно, что полное изменение фазы волны ф на некотором участке
траектории I определится как произведение частоты этой волны со = 2я/
(каждому единичному колебанию соответствует изменение фазы на 2л:)
на время, в течение которого фронт волны проходит этот участок.
Поскольку речь идет о фазовых соотношениях, для определения интервала
времени берется значение фазовой скорости v$ = с/п, где п — показатель
преломления. Если среда однородна, то
2я/ ,
Ф = —nl.
т с
В ионосфере показатель преломления есть величина переменная;
следовательно, для оценки изменения фазы радиоволны,
распространяющейся в ионосфере, необходимо брать интеграл вдоль пути
распространения. Фаза в этом случае определится как
i
о
В точке А находится передатчик, излучающий когерентные волны с
частотами /х и /2. /j =pf2, где р = т/к ^> 1, причем тик — целые
числа. В точке Б эти радиоволны принимаются и регистрируется их
разность фаз Аф. Разность фаз приводится к более высокой частоте, так что
Дф = фх —£>ф2. Используя (1.46), можно для Аф получить выражение
i t
дф = *Z£f± ^п± (/) dl^^n, (I) dl). (1.47)
о о
Интегрирование ведется вдоль пути от приемной до передающей антенны;
пг (I) и п2 (Z) — коэффициенты преломления радиоволн для частот fx
и /2 соответственно.
Если пренебречь соударениями электронов и влиянием внешнего
магнитного поля Земли, то, как об этом уж9 упоминалось неоднократно, по-
(1.46)
75

казатель преломления п как функция частоты радиоволны может быть
записан в форме
» = 4-w--*' ' (1-48)
где N — электронная концентрация.
Используя (1.48), выражение (1.47) можно переписать в виде
о
откуда непосредственно видно, что разность фаз двух когерентных частот
пропорциональна содержанию свободных электронов на пути
распространения этих колебаний.
Рассмотрим, следуя [3], предельный случай, когда излучатель
перемещается в ионосфере по направлению, совпадающему с направлением
распространения радиоволны. В частности, этот вариант реализуется на
ракете, поднимающейся вверх строго вертикально.
Измеряем приращение разности фаз Аф на интервале ДА. При этом,
используя соотношение (1.49), в котором I заменяется на А, можем оценить
вреднее значение N на интервале ДА как
Л+ДЛ
С N (A) dh= N(h, А + ДА) ДА,
h
откуда
N(h,h + bh)=^.%-.U.TpE=T). " (1.50)
Если измерения разности фаз проводить непрерывно, то таким путем
мсжно получить высотный ход распределения электронной концентрации.
Случай, соответствующий вертикально перемещающемуся излучателю,
подробно проанализирован в [57].
Рассмотрим теперь случай, когда траектория движения излучателя
более сложная. Пусть изменяющийся во времени радиус-вектор,
соединяющий точку приема колебаний с подвижным излучателем, находящимся
на высоте A (t), равен г (t), а радиальная, горизонтальная и вертикальная
составляющие скорости его движения соответственно равны г (t) по
прямолинейному лучу зрения, х (t) и A (t). Здесь и далее точка обозначает
производную по времени.
Принимаемые в точке наблюдения колебания будут соответственно
пропорциональны sin [со^ — срх (t)] и sin [со2г — ф2 (t)], где фазы фх (t)
и ф2 (t) определятся, как это уже делалось выше, выражениями
r(t) r(t)
<М* )= т- S Mr)*". Ф«(0 = ■?■ ) nt(r)dr.
1 О
Поскольку исходные колебания когерентны, приведенная разность
мгновенных значений частот принимаемых колебаний определится как
Дф = фх(0 - рф2(0 (1.51)
и представит собой мгновенную разность допплеровских частот
принимаемых волн. Принимая, как и ранее, N = N (h) и используя выражение
для показателя преломления в форме (1.48), получаем
г (О
74

откуда, полагая, что h = г cos а (где а — угол между радиусом-вектором
г и вертикалью), имеем для ф выражение
h
тде Nn = \ N (h)dh — полное число электронов в столбе сечением 1 см2.
о
Подставляя формулу (1.52) в (1.51), получаем выражение
Аф = (р2—1н —г sina-ж Н -А) — Zf, (1.53)
Y mccoi Vi^ ' [ /г v ' cos a ' cos a J v '
связывающее измеряемую разность фаз с параметрами траектории, по
которой движется спутник, и величиной электронной концентрации.
Из (1.53) видно, что величина Аф зависит от концентрации сложным
образом и определить ее в общем случае из измерений допплеровских
частот затруднительно. Можно рассмотреть два предельных случая. Один—
когда траектория движения прямолинейна или при более сложных
траекториях, когда излучатель проходит через зенит. При этом г = hn cos a =
= 1; из формулы (1.52) тогда непосредственно определяется значение N0
на высоте спутника h. Видно, что выражение (1.53) переходит в формулу
(1.50), полученную нами для высотной ракеты. Второй случай
соответствует квазигоризонтальной траектории (квазикруговой орбите
спутника). В этом случае h<^x и тогда, пренебрегая членами, содержащими
Л, из формулы (1.53) можно получить выражение, определяющее
непосредственно интегральную концентрацию
т mc(Di v A
л h С1-54)
п ~ 2ле{р* — 1) sin a *
Радиочастоты, на которых производятся измерения, должны заведомо
превосходить встречающиеся максимальные критические частоты с тем,
чтобы обеспечить на всех высотах непрерывную связь ракеты или спутника
с Землей. Применение радиоволн ультракоротковолнового диапазона
позволяет использовать высоконаправленные антенны, что повышает
помехоустойчивость рассматриваемого метода. Волны УКВ диапазона не
дают побочных отражений от областей ионосферы, находящихся выше
излучателя, что также увеличивает помехоустойчивость. Кроме того,
применение УКВ позволяет получать характеристики ионосферы, осреднен-
ные по меньшим областям, чем в случае использования более длинных
радиоволн, так как размеры области, участвующей в формировании
сигнала в первом приближении, пропорциональны размерам первой зоны
Френеля (длина волны). Эти соображения привели к тому, что в
аппаратуре, используемой для данных исследований в Советском Союзе, в
качестве рабочих частот берутся /х = 144 Мгц, /2 = 48 Мгц; /3 = 24 Мгц.
Комплекс аппаратуры, используемый для ракетных измерений [56],
состоит из: а) устанавливаемого на ракете блока радиопередатчиков с
передающими антеннами; б) наземных антенн; в) приемно-фазометрических
устройств; г) регистрирующей и вспомогательной аппаратуры.
Бортовой блок радиопередатчиков вырабатывает когерентные
колебания с тремя частотами /1? /2, /3- Для каждой частоты имеется отдельный
выход, рассчитанный на симметричную нагрузку. Мощности на выходах
«соответственно равны Рг = 15 вт, Р2 = 8 вт, Р3 = 3 вт. Когерентность
излучаемых частот обеспечивается тем, что все колебания получаются
75

^вршН^Цш]^^
йжйгйкщ^шйш}),,
Рис. 1.20. Блок-схема приемного устройства
Ви В2, Б3 — входы для частот /lt /2, /3 соответственно; Г,иГ2 — первый и второй гетеродин; Уд —
удвоители; Т — утроители; У-б — умножитель на 6; 1С и 2С — первый и второй смеситель; Kt и К2
кварцы; 1КП, 2КП, ЗИП — катодные повторители; D — детекторы автоматической регулировки
усиления; ФД — фазовые детекторы
в результате последовательного умножения частоты колебаний общего
задающего генератора. Задающий генератор стабилизирован кварцем,
помещенным в термостат.
В качестве передающих антенн используются симметричные линейные
вибраторы. Для излучения радиоволн с частотами Д и /2 используется один
общий вибратор, возбуждаемый одновременно двумя колебаниями. Для
излучения третьей частоты используется отдельный вибратор.
Применение одной антенной системы для одновременного излучения
двух частот необходимо для уменьшения возможных погрешностей
измерений, вызываемых вращением ракеты. Если передающие антенны
разнесены, то при произвольном вращении ракеты во время полета случайные
изменения разности геометрических расстояний между передающими и
приемными антеннами будут приводить к возникновению случайных
изменений регистрируемой разности фаз. Применение совмещенной антенны
исключает погрешности, обусловленные изменением расстояния, но при
этом остаются некоторые погрешности, связанные с возможными
различиями фазово-пространственных характеристик антенны для каждой из
частот.
Для устранения взаимного влияния при работе на общий вибратор
выходы частот /х и /2 развязаны путем включения фильтров.
Прием излученных с борта ракеты сигналов, их преобразование и
регистрация осуществляется комплексом наземной аппаратуры,
расположенным вблизи от проекции на Землю вершины траектории ракеты.
Наземная аппаратура позволяет производить: 1) прием и измерение изменения
разности фаз непрерывных колебаний с частотами Д, /2, /3 (измеряются
попарно разности фаз волн с частотами Д и /2, а также /2 и /3); 2)
измерение напряжений высокочастотных колебаний на входах приемных
устройств; 3) запись на кинопленку одновременно изменения разностей фаз
двух пар принимаемых сигналов, напряжения этих сигналов на
соответствующих входах приемного устройства, а также отметок времени. Блок-
схема наземного приемного устройства приведена на рис. 1.20.
Каждое из наземных приемных антенных устройств рассчитано на
прием сигналов одной из частот и состоит из двух электрически
независимых, но связанных конструктивно антенн, имеющих взаимно перпендику-
76

лярную линейную поляризацию. Сделано это для того,чтобы специально
выделить поляризационные изменения уровней сигналов, а также не
потерять информацию во время «поляризационного нуля» одной из антенн.
Антенна каждой поляризации присоединена к отдельному приемному
устройству.
Принятые антеннами сигналы поступают на приемное устройство.
Это трехканальный супергетеродинный приемник, позволяющий
производить одновременный прием и измерение изменений разностей фаз
колебаний с частотами Д, /2 и /1? /3. В каждом канале дважды производится
преобразование частоты при помощи смесителей. Соответствующие
гетеродинные напряжения получают умножением частот двух, общих для трех
каналов, гетеродинов, стабилизированных кварцами. Применение общих
гетеродинов позволяет исключить из результатов фазовых измерений
ошибки, вызываемые нестабильностью частот гетеродинов.
Частоты колебаний на выходе каждого из каналов приводятся к одной
частоте, что достигается соответствующим умножением частот в каналах
/2 и /3. Кроме того, промежуточные частоты всех трех каналов
увеличиваются дополнительно в 6 раз. При этом во столько же раз увеличиваются
фазы промежуточные частот, что облегчает измерение изменений разности
фаз.
Приведенные к одной частоте колебания на выходе каналов попарно
складываются и после сложения детектируются отдельными детекторами,
в результате чего на выходе детекторов выделяются две огибающие
сложенных колебаний (интерференционные частоты).
Суммарное напряжение на выходе детектора описывается уравнением
и = UYl + cos Дф, (1.55)
где U — напряжение на-выходе детектора при детектировании
напряжения с выхода одного из каналов; Дф — разность фаз складываемых
колебаний. Для проведения измерений этим методом необходимо, чтобы
напряжения на выходе всех трех каналов были неизменны во времени и равны
друг другу. Чтобы выполнить это требование, необходимо применять
режим ограничения для ряда каскадов и автоматическую регулировку
усиления.
Поскольку промежуточные частоты в каждом из каналов различны
(уравнивание частот происходит только на выходе канала перед подачей
сигнала на фазовые детекторы), для измерения разности фаз можно
применить еще один способ — регистрацию перемещений характерных точек
фигур Лиссажу. Для этого в схеме приемного устройства предусмотрен
вывод напряжений соответствующих промежуточных частот. Эти
напряжения подаются для образования фигур на электронно-лучевые трубки.
Запись результатов измерений производится на кинопленку. Пример
записи приведен на рис. 1.21. При регистрации напряжений с выхода
фазовых детекторов шлейфовым осциллографом типа МПО-2 записываются
ток интерференционной частоты и токи, зависящие от напряжений на
входах приемных устройств. Это необходимо для контроля постоянства
во времени значений U (см. выражение 1.55). Здесь же записываются и
метки времени.
По положению двух соседних максимумов на интерференционной
кривой в соответствии с выражением (1.55) можно судить об интервале, на
котором разность фаз складываемых когерентных колебаний успевает
измениться на величину 2я. По соответствующим временным меткам
можно оценить величину этого интервала, а также, располагая данными
траекторных измерений, определить скорость и высоту ракеты для
данного интервала. Располагая такими данными, при соблюдении изложенных
выше ограничений (условий) можно по формуле (1.50) рассчитать значение
электронной концентрации, осредненное по данному отрезку траектории
Ah и приведенное к середине этого отрезка.
77

J i , I к U 1 I 1 1 L
6
I
J 1 I L
д
Рис. 1.21. Образцы записи на выходе приемного устройства, реализующего метод
когерентных частот
Разные осциллограммы (а—е) относятся к различным участкам траектории (различные скорости
ракеты и различные значения электронной плотности)
Второй метод регистрации изменения разности фаз основан, как
говорилось выше, на записи на движущуюся пленку характерных точек
фигур Лиссажу. Эти фигуры образуются на экране электронно-лучевой
трубки, если на ее отклоняющие пластины подать напряжения с выхода
двух трактов приемного устройства. Эти изменения однозначно связаны
с изменениями значений Аф. Разность фаз Аф меняется непрерывно в
течение всего полета ракеты, следовательно, будет столь же непрерывна
изменяться и вид фигур. Характерные точки этих фигур будут однозначно
перемещаться по экрану. По виду записи можно будет определить разности
фаз сигналов для любого момента времени. Интервал на записи между
двумя последовательными точками, соответствующими предельным
положениям фигур Лиссажу, будет соответствовать Аф = л/2 на более высокой
частоте и jt/З — на более низкой. При этом надо учитывать, что, как это
следует из блок-схемы применяемой аппаратуры, значения используемых
промежуточных частот составляют 22,5 и 15,0 Мгц.
Как и в первом случае, одновременно с записью характерных точек
фиксируются и временные метки, по которым, используя координатные
данные, можно перейти к значениям N и их пространственной
локализации.
Участок одной из записей приведен на рис. 1.22. По пересечениям
линий на рисунке можно судить о предельном положении, занимаемом
фигурой. Расстояние между двумя точками пересечения, занимающими
на экране одно положение (по вертикали), соответствует определенному
значению разностей фаз. Оценив его по временному масштабу (временные
метки записываются на этой же пленке), можно перейти к значениям
скорости изменения.
В работе [56] рассмотрены погрешности рассмотренных измерений,
вносимые применяемой аппаратурой. Там показано, что они не превышают
5% от измеренной величины.
Аппаратура, применяемая для измерений с помощью искусственных
спутников Земли (см., например, [5, 7]), да имеет практически никаких
существенных отличий от используемой в ракетных экспериментах.
78

Близко к методу когерентных частот примыкает метод определения
электронной концентрации, основанный на регистрации изменений угла
вращения плоскости поляризации излучаемых со спутника волн [57].
Причиной этих изменений является вращательный эффект Допплера
(эффект Фарадея).
Известно, что две компоненты радиоволны, возникающие в результате
расщепления ее под воздействием магнитного поля Земли,
распространяются с разными фазовыми скоростями. Поэтому в месте приема плоскость
поляризации излучаемых из ионосферы волн, если они первоначально
линейно поляризованы, будет повернута на угол 0. Нетрудно показать„
Рис. 1.22/Регистрограмма изменений положения
характерных точек фигур Лиссажу
1 — точки времени; 2 — тс .:и, соответствующие предельным
положениям фигур
что в случае произвольного Исправления распространения радиоволн
относительно вектора магнитного поля плоскость поляризации повернется
при прохождении волной расстояния AL вдоль луча на угол,
определяемый величиной
L
где Нь — компонента магнитного поля вдоль луча распространения,,
а со — частота. Значение частоты должно быть достаточно большим для
того, чтобы пренебречь поглощением и считать коэффициент преломления
величиной, близкой к единице.
При приеме радиоволн, излучаемых с ракеты, производится запись
напряжений на входах приемных устройств, имеющих антенны с
линейной поляризацией. Вращение плоскости поляризации, вызываемое
эффектом Фарадея, в этом случае фиксируется в виде периодических
замираний сигналов (рис. 1.23). Расстояние между двумя минимумами
соответствует изменению угла 0 на я.
Из (1.56) следует, что если 0 = я, то, считая величину Н L известной
и равной вертикальной компоненте поля, не меняющейся со временем,
и заменяя AL на Ah (ракета движется вертикально вверх), среднюю элек-
(/бх,м6
150,—
Рис. 1.23. Амплитудный фединг радиосигналов разных частот, принимаемых с ракеты,—
эффект Фарадея
Кривая для /, — 24 Мгц приведена иемолиос*ъ»
79

тронную концентрацию на участке пути, соответствующем изменению угла
в на я, можно определить как
N^h + ^)=S^k- (1-57)
Величина Ыг определяется по моментам времени tt и ti+l,
соответствующим на записи изменению угла на я (два соседних поляризационных
минимума).
По сравнению с методом когерентных частот описанный способ
обладает меньшей разрешающей способностью, но зато он более прост, так как
позволяет обойтись при проведении измерений радиоволнами одной
частоты.
1.3. Метод некогерентного рассеяния радиоволн
в ионосфере
1.3.1. Теоретические предпосылки
В предшествующих разделах рассматривались методы измерения
электронной концентрации в ионосфере, теоретической основой которых были
явления преломления и отражения радиоволн в ионосфере,
интерпретируемые в рамках геометрической оптики. Однако взаимодействие
заряженных частиц ионосферной плазмы с радиоволной в действительности
представляет собой весьма сложный физический процесс. Каждый свободный
электрон, взаимодействуя с падающей радиоволной, рассеивает
некоторую часть энергии, и это явление описывается величиной, называемой
эффективным сечением рассеяния. Волны, рассеянные ионизованной
средой, содержащей много свободных электронов, а также флуктуации
электронной плотности, могут быть когерентными, ограниченно
когерентными или некогерентными в зависимости от конкретных соотношений
применяемой длины волны, параметров плазмы и геометрии рассеяния.
Когерентное рассеяние наблюдается в случае вертикального
радиозондирования ионосферы на частотах /, меньших критической частоты слоя
F2 f0F2.
Если повышать частоту радиозондирования так, что / ^> f0F2, то
ионосфера становится источником некогерентно рассеянной переизлученной
энергии, которую можно зафиксировать, применяя радиолокационные
приемники с высокой чувствительностью (мощность излучения локатора
тоже, естественно, должна быть достаточно высокой). Как будет показано
ниже, измерение интенсивности отражения и определение особенностей
спектра рассеянного сигнала позволяет оценить следующие физические
параметры ионосферы в рассеивающем объеме: концентрацию электронов
Лгв, электронную температуру Ге, ионную температуру Ть ионный состав.
Кроме того, рассеянный сигнал содержит информацию о скорости дрейфа
заряженных частиц, о потоках быстрых электронов с энергией Е <^ 25 эв
и об ориентации вектора магнитного поля на исследуемых высотах.
Коротко рассмотрим (без математических выкладок) результаты,
полученные в теоретических работах, причем ограничимся теми из них,
которые находят практическое приложение при исследованиях ионосферы.
Изложение будем вести в основном в рамках работы [175].
Явление рассеивания энергии электромагнитных волн на заряженных
частицах исследовал в начале века Дж. Дж. Томсон [222], поэтому в
научной литературе при описании результатов измерений с использованием
этого эффекта часто применяется термин «томсоновское рассеяние».
Эффективное сечение рассеяния свободным электроном (м2)
ое= (-^-sinijj) ss8,l-10-»sin4>. . (1.58)
80

где е и те — заряд и масса электрона соответственно; гр —
поляризационный угол — угол между направлением электрического вектора падающей
радиоволны и направлением от рассеивающего объема к приемнику.
В данном случае электрон рассматривается как идеально проводящая и
изотропно рассеивающая сфера. Если в объеме, освещаемом антенной
системой локатора, электроны распределены равномерно с концентрацией N,
то общее эффективное сечение
а = Nae. (1.59)
В этом простейшем случае учитывается только тепловое беспорядочное
движение электронов, когда доли энергии, рассеянной отдельными
электронами, просто складываются. Это, по существу, и есть классический
случай некогерентного рассеяния в отличие от
когерентного рассеяния, когда сечение будет пропорционально N2ae.
Практически рассеяние радиоволн в ионосфере происходит,
по-видимому, на неоднородностях электронной плотности, связанных с флуктуа-
циями диэлектрической проницаемости Ае так, что [163, 170]
(1.60)
где е и TV — средние значения диэлектрической постоянной и электронной
концентрации в рассматриваемом объеме; Ае и AN — отклонения от
средних; / — рабочая частота локатора; fN = ((Ne)2/(nmY/2 — плазменная
частота. При /^>/лг:
Ае
8
2
A7V I2 1
N J \
1 f%
^2-f2N
Д/V
N
т-Н^'^т- с-61»
Если неоднородности в плазме сферически симметричны и могут быть
описаны гауссовской автокорреляционной функцией с масштабом L, то
можно показать [163], что эффективное сечение обратного рассеяния
(я|) = я/2):
а =
4я3
АЛГ '
N
/*(2n)V,L»exp[-^-]. (1.62)
Совершенно очевидно, что эффективное сечение рассеяния, а
следовательно, и интенсивность принимаемого сигнала существенно зависят от
соотношения L/K. Поэтому, в частности, для постоянно присутствующих
в ионосфере неоднородностей с AN/N ~ 1 % и масштабом L ^> 1 км
сечение рассеяния для всех длин волн К ^ 1 м будет очень мало. В то
же время оно будет достаточно велико (для технически осуществимого
приема рассеянной энергии), если речь идет о неоднородностях,
вызываемых беспорядочным тепловым движением заряженных частиц, масштаб
которых сравним с X. Для таких флуктуации сечение обратного рассеяния
[163]:
^|2igLp(2&/, 2km, 2kn), (1.63)
где к = 2яД — волновое число; I, т, п — единичные, векторы
характеризующие направление падения радиоволны, а Р (2&Z, 2кт, 2кп) — функция,
описывающая пространственное распределение флуктуации плотности.
Подставляя сюда значение |Де/е[2 из (1.61), получим:
= 4я(-
[AN\lP{2kl, 2km, 2kn) = o9\bN\lP (2kl, 2кт, 2кп).
(1.64)
6 Ионосферные измерения
81

Фейер [178] показал, что для теплового равновесия
ТДЛП2Р(2/г/, 2кт, 2кп) = TV, (1.65)
т. е.
а = eeN. (1.66)
Таким образом, как микроскопический (свободные электроны), так и
макроскопический (флуктуации плотности) подход приводит к одинаковым
значениям а. Этот факт служит основой для того, чтобы считать
интенсивность рассеянного сигнала мерой концентрации электронов в
рассеивающем объеме.
Непрерывное движение заряженных частиц в рассеивающем объеме
должно приводить к появлению допплеровского сдвига частоты
радиоволны в процессе рассеяния. Если рассматривать этот процесс с учетом только
свободных электронов, движущихся с тепловыми скоростями, то спектр
рассеянного сигнала должен иметь чисто гауссовский характер, а
полуширина этого спектра, пропорциональная тепловой скорости электронов,
будет равна
Д/в = ± (8кРв/тву*. (1.67>
Таким образом, ширина спектра рассеянного сигнала может быть мерой
температуры заряженных частиц в рассеивающем объеме.
Спектр рассеиваемого сигнала фактически имеет более сложную, чем
гауссовская кривая, форму. Это объясняется тем, что и интенсивность
рассеиваемого сигнала, и форма спектра зависят от соотношения между
частотой радиоволны и параметрами плазмы, от характера кулоновского
взаимодействия электронов с имеющимися в ионосферной плазме
положительными ионами, от характера соударений заряженных частиц друг
с другом и с нейтральными частицами, от ионного состава, наличия или
отсутствия теплового равновесия между ионами и электронами (Те =
= Тг или Те ф Tt), характера дрейфа частиц, ориентации магнитного
поля и т. п.
Теоретическое рассмотрение этой проблемы [178] показало, что важно
различать два принципиально отличных случая: A, J> D и % <^J D (D —
дебаевский радиус ионосферной плазмы)
D = (А:Ге/4л/Уе2)1/2= 6,9 (TJN)^ (1.68)
где к = 1,38'10~16э/>г/°К (постоянная Больцмана). В ионосфере величина
D зависит от высоты, времени суток, сезона и солнечной активности. Для
высот до 300 км D в среднем составляет 0,3 ~~ 1 см и на высотах порядка
2000 км достигает ~6 см.
Если Х<^£), то рассеяние можно считать чисто электронным, а спектр —
гауссовским. Однако нетрудно видеть, что в этом случае спектр становится
настолько широким, что энергия рассеиваемого сигнала, приходящаяся
на единицу спектрального интервала, будет слишком мала, чтобы ее
можно было детектировать с помощью современных радиотехнических средств.
Действительно, подставляя в формулу (1,67) А, = 1 cm(xD)il Te^z 1600° К,
получаем, что допплеровский сдвиг, равный 0,71 Д/е на уровне
половинной мощности, равен 31 Мгц. Таким образом, случай Х<^ D, хотя и может
быть реализован в опытах с лабораторной плазмой и лазерным излучением,
пока не имеет практических приложений в ионосферных измерениях.
Если X ^> D, то в общем случае функция W (А/), описывающая форму
спектра, состоит из суммы двух частей, которые можно назвать
«электронной компонентой» и «ионной компонентой». Введем параметр а = АяВ/К.
Относительный вклад обеих компонент в общую энергию рассеиваемого
сигнала будет определяться величиной этого параметра. Если а = 0,5-^- 2Г
£2

Рис. 1.24. Спектры ионной состав- Рис. 1.25. Спектры ионной
составляющей сигнала для случая Те = Т\ лянлцей в случае а = 0,1 для разных
при различных значениях а = AnD/X значений Те/Т{
то компоненты вносят примерно одинаковый вклад, при уменьшении а
возрастает вклад ионной компоненты, причем спектр сигнала сужается.
Форма спектра ионной компоненты для случая теплового равновесия
(Те = Tt) показана на рис. 1.24. Спектр при а ->- 0 принимает форму
двугорбой кривой, симметричной относительно несущей частоты (на
рисунке изображена половина спектра, соответствующая положительному
сдвигу). Допплеровский сдвиг определяется тепловой скоростью ионов,
т. е.
ДД = ^ (Шут/г,)'/*. (1.69)
Для атомарного кислорода 0+ при X = 1 м и Tt = 1600° К Aft = 2,6 кгц.
Таким образом, энергия отражения концентрируется в гораздо более
узком спектральном интервале, чем в случае чисто электронного
рассеяния, что обеспечивает техническую возможность детектирования
рассеянного сигнала.
Общая энергия отражения, пропорциональная площади под кривой
W(Afi), при условии Те = Tt будет следующим образом зависеть от а,
0 = Ч1 ~-rhr+ а+ **н2+ <*)]- (1л0)
В этом уравнении первые два члена отражают действие электронной
компоненты, а третий — ионной компоненты. Легко показать, что при а —>■ 0
сечение рассеяния а ->■ 1/2сге, т. е. вдвое уменьшается по сравнению с
простой теорией (1.59). Такое уменьшение энергии отражения и наблюдалось
экспериментально в первых измерениях некогерентного рассеяния от
ионосферы на частоте 41 Мгц [165].
Если тепловое равновесие нарушено, т. е. Те =f= Tt, но скорости ионов
и электронов подчиняются максвелловскому распределению, то для
TJTt < 3:
<3 = <Зв|^1 1 -f- a2 + (1 + а2) (1 + а2 + Te/Ti) \ ' ^ '
Эффект влияния неравновесности на форму спектра демонстрируется на
б* 83

1,6
-g
£
|/,2
I
*:
Г'8
ч
i
1^
a
a
Nz/N=l,0
— ^^^ ^X""^^v
/ \ ^^ ^w
A^2x£~--- \
-^ NJ \
l^Si. \ \
u\\A\
\ \ x»^ \ \ \
\\^чА\\
n3^<^^
0 I
%-wo
0,005 0,010 0,015 0,020
Допплеробский сдбиг Д/е
го w so so шо
Рис. 1.26. Влияние ионного состава на форму спектра
а — изменение формы ионного спектра для'смеси ионов 0+ и Не+, N2 — концентрация ионов N —
электронная концентрация, а -> 0, Те/Т{ = 1,5; б — диаграмма форм спектра смеси ионов 0+', Не+,
Н+ для случая а-г 0, Те/Т^= 2,0
рис. 1.25. Обозначим TJTt при а = 0 через р, тогда реально
существующее отношение
1±
Ti
1 + а2
■Р
И
2ае
1+0
(1.72)
(1.73)
Таким образом, по наблюдаемой форме спектра можно сразу определить
р. Затем по уравнению (1.73) можно рассчитать а и определить N. По
величине сдвига на уровне половинной мощности можно рассчитать Ти
затем оценить D, рассчитать а и по уравнению (1.72) вычислить Те[
Совершенно очевидно, что для таких расчетов необходимо, чтобы спектр
имел два «крыла», ибо Р оценивается именно по соотношению между
«крылом» и центральной частью спектра (рис. 1.25). В то же время на рис.
1.24 видно, что спектр принимает такую форму только при а ^ 0,5.
Значит, нижний предел для рабочей длины волны, необходимой для
обеспечения измерений, А, ;> 25D. В табл. 3 даны некоторые характеристики
ионосферы для различных условий, а также минимальные длины волн
и ширина спектра для X = 1 м.
Однозначная интерпретация спектра затрудняется в том случае, когда
в ионосферной плазме содержится несколько сортов положительных ионов.
На рис. 1.26а {TJTt = 1,5) показана вариация формы спектра для смеси
ионов 0+ и Не+. Мерой процентного отношения концентраций служит
наклон кривой в точке, соответствующей половинной мощности рассеяния.
На рис. 1.266 схематически показана серия спектров для трехкомпонент-
ной смеси ионов 0+, Н+ и Не+ для случая, когда TJTt = 2,0 [204]. По
вершинам треугольной диаграммы помещены спектры для 100%-ного
содержания ионов одного сорта, по сторонам треугольника спектры
содержат два, а внутри — три сорта ионов. Следует иметь в виду, что если
неизвестны ТJTU а и ионный состав, то однозначная интерпретация
измеренного спектра вообще невозможна. Практически задачу обычно сводят
к определению Tt и процентного содержания ионов, считая другие
параметры известными или определяя их независимыми методами.
Соударения электронов и ионов с нейтральными частицами в принципе
тоже должны влиять на форму спектра рассеянного сигнала и затруднять
раздельное определение Те и Ге. Длина свободного пробега для электронов
(1е) и для ионов (Zj) может быть выражена как
h,i = ^е,гУтеЛ12кТеЛГ\
(1.74)
84

Нижняя
экзосфера
2000
1
СЯ
О
w
3000
3000
1^.
5,6
5,03
-<1
2,75
§
28,6
5,85
Верхняя
часть F2
1000
1
9
3000
2500
4^
3,8
5,40
CD
CD
2,55
CD
СЯ
14,3
10,0
to
300
«=| CO
ф' g
н S
в в
в в
в« в
2 о
а л
Т №
Со Со
3 3
S в-
9, S3
2500
2500
1000
2000
О
"со
5,78
со to
СО 00
to ел
2,18
2,18
-л
to
СП СП
С5 his
"о "со
11,7
16,6
^
200
S=i 9°
ф з
в а
в в
Be В
3=1 a
2 °
а л
Со Со
3 3
S 5'
СЯ
9 9
2000
3000
750
1500
to to
СП СП
о
5,84
tO н*.
ОО С5
СП CD
tO н^
CO CD
оа to
I-*» tO
СЯ СП
оо to
Ъо оо
^ 00
"со "ел'
Ьз
to
о
ф В
в я
В а
Be В
3 л
J^ Со
3 3
0> -.
И Р
5 5
со со
8 8
со со
о о
о о
со со
о о
о
5,90
0,73
н* to
О СЛ
1,65
1,65
00
"ся
Область
ионосферы
Высота, км
Время суток, сезон,
уровень солнечной
активности, S
Концентрация
N, см-3
Электронная
температура
те, °к
Ионная
температура Т|, °К
Масса ионов
(средняя)
m-, am. ед.
Дебаевский
радиус D, см
Напряженность
геомагнитного
поля НЛО-3, а/м
Гирорадиус
ионов Rh см
Гирорадиус
электронов Яе>
см
Минимальная
длина волны
*min» см
Ширина
спектра для X = 1 м
2 Afit кгц
Максимальная
длина волны
*тпах» м

где ve и v i — частоты соударений с
нейтральными частицами. Введем параметр
4>e,i = ^/4jiZe,|. На рис. 1.27 показаны
спектры ионной компоненты в зависимости от
величины tyi при условии, что Те = Tt.
Видно, что когда длина свободного
пробега ионов становится малой по
сравнению с АУ4я,'то спектр сужается и теряет
двугорбую форму. Следует заметить, что
общая энергия отражения остается
постоянной, не зависит от частоты соударений.
Практически в ионосфере на всех
высотах г|?е^0,1г|^ и соударениями электрон-
нейтрал можно пренебречь. Что же
касается соударений ион-нейтрал, то они
существенны только в области высот ниже
120 км (для X ;> 0,2 м). В этой области
ионосферы (100—120 км) можно с успехом
считать, что Те = Т% = Тп (Тп —
температура нейтральных частиц) и частота
соударений (сек'1)
vt^0,9.l0-15N (N2), (1.75)
где N (N2) — плотность нейтрального азота в области Е ионосферы.
Следовательно, определив по спектрам типа изображенных на рис. 1.27 ij7t
и задавшись значениями Т{~ Те— Гп, можно сразу определить
нейтральную плотность в рассматриваемом интервале высот. Надо сказать, что
характеристики этой области очень важны для построения моделей
атмосферы (они являются нижними граничными условиями) и в то же время
большинство типов метеорологических ракет не поднимается до этого
уровня, а искусственные-спутники Земли летают намного выше. Таким
образом, ценность метода некогерентного рассеяния для оценки параметров
нижней ионосферы особенно велика.
Как уже упоминалось, в ионосфере, кроме хаотического теплового
движения заряженных частиц, могут существовать и направленные
движения — дрейф электронов и ионов (при отсутствии магнитного поля
электроны и ионы будут двигаться в одном направлении), а также токи, т. е.
движение электронов относительно ионов. Направленное движение частиц
относительно радиолокатора должно влиять на спектр рассеянного
сигнала. Если плазма в целом дрейфует по отношению к приемнику со
скоростью Vd м/сек, то весь спектр должен сдвинуться на величину
Ц* = ±Щ^*Ц, (1.76)
где знак плюс соответствует движению по направлению к приемнику,
а минус — от приемника. Форма спектра при этом сдвиге не меняется [175].
Если же имеется ток (но ионы не подвижны относительно
радиолокатора), то, не сдвигаясь в целом, спектр становится асимметричным. Степень
асимметрии зависит от отношения скорости направленного дрейфа Vd
к тепловой скорости электронов Vе = (2kTe/me)l/* и от величины Тe/2V
На рис. 1.28а показано, как растет степень асимметрии по мере роста
скорости дрейфа электронов по направлению к приемнику при условии,
что излучение падает с направления, перпендикулярного Vd (ширина
спектра по сравнению с чисто обратным рассеянием меньше в У2 раз).
Рис. 1.286 иллюстрирует эффект изменения величины Т JTX при
фиксированном значении V,d = 0,5Ve и вышеприведенной геометрии рассеяния
(а = 10~2). Практически спектр бывает и сдвинут по частоте, и
асимметричен. Таким образом, тщательное измерение положэния центра спектра
о о,ь о,д /,г t,6 г,о г,ь
ДопплероЬский сдбаг AJ-L
Рис. 1.27. Влияние соударений
на ионную составляющую спектра
при А,^>4лХ> и TjTi= U
*е = 0,11ч
86

-цоб -Ofiu -Qfoz о о,ог ofik or06
Допплеробский сдбиг Afe
-0,06-0,0k-0,02 0 0fi2 0,0b 0,06
Допплеробский сдбиг Afe
Рис. 1.28. Эффект дрейфовых движений
•о — влияние дрейфа электронов на ионную составляющую спектра. ТQlT-%
б — влияние увеличения Те/Т{ при наличии дрейфа. Vd/VQ = 0,5, а = 10-2
= 2,0, а
ю-
и соотношения величин его «крыльев» дает возможность оценить скорость
дрейфа ионов относительно радиолокатора и дрейфа электронов
относительно ионов. Оценки показывают, что в принципе при точности измерений
элементов спектра 1% можно оценить Vd с точностью порядка 0,36 -ь
— 0,9 м/сек, а скорость движения электронов не хуже, чем 0,01Р% [175].
Реальная ионосферная плазма постоянно находится в магнитном поле
Земли. Теоретическое рассмотрение влияния геомагнитного поля на
интенсивность рассеянного сигнала и его спектр [177, 215] показывает, что
при распространении волн вдоль геомагнитного поля никаких изменений
интенсивности и спектра не происходит. В то же время наибольший эффект
проявляется при ортогональности магнитного поля и направления
распространения. Характер и эффективность влияния геомагнитного поля
определяются также степенью теплового равновесия в ионосферной
плазме и сботношениями между длиной волны и гирочастотой заряженных
частиц, т. е. частотой их вращения вокруг магнитных силовых линий под
действием силы Лоренца. Гирочастота ионов
/я
еН
2Л7ПгС
(1.77)
где Н — напряженность геомагнитного поля. В средних широтах на
высотах области F ионосферы ионы О4* будут иметь гирочастоту порядка 50 гц.
Ионы, движущиеся по нормали к силовым линиям поля, периодически
появляются в одних и тех же местах с частотой /я, что, естественно,
должно приводить к наложению на спектр сигнала, направление рассеяния
которого перпендикулярно полю, характерных флуктуации. Пусть ф —
угол между радиоволной и нормалью к направлению поля, a Re и Щ —
так называемые гирорадиусы электрона и иона, так что:
Яз =
*г =
С {ШекТе)4'-
еН
с (mjkTj)
еН
Чш
(1.78)
(1.79)
Численные значения Ren Rt приведены в табл. 3. Практический
интерес представляют два случая: X ~ R\^> Re и R{^> X^> Re.
87

Рис. 1.29. Появление гирорезо-
нансных линий ионы 0+ в
ионной составляющей спектра
А,/В|=.1,8; 0 = 2°; Те = Т{-
а -*• 0. Пунктирная кривая
соответствует спектру при ф = 90°,
или случаю отсутствия магнитного-
поля
о о,г oj* о,б о,8^ /,о /,г /,*
Долплеробскай сдбаг AfL
1,6 Ц
В первом случае, когда Те = Г* и sin Ф < Ш5ДЬ возникает модуля-
ция спектра гирочастотой ионов. На рис. 1.29 показан такой спектр для
Я = 7 5 ж, ионов 0+ и Ф = 2° [171]. Надо сказать, что амплитуда
модуляции весьма мала в диапазоне углов 90° < Ф < 5° и резко возрастает для
Ф < 2°. В то же время сам спектр сужается и в пределе при Ф -> и
вырождается в линию на частоте зондирования. Следует также
подчеркнуть, что в рассматриваемом случае (Те = Г4) наличие модуляции не
меняет общей интенсивности сигнала, т. е. площади под кривой W (bh)-
С ростом величины Щ?4 расширяется диапазон углов Ф, в котором можно
наблюдать явления гирорезонанса, но в то же время падает амплитуда
модуляции и только ширина спектра остается функцией Ф,
чувствительной к изменениям Ф. Если же Те/Т, > 1, то при Ф -+• 0 мощность
отраженного сигнала будет возрастать. Эффект соударений (ион-ионные
столкновения) ослабляет модуляцию спектра. Исследование ионосферных условии
показывает, что почти на всех высотах ниже 1000 км модуляция
полностью пропадает, однако выше этого уровня можно наблюдать протон
ные гирорезонансы. - -
Во втором случае, т. е. когда Щ > Х> Re, по мере уменьшения Ф
спектр сужается и приближается по форме к гауссовскому без изменения
общей интенсивности рассеяния (рис. 1.30). При Те1Т{ > 1 наложение
магнитного поля обычно вызывает увеличение общей интенсивности при
Ф -> 0 Для Ф < 0,3° сечение рассеяния монотонно возрастает с ростом
TJTi. Это позволяет определять Те1Ти сканируя радиолокационный луч
около Ф = 0°. -а
До сих пор мы обсуждали различные эффекты, влияющие на форму
спектра, рассматривая только ионную компоненту. Электронная
компонента в спектре при Х>4л£>, т. е. а -> 0 проявляется в виде двух
симметричных относительно несущей частоты радиолокатора линии.
Положение этих линий в спектре зависит от а и при отсутствии магнитного
поля они отстоят от несущей частоты на величину
/г = ± Ы1 + W'.
(1.80)
близкую к плазменной частоте fN [175]. Ширина этих так называемых
плазменных линий увеличивается с ростом а. Энергия отраженного сигнала,
связанная с этими линиями, даже при а = 1,0 на два-три порядка меньше,
чем энергия, связанная с ионной компонентой спектра. Поэтому ночью
обнаружить ее весьма трудно, и плазменные линии обычно наблюдаются
в дневное время и на тех высотах, где их интенсивность усиливается за счет
имеющихся в ионосфере потоков быстрых фотоэлектронов с энергиями
1—25 эв [191].
Наличие плазменных линий в спектрах рассеянного сигнала можно
объяснить рассеянием на слабо затухающих продольных колебаниях
плазмы с частотой /г, длиной волны Я/2 и фазовой скоростью Уф — 0,5/гА.
Эти плазменные колебания представляют собой небольшие отклонения от
строгой нейтральности, которые возможны из-за конечности величины
Я/4я£. Фотоэлектроны, движущиеся с той же скоростью, что и волны, и
88

Рис. 1.30. Влияние магнитного
поля на спектр
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Доппперобсшй сдбиг AfL
имеющие энергию Еф = 1/2^е1^ф, взаимодействуют с волной. Если их
энергия Е ^> Еф, то они, догоняя волну, отдают ей свою энергию. При
Е < Еф происходит обратное явление (затухание Ландау). Этот процесс
определяет минимальную плазменную частоту, при которой можно
наблюдать усиленную плазменную линию
In i
2/А, Мгц,
(1.81)
где % — длина волны радиолокатора, м. Максимальная плазменная
частота определяется соударениями ион-электрон, и ее величина
/ttmax ~ 6А Мгц.
(1.82)
Отсюда следует, что, выбрав соответствующую длину волны, можно
исследовать зависимость электронной концентрации от высоты, смещая
частоту приемника на величину /г и определяя высоту, на которой
плазменная частота равна/^. В частном случае, когда f0F2 ^ /лг, можно найти
таким путем профиль электронной концентрации в значительной части
области F.
Геомагнитное поле в широкой области значений угла Ф облегчает
взаимодействие электронов среды с волной, так как вращение электронов
вокруг силовых линий с периодом mlfN сек способствует сохранению их
положения относительно гребня волны. Этот эффект влечет за собой
некоторое возрастание минимальной энергии, при которой усиливается
плазменная линия. Теперь
3
/iVmin = у (1.83)
и интервал плазменных частот сужается от 3 : 1 без учета геомагнитного
поля до 2:1с учетом его.
Рассмотрим теперь основные принципы, которые должны лежать
в основе экспериментальной установки для изучения ионосферы методом
некогерентного рассеяния радиоволн. Прежде всего встает вопрос о
выборе длины волны радиолокатора. Совершенно очевидно, что длина волны
должна определяться параметрами изучаемой ионосферной плазмы.
Нижний предел, т. е. A,min, определяется, как уже упоминалось, условием
А, > 25D. Верхний предел, т. е. Атах, определяется тем, что при Х^> Щ
спектр становится слишком чувствителен к вариациям угла Ф, что
нежелательно. Оценки показывают [175], что с этой точки зрения
Кроме того, должно выполняться и условие
Лтах
(1.84)
(1.85)
В табл. 3 даны значения Xmjn и Хтах, соответствующие приведенным здесь
89

же ионосферным условиям. Видно, что длины волн X = 2 -f- 6 м могут
применяться для исследования на всех высотах, но ниже 300 км могут
применяться X = 25 см -г- 8,5 м. Соударения ионов с нейтралами, как
мы видели, оказывают существенное влияние на спектр при г|э4 = Х/4л14 ^
^ 0,3. Чтобы уменьшить высоту, начиная с которой можно изучать свойства
нейтральной атмосферы, наблюдая эффекты соударений, надо уменьшать
длину волны. Например, для X = 150 см эта высота будет ~110 км, а для
X = 25 см она составит — 95 км.
При выборе длины волны следует учитывать и ряд других факторов:
необходимое превышение уровня полезного сигнала над уровнем шумов,
разрешающую способность по высоте и по частоте, помехоустойчивость.
Метод некогерентного рассеяния можно применять либо при
наклонном распространении радиоволн через ионосферу (непрерывное излучение
или импульсное зондирование) и тогда передатчик и приемник разнесены
на несколько сот киломеров, либо при вертикальном импульсном
зондировании с применением коротких импульсов. В последнем случае мощность
отраженного сигнала (вт), измеренная на выходе приемника, будет
равна [1751:
р*=Рж^%№^ Ф)йпвеШф, (1.86)
128я3#2
е'Ф
где Pt — мощность передатчика в импульсе, вт; L — коэффициент
омических потерь в линиях передачи от антенны к приемнику и передатчику;
TV" — электронная концентрация, которую полагаем постоянной в
высотном интервале ст/2, занимаемом импульсом; а — эффективное сечение
рассеяния, определяемое формулой (1.71); с — скорость света; т —
длительность импульса; R —расстояние до рассеивающего „объема; G (0, г|э) —
коэффициент направленного действия антенны, причем 0 — угол,
измеряемый от оси конуса излучения, а т — азимутальный угол, измеряемый
относительно вертикальной плоскости, содержащей ось.
Если диаграмма излучения цилиндрически симметрична, то
(1.86) можно проинтегрировать по i|) так, что
P^^^^(Q)SinQdQ. (1.87)
9
Для обычного параболического антенного рефлектора:
Fs = 64я2Дз ^(U), l(l,o8)
где G (0) — усиление антенны на оси излучения. Если от G (0) перейти
к эффективной площади антенны А0, то с учетом того, что
Л = ^, (1-89)
получим
P, = [W^].[|], (1.90)
где первый сомножитель содержит характеристики локатора, а второй —
характеристики рассеивающей среды.
Чтобы мощность полезного сигнала можно было измерить, необходимо
существенное превышение Ps над уровнем шумов, мощность которых на
выходе приемника
PN = kTtb, (1.91)
где к — постоянная Больцмана; Ts — эквивалентная температура
системы; Ъ — полоса пропускания приемника. Мощность шумов складывается
90

знз собственных шумов приемника и внешних помех так, что
TS = TA+TR + TL, (1.92)
где ТА — шумовая температура антенны; TR — эффективная шумовая
температура приемника; TL — шумы, связанные с потерями в антенне, в
волноводах и т. п. Специальные исследования показывают, что ТА, которая
дает основной вклад в Ts, имеет минимальное значение вблизи частоты
103 Мгц, остается примерно постоянной до 104 Мгц, а затем растет вновь.
Поэтому чтобы свести к минимуму Ts, следует выбирать К ^ 30 см,
использовать малошумящие антенны и приемники. Уменьшить Рр? можно
ж сужая полосу пропускания приемника Ь. Однако нельзя делать полосу
меньше ширины спектра рассеянного сигнала. Далее, если передатчик
излучает прямоугольный импульс длительностью т сек, то спектр
передаваемого сигнала будет иметь ширину 1/т гц. Оптимальное соотношение
сигнал/шум (без учета влияния среды) в этом случае должно быть при
Ъ = 1/т гц. Очевидно, что тогда Ps/Pn — ^2- Из выражения (1.90) видно,
что Ps не зависит прямо от длины волны, и при выборе параметров установки
следует добиться оптимального значения произведения PtA0 и правильно
выбрать т. Если задать, скажем, следующие параметры радиолокатора:
Pt = 3106 em, А0 = 1,6 103 м2, L = 0,81, Ts = 300° К, т = 50 мкеек,
Ъ = 20 кгц, а а рассчитывать по формуле
А0-**м2, (1.93)
1 + Те/Т{
то, используя данные табл. 3, можно оценить PJPn Ддя разных высот и
ионосферных условий. Ночью на всех высотах PJPn <C 1 (а на высотах
более 1000 км PSIPN <^ 1)., а днем на всех высотах Ps/Pn > Ю, поэтому
необходимо применять накопители сигнала различного типа. Чтобы
проводить измерения выше максимума слоя F2, удлиняют импульс, ухудшая
разрешающую способность установки по высоте.
В случае использования наклонного распространения (так называемый
бистатический радар), когда два луча (диаграммы передающей и приемной
антенны) пересекаются под углом х, мощность рассеянного сигнала
зависит от положения и характеристик обоих антенных лучей. Считая, что
передатчик работает в режиме непрерывного излучения со средней
мощностью РСр» а область пересечения лучей, имеющих цилиндрическую
симметрию, представляется в ортогональной системе координат х, у, z, имеем
следующее выражение [175] для мощности рассеянного сигнала
Рл LN<5 Г* Г» Г*
Р° = 1^Щ 5 I \GM]AMdxdydz, (1.94)
где Нг и R2 — расстояния от центра рассеивающего объема до передатчика
и приемника соответственно, причем размеры этого объема малы по
сравнению с i?x и R2, т. е. антенны имеют узкие диаграммы. Для обычных
параболических антенн с одинаковой диаграммой:
_ „ Pcr,LN<sXA^
р'=5'7 ^sinx- а-95)
Выражение (1.95) показывает, что мощность сигнала обратно
пропорциональна расстоянию R2 от рассеивающего объема до приемной антенны
(а не квадрату расстояния, как это было в случае импульсного радара)
и пропорциональна квадратному корню из эффективной площади
приемной антенны. Достоинством бистатического радара является то, что
разрешающая его способность по высоте определяется не длительностью
импульса, а только шириной диаграмм антенн, расстоянием между ними и
геометрией рассеяния. Недостатком такой системы являются сложность
91

согласованной работы разнесенных на несколько сот километров устройств^
и большие трудности в измерении профиля электронной плотности.
Действительно, чтобы охватить измерениями значительный диапазон
высот, необходимо иметь антенну, способную менять угол места диаграммы
направленности в широких пределах, и приходится затрачивать много
времени на прохождение всего диапазона высот, так как необходимо
копить сигнал, рассеиваемый от каждого интервала. Кроме того, по мере
роста исследуемой высоты ухудшается разрешающая способность
установки по высоте за счет увеличения рассеивающего объема. Практический
бистатический радар наиболее эффективен для ионосферных измерени
в областях Е и FI.
1.3.2. Аппаратура и методика
Аппаратура для исследования ионосферы методом некогерентного
рассеяния радиоволн представляет собой дорогой и сложный технический
комплекс, поэтому в настоящее время во всем мире существует не более
десятка установок, ведущих регулярную научно-исследовательскую работу
этим методом. Такими исследованиями активно занимаются в США,
СССР, Франции и Англии. В табл. 4 представлены параметры некоторых
зарубежных мощных радиолокационных установок. Они были
спроектированы в разное время и тогда, когда многие выводы теории еще не были
получены. Все эти установки начали действовать в 60-х годах.
Радиолокаторы в Джикамарке, Аресибо и Сент-Сантин наиболее отличаются по
конструктивным особенностям и возможностям, поэтому имеет смысл
описать их несколько подробнее. Остальные, в том числе и проектируемые
в настоящее время, являются модификацией или комбинацией этих трех.
Радиолокатор в Джикамарке [175, 176, 162].
Установка построена вблизи магнитного экватора в соответствии с идеей о
возможности работы радиолокатора, излучающего энергию
перпендикулярно геомагнитному полю, как ионного масс-спектрометра [177, 215].
Антенна представляет собой решетку из полуволновых вибраторов,
расположенных на высоте 0,3 X над лежащим на земле подстилающим
экраном. Вдоль стороны квадрата, занимаемого решеткой (290 м),
расположено 96 вибраторов. Вторая решетка вибраторов, ортогональная
первой, занимает то же физическое пространство и находится на такой же
высоте. Для двух ортогональных поляризаций применяются независимые
системы питания. Вся решетка разделена на 64 «модуля» по 144 вибратора
каждой поляризации. Диаграмма направленности электрически
сканируется около зенита в небольших пределах. Конструкция каждого
вибратора представляет собой отрезок коаксиальной линии длиной 6Я,
в которой внутренний и внешний проводники смещены на интервал,
равный АУ2.
Передатчик собран на четырех триодах, установленных в
коаксиальных объемных резонаторах, каждый из которых дает максимальную
мощность 1 мет. Лампы сфазированы попарно, и в рабочем режиме каждая
пара работает на свою часть антенной решетки. Таким образом, есть
возможность поочередно излучать импульсы с правой круговой
поляризацией и с левой круговой поляризацией. В передатчике применяется
сеточная модуляция, и длительность импульсов может меняться в широких
пределах.
Приемники — обычного типа, ламповые. Регистрация данных ведется
при помощи цифровых вольтметров; для управления радиолокатором ц
оперативной обработки данных используется специальная электронно-
вычислительная машина, входящая в комплект установки. Общий вид
устройства представлен на рис. 1.31 [182]. Установка работает наиболее
эффективно для области высот больше 200 км.
92

Параметры действующих установок некогерентного рассеяния
Таблица 4
Установка

Географическая
широта

Географическая
долгота

Геомагнитная
широта
Рабочие
частоты
Мгц
Тлп
Характеристика
антенны
Эффективная
площадь
антенны,
дб на 1 м2
Эффективная |
температура
системы
Т, °К
Радиолокационная
обсерватория Управления служб по
изучению внешней среды США.
(ESSA); Д кикамарка, Перу
Ионосферная обсерватория
Корнелльского университета
США; Аресибо, Пуэрто-Рико
Станфордский
научно-исследовательский институт; Стан-
форд, штат Калифорния, США
Линкольновская лаборатория
Массачусетского
технологического института; Миллстоун-
Хилл; Вестфорд, штат
Массачусетс, США
Научно-исследовательский
институт радиолокации; Грейт-
Молверн, Англия
Национальный центр
исследований в области дальней связи
(CNET); Сент-Сантин, Франция
(передатчик); Нанси, Франция
(приемник)
11,95°
ю. ш.
18,3°
с. ш.
37,4°
с. ш.
42,6°
с. ш.
52,1°
с. ш.
44,65°
с. ш.
48,37°
с. ш.
76,87°
3. Д.
66,75°
з. д.
122,17°
з. д.
71,5°
з. д.
2,14°
3. Д.
2,19°
в. д.
2,10°
в. д.
2°
30°
43°
53°
56°
47°
49,92
40,12
430,0
1300
440,0
1295,0
400,0
935,0
Вертикальный луч,
импульсный
Вертикальный луч,
импульсный
Наклонный луч,
импульсный
Вертикальный
импульсный.
Наклонный луч,
пульсный
луч,
им-
Вертикальный луч,
импульсный
Двухпозиционный,
непрерывного
изучения
Передатчик —
вертикальный луч
Приемник —
наклонный луч
Решетки
вибраторов
290x290 м
Сферическое
зеркало,
0 300 м
Параболоид
0 27 м
Параболоид
0 68 м
Параболоид
0 25 м
Параболоид
0 42,5 м
Зеркало
20x100 м
Зеркало
20x100 м
45,0
43,7
41,7
23,8
32,2
22,8
28,5
30,0
6000
10000
300
300
200
150
200
130

Ионосферная обсерватория в Аресибо. Общий
вид установки — на рис. 1.32. Антенна состоит из сетчатой отражающей
поверхности и питающей линии. Она сооружена в карстовой впадина
в горах Пуэрто-Рико. Поверхность зеркала представляет собой часть-
сферы с радиусом кривизны 245 м и диаметром 300 м. Применение
сферического зеркала позволяет качать диаграмму направленности, перемещая
облучатель. Облучатель перемещается по дуге окружности, имеющей тот
же радиус, что и зеркало, при этом симметрия луча сохраняется.
Облучающая система подвешена на тросах на высоте 144 м над поверхностью
зеркала. Луч можно сканировать в пределах 20° от зенита.
Передатчики находятся в пункте управления у края зеркала. В
передатчике на частоту 430 Мгц используются два клистрона, работающих
в качестве оконечных каскадов (усилителей) передатчика когерентного
излучения. Этот передатчик может излучать импульсы длительностью
от 10 мксек до 10 мсек и излучать непрерывно с соответствующей средней
мощностью. В оконечной ступени передатчика на частоту 40,12 Мгц
применяются четыре лампы, работающие в параллельных двухтактных
схемах на контур с сосредоточенными параметрами.
В приемнике на частоту 430 Мгц в качестве первого усилительного
каскада работает параметрический усилитель. Для снятия данных
используются быстродействующие аналогоцифровые преобразователи (цифровые
вольтметры), а полученная информация обрабатывается на ЭЦВМ.
Установка в Аресибо весьма эффективная, многоцелевая и
перспективная. Наблюдения осуществляются в широком диапазоне высот,
включая нижнюю экзосферу Q>2000 км). В дальнейшем, по-видимому, будет
построена дополнительная удаленная антенна, что обеспечит работу
локатора в бистатическом режиме. Это повысит разрешающую способность
по высоте при исследовании нижней ионосферы и расширит возможности
измерения дрейфовых движений в ионосфере.
Французский радиолокатор непрерывного
излучения. В системе использованы два луча, пересечение которых
определяет локализацию и величину рассеивающего объема (рис. 1.33а).
Передатчик локатора, оконечный каскад которого собран на клистронах,,
излучает непрерывно на частоте 935 Мгц, переключаясь для
калибровочных измерений через равные промежутки времени на частоту 935,1 Мгц.
Передающая антенна в Сент-Сантине представляет собой секцию
параболоида, имеющую длину 100 м по направлению восток — запад и наклон
45° к земле; ее проекция на направление север — юг составляет 20 м.
Это зеркало собирает излучение от вспомогательного зеркала,
представляющего собой секцию эллиптического цилиндра длиной 11 м в направлении
восток — запад и освещаемого рупорным облучателем.
Такая конструкция обеспечивает наилучшее освещение главного
зеркала и сводит к минимуму уровень боковых лепестков, которые могут
привести к появлению рассеянных сигналов с нежелательных высот.
Вертикальный луч передающей антенны имеет ширину 2,1°в меридиональной
плоскости и 12' в восточно-западном направлении, что обеспечивает
согласование с лучом приемной антенны в плоскости восток — запад на
высотах порядка 200 км.
Для приема сигналов, рассеянных ионосферой, используется большая
радиоастрономическая антенна в Нанси (рис. 1.336). Основная часть
антенны — вертикальное главное зеркало, освещаемое из фокуса.
Расположенное на некотором расстоянии от него плоское зеркало отражает
луч под нужным углом. Размеры главного зеркала — 300 м в
направлении восток — запад и 35 м в высоту. Плоское зеркало — 200 X 40 м~
Антенна формирует веерный луч шириной 6' в направлении восток —
запад и 36х в меридиональном направлении. В приемнике применяется
параметрический усилитель, а спектральный анализ сигналов
производится с помощью кварцевых фильтров и цифровой интегрирующей и
94

Рис. 1.31. Радиолокационная установка в Джикамарке, Перу (общий вид)
Антенная решетка и здание для передатчика, приемников и регистрирующе-вычислительного
комплекса
Рис. 1.32. Ионосферная обсерватория в Аресибо, Пуэрто-Рико
Электронное оборудование сосредоточено в адаииях, изображенных вш

записывающей системы. Работа передающей и приемной частей установок
синхронизируется с помощью специальной кабельной линии. Описываемая
двухпозиционная система наиболее эффективна для изучения нижней
ионосферы, областей D и Е, и особенно для измерения вертикальной
компоненты дрейфа. Разрешающая способность по высоте для нижней ионосферы
в этой установке очень велика по сравнению со всеми другими
функционирующими локаторами.
В настоящее время в США разрабатывается проект новой установки
для изучения ионосферы методом некогерентного рассеяния, учитывающий
принципиальные достоинства и недостатки описанных выше систем. Эта
установка должна иметь одну управляемую по наклону приемно-передаю-
щую антенну диаметром около 100 м и две дополнительные приемные
антенны меньшего диаметра на расстоянии порядка 300 км от основной
антенны. Радиолокатор может работать и в импульсном режиме, и в
режиме непрерывного излучения. Геометрия рассеяния позволит проводить
измерения полного вектора скорости дрейфа и все остальные обычные видь?
измерений в широком диапазоне высот. Для исследования области 200 —
2000 км применяется длина волны 150 см, а для исследования области
90—120 км — % = 25 см. Максимальная мощность излучения — 10 000 кет,
средняя мощность — 300 кет. Общая стоимость этой установки —
порядка 30 млн. долларов.
Рассмотрим далее особенности методики измерения отдельных
параметров ионосферной плазмы. Частично мы уже касались этих вопросов
в разделе 1.3.1.
Высотный профиль электронной концентрации
Наиболее прямой способ определения высотного профиля N (К)
заключается в измерении зависимости мощности рассеянного сигнала Ps
от времени задержки при вертикальном излучении радара. При этом
используется простое соотношение
ps = const ЛЦрИ. (1.9.6)
Коэффициент пропорциональности можно определить путем измерь
ния параметров радиолокатора, входящих в выражение (1.86), либо путем
калибровки результата измерений N в какой-либо точке с помощью
независимых измерений (скажем, методом обычного импульсного
радиозондирования).
Например, в Миллстоуновской установке путем измерения Ps
определяется только форма профиля N (А), а абсолютные
значения устанавливаются путем измерения f0F2 при помощи ионозондов,
расположенных вблизи станции некогерентного рассеяния.
Рассеянная мощность убывает пропорционально квадрату расстояния;
кроме того, выше максимума слоя F2 быстро убывает N. Оба эффекта
приводят к быстрому убыванию величины Ps/Pn. Чтобы повысить точность
измерений, необходимо применять метод интегрирования видеосигнала по
временным разверткам. Выходное напряжение частотного фильтра
приемника выпрямляется при помощи квадратичного детектора, и продетек-
тированное напряжение (пропорциональное принимаемой мощности)
отсчитывается при помощи цифрового вольтметра через небольшие
интервалы времени (~250 мксек) в течение каждого хода радиолокационной
временной развертки. Отсчеты синхронизированы с частотой повторения
импульсов передатчика так, что они производятся в одних и тех же точках
развертки. Затем в вычислительной машине уровни суммируются и
определяется средняя мощность рассеянного сигнала для каждой высоты. При
интегрировании по гс ходам временной развертки неточность определения
96

7777P7s
ZQ*1QQmz
Рис. 1.33. Двухпозиционный радар
Сент-Сантин— Нанси (Франция)
а — схема; б — приемная антенна в Нанси:
I — сферическое вертикальное зеркало,
II — управляемое по наклону плоское
зеркало
Ъ77777777777777777777777777Ш7Ж
- 300 км
V////X/////////
**о*гоомг
—ч
ттшт
'; ;:;,. С-^.:^шЛЩШ1ЯЯ^^.^ШшЙ
7 Ионосферные измерения
97

Рис. 1.34. Расчет профиля электронной концентрации
а — фотография экрана индикатора типа А при использовании интегратора; б — распределение
электронной концентрации, полученное по изображению на^швдикаторе типа^А. Пунктирные
кривые — распределения N (7i), рассчитанные по ионограммам близлежащих!йоноэондов
мощности АР для любой высоты уменьшается в соответствии с выражением
АР = ±^,' (1.97)
У п
Мощность шумов PN оценивается по средней мощности т точек,
соответствующих высотам, которые не дают полезного сигнала. Вычитая эту
величину из значений мощности во всех остальных точках, получаем Ps.
Ошибка определения АРм величины средней мощности шумов будет
PjsilYnm, а та же величина для отраженного сигнала
APS = ± Y(AP2) + (APV). (i-98)
Когда PJPn <C 1, относительная ошибка AP8/PS быстро возрастает.
Практически можно добиться определения с точностью ±1% для
умеренных высот, применяя время интегрирования 5 мин (частота повторения
импульсов 50 гц) [175]. При PsIPn < 0,1 даже при 10-минутном
интегрировании нельзя добиться точности, лучшей чем 10%. Как уже
упоминалось, для повышения PJPn при измерениях на больших высотах надо
увеличивать длительность импульса. Выше максимума слоя F2, где эта
мера становится необходимой (применяются импульсы ст^ 1000 мксек),
концентрация меняется монотонно и разрешающая способность установки
уменьшается мало. На рис. 1.34а показана фотография с экрана
индикатора типа-4 при использовании интегрирующего устройства. На рис. 1.346
сравниваются данные расчета N (/г), полученные по изображению на рис.
1.34а, с результатами расчета N (К) по измерениям обычным ионозондом.
Интересная схема накопителя, применявшаяся при измерениях методом
некогерентного рассеяния в СССР, описана в [110, 111]. §%!
Дополнительные трудности при измерениях N (h) возникают в связи
с тем, что а (К) зависит от а = AnD/X и от Те/Тг, которые сами являются
функциями высоты. Зависимостью от ее можно пренебречь только для
X > 1 м (а ->- 0), а для учета зависимости а (Те/Т{) в соответствии с
выражением (1.71) надо проводить измерение Т е1Ть изучая спектры сигналов,
рассеянных с разных высот. Чтобы избежать этой сложности, можно для
определения N {К) использовать наблюдения фарадеевского вращения
плоскости поляризации некогерентно рассеянных сигналов. Число
оборотов плоскости поляризации относительно начальной плоскости, содержа-
98

щей вектор электрического поля волны, будет равно;
Q =
е^Ло
4 л m2/2,
тр2сео
VNrHrcosQrdr,
(1.99)
где u. = 1,26-10^"6 гн/м — магнитная проницаемость свободного
пространства; 80 = 8,85-10~12 ф1м — диэлектрическая проницаемость свободного
пространства; /^>/лг — частота радиоволны, превосходящая плазменную
частоту; Нг — напряженность магнитного поля; 0Г — угол между полем
и радиолучом на любом расстоянии вдоль пути г.
Если вращение плоскости поляризации просходит на вертикальном
пути от Земли дЗ некоторой высоты hx', то
Л1
0 0,94-Ю-2 т? л f at ли
(1.100)
Определяя зависимость Q (h) и вычисляя dQ/dh, можно определить
NhJ если известна величина Н cos 0. Этот метод применяется практически
на установках некогерентного рассеяния для высот h < 500 км. Выше
500 км величина dQ/dh становится очень малой, а так как в этой области
высот TeITi х 1, то здесь можно определять N (К) прямо по профилю
мощности рассеянного сигнала.
При малых значениях а можно в ряде случаев определить N (Ь) по
положению плазменных линий в спектре для электронной компоненты
(см. раздел 1.3.1). Но диапазон высот при таком способе весьма ограничен.
На рис. 1.35 проиллюстрирован этот метод определения N (h).
Использование двухпозиционного радиолокатора для измерения N (k)
связано с другими специфическими трудностями. Во-первых, отношение
PJPn У двухпозиционного локатора с непрерывным\излучением хуже.,
чем у импульсного локатора с такой же средней мощностью. Во-вторых t
при данном положении передающей и приемной антенн мы получаем только
локальное значение концентрации, а для проведения измерений в
диапазоне высот требуется длительное время, так как изменение исследуемой
4,3 5,3 5,8 6,3 6,8 7,3
Плазменная частота , Мги,
Ю5 10°
Электронная концентрация, см'3
Рис. 1.35. Определение N (h) по положению плазменной линии (Аресибо)
а — результаты интегрирования по временным разверткам при частоте приемников, смещенной
относительно частоты передатчика; б — полученный профиль электронной концентрации. Стрелкой
показано значение концентрации, найденное для максимума слоя F2 обычным ионозондом
7* 99

высоты связано с механическим движением антенн. Следовательно, на
результаты измерений, в принципе, могут накладываться временные
вариации параметров локатора или ионосферы^ Кроме того, при подобных
изменениях всегда необходимо учитывать изменение с высотой общего объема
рассеяния, образуемого пересечением диаграмм приемной и передающей
антенн.
Температурные профили
Электронная и ионная температуры определяются путем тщательного
измерения формы спектра сигналов. В случае двухпозиционного локатора
с непрерывным излучением измерения производятся непосредственно при
помощи группы фильтров в качестве анализатора спектра. Трудности
интерпретации вызываются наличием смеси цонов, а также тепловой
неравномерностью, когда Te=f=Ti (см. раздел 1.3.1).
При использовании импульсного локатора для спектрального анализа
выбирается часть отраженных сигналов на его временной развертке.
Один из методов [158], заключается в том что в схему приемника вводится
много кварцевых фильтров, перекрывающих диапазон 200—212 кгц
с интервалами около 500 гц9 что позволяет исследовать роковую полосу
отраженных сигналов в диапазоне допплеровских частот от 0 до 12 кгц.
Эти фильтры подключены к стробированному усилителю промежуточной
частоты, который выделяет участок развертки, соответствующий
интересующему нас интервалу высот. Выходное напряжение с каждого фильтра,
имеющего свой дополнительный усилитель, подается на линейный
детектор. Токи детекторов суммируются интеграторами, представляющими
собой усилители постоянного тока с собственной постоянной времени
в несколько часов. За 5 мин интегрирования напряжения достигают 50—
100 в и значительно превосходят возможный дрейф нуля усилителей
постоянного тока. Схемы синхронизации устроены так, что после каждого
измерения энергии рассеянного полезного сигнала выделяемая строби-
рованием часть разверки совпадает с тем диапазоном, в котором не должно
было быть сигнала, и измерения повторяются только в присутствии шума.
Это позволяет измерить отношение сигйал/шум на каждой частоте. За
5—10 мин получается экспериментальный спектр, содержащий 24 точки.
При таком методе спектр измеряется только на одной высоте и для
изучения диапазона ионосферных высот днем требуется около 1 часа, а ночью,
когда сигналы гораздо слабее, более 2 час.
Другой метод заключается в том, что сигналы промежуточной частоты
без стробирования поступают на группу согласованных фильтров (т. е.
фильтров, передаточные функции которых подобраны в соответствии с
функцией распределения мощности в импульсе). В этом случае можно
получить спектры для ряда задержек в ходе одного измерения.
Аппаратурные эффекты, в частности немонохроматичность изучаемого импульса,
имеют важное значение во всех импульсных радиолокационных системах
[109].
Для полученид наибольшей информации, содержащейся в спектре
W(Aft), необходимо, чтобы ширина спектра импульса не превосходила
V5 или Ve части ширины спектра рассеяния. Тогда длительность импульса
(сек)
т>1,5/ДД, (1.101)
и на возможную разрешающую способность по высоте для вертикального
зонд ирования накладывается ограничение
100

Это значит^то для тех импульсных локаторов, которые работают на
волнах X <^ 1 ле, приемлемую величину т можно подобрать для высот,
больших 250 ~-300 км. А для локаторов с X ^> 1 м (например, в Джика-
марке) эта граница поднимается до 1000 км.
Один из способов повышения разрешающей способности по высоте
заключается в передаче последовательных двух импульсов, разделенных
интервалом времени At, и последующем вычислении р (At) между
отраженными от интересующих нас высот сигналами. Варьируя временной
интервал At в пределах 0 ^ At ^ 1/Д/ь можно определить полную
автокорреляционную функцию, т. е. комплексное фурьепреобразование
функции W (Д/i). В этой автокорреляционной функции содержится та же
информация, что и в спектре рассеянного сигнала. При этом необходимо,
чтобы постоянная времени приемника была мала по сравнению с
минимальными значениями At, что ограничивает полосу пропускания
приемного устройства величинами
&>10ДД. (1.103)
Чтобы избежать статистической неопределенности, связанной с взаимной
интерференцией отраженных сигналов из-за одновременного попадания
в ионосферу обоих импульсов при At <^ 10 мсек, можно передавать
импульсы, поочередно меняя поляризацию, и принимать отраженные сигналы
на две соответствующие приемные системы. С ростом высоты ограничение,
накладываемое на полосу пропускания приемника, становится
неприемлемым. Поэтому для сравнительно длинноволновых локаторов метод
спаренных импульсов применяется главным образом при исследовании
нижней части ионосферы, до 300 км.
Если определено а, то при а -+• 0 можно, не прибегая к анализу
спектра рассеянного сигнала, сразу определить TJTt из выражения (1.71)
в== (1+<х»)(1 + 2уг4 + а«) " (1Л04>
Чтобы рассчитать сг, надо измерить полную мощность отраженного гиг-
нала при некогерентном рассеянии и, кроме того, каким-либо
независимым методом (фарадеевское вращение, метод плазменных линий, обычный
ионозонд) определить N на той же высоте. Проведенные эксперименты
показали, что значения TJTt, определенные таким способом и
полученные из спектральных измерений, хорошо совпадают [191].
Методика получения информации об ионном составе, дрейфе
заряженных частиц, соударениях, потоках быстрых электронов и направлении
магнитного поля изложена в разделе 1.3.1, где рассматривается влияние
перечисленных явлений на спектр рассеянного сигнала.
Особая ценность метода некогерентного рассеяния обусловливается
тем, что многие из описанных здесь наблюдений проводятся одновременно,
что равносильно запуску хорошо оснащенной ракеты. Возможность
повторения измерений соответствует последовательности подобных запусков,
а долговременные наблюдения вообще нельзя продублировать ракетами.
Наибольшую ценность, конечно, должны представлять комплексные
согласованные измерения при помощи ракет, искусственных спутников
Земли и метода некогерентного рассеяния.
1.4. Методы£разнесенного приема
Радиоволны, излучаемые естественными или искусственными
источниками вне Земли или наземными радиопередатчиками, после преломления
или отражения в ионосфере проявляют свойства, обусловленные
дифракцией в ионосфере. Изучение дифракционной картины на земной
поверхности является основой радиофизических методов исследбвания скоростей
101

и направлений движения неоднородностей в ионосфере, их размеров и
формы. Нерегулярная дифракционная картина непрерывно изменяется.
В общем случае эти изменения связаны как с дрейфом дифракционной
картины в целом, так и с изменениями структуры этой картины в процессе
движения. Разделить влияние каждого из указанных механизмов
возможно лишь при одновременном наблюдении отраженного или преломленного
радиосигнала в двух или более точках земной поверхности. Рассмотрим,
как можно на основании таких наблюдений определить скорость дрейфа
ж скорость изменения дифракционной картины в процессе ее движения.
Пусть нерегулярная амплитудная дифракционная картина
перемещается с постоянной скоростью V вдоль направления х; в пунктах А л В,
расположенных в направлении движения, одновременно регистрируются
временные вариации R (t). Если при движении картины в ее структуре не
происходит никаких изменений, то записи R (t) в точках А и В будут
идентичны, но изменения амплитуды в одном пункте несколько запаздывают
или опережают таковые в другом пункте. В этом случае скорость движения
картины легко определится из соотношения
7 = 1, (1.105)
где | — расстояние между пунктами А и В.
Если в процессе движения дифракционной картины в ее структуре
будут происходить хаотические изменения, то степень подобия
рассматриваемых записей R (t) будет уменьшена. Задача определения истинной
скорости движения такой картины может быть решена только в
предположении, что вариации амплитуды R (х, у, t) представляют собой
стационарный эргодический процесс (здесь х и у координаты точки). Задача
рассмотрена в [167], анализ решения и методика изложены в [58, 108].
Для определения средней формы, размеров, ориентации и
характеристик движения неоднородностей структуры дифракционной картины
необходимо знать обобщенную корреляционную функцию
*е.ч.'>- д.(.. v..)cp -[«(.Л .ос • (1106)
где | и г] — смещение вдоль соответствующих осей; т — временной сдвиг.
Из определения (1.106) следует, что функция корреляции ограниченная
и четная; следовательно, К (£, т], т) описывает некоторую центральную
поверхность с центром в точках | = 0, tj = 0, т = 0 и может быть
представлена в виде
К (I, г), т) = К (U), (1.107)
где U — полином четной степени относительно £, tj, т. В частности, при
достаточно малых £, tj, t в окрестности центра можно ограничиться
членами второго порядка
K{U) = К (ап|2 + 2а121ц + а22ц2 + 2а13Ь + 2а23г\х + а33т2). (1.108)
Дальнейшая задача сводится к преобразованию полинома U и к
выяснению значений коэффициентов aik. Необходимо отметить, что поверхность,
описываемая функцией С/, представляет собой эллипсоид; естественно, что
сечения этой поверхности плоскостями £ = const, т] = const или т =
= const будут эллипсами. Преобразование функции U осуществляется
путем перехода к новой системе координат, движущейся с постоянной
скоростью V и совпадающей с главными осями эллипсоида, тогда
аргумент функции К (U) примет простой вид:
102

причем
I = go cos a + ti0 sin a; Vx = Vxo cos a + Vyo sin a;
> . (1.110)
П = — io sm a + т]0 cos a; Fy = — VXQ sin a + Vyo cos a.
В (1.109, 1.110) а1Ъ a22, a33 —новые коэффициенты; Vx0i Vy0 — компоненты
скорости в новой — главной — системе координат (|0, т]0), и
анализировать функцию К (U0) удобно, рассматривая уровни равной корреляции
К = const. Если
К (U0) = const = у, (1.111)
то
Яп£о + «22Л0 + «зз^2 = const = А
и
а11 £2 J- Я22 2 1 Я33 г2 — 1
представляют собой эллипсоиды
Е2 п2 *2
Z2 + И* + _ = 1
^ &2 т2 ' (1.112)
где
AAA
a2 =7-, Ь2=7-"> т?=^
а11 Я22
Коэффициенты a, 6 и тс имеют явный физический смысл — а и Ъ
представляют собой размеры неоднородностей структуры на заданном уровне
7, ориентация большой оси а определяет направление вытянутости
(угол ос), а параметр тс характеризует хаотическую изменчивость функции
R (х, у, t).
Итак, определяя из эксперимента сечения функции К (U), можно
найти коэффициенты aik и рассчитать характеристики неоднородной
структуры — а, Ь, а, тс, V. Расчеты могут быть выполнены путем сопоставления
пространственной К (|, г), 0) и временной К (0, 0, t) корреляционных
функций [108]:
К (Б, л, 0) = К (au|2 + 2о„5л + а22Л2) (1.113)
и
К(0, 0, t) = К(а33т*). (1.114)
Рассмотрим сечение
*(0, 0, т) = *(&, ть 0)? , (1.115)
т. е.
aut2 + 2al2lr\ + a22ri2 = а33т\ (1.116)
обозначив
* т/ _ Л
У — Jl V —
* ex — _, » v су —
T
т (1.117)
и проводя замену переменных
103

L
\
\
\
\ у
4 //
Api
A^y$
№
/ //
/ // Л
1 A ^^
//
//ф
NA
_4£
; /
/.
ъ
6
Ф
' /
/
/
/ 1
Ac,
icb
\
\
/Ось а
/
\Y«
X
Ось б
N
4
Рис. 1.36. Схема расчета характеристического эллипса
а — расположение антенн; б — автокорреляционные и кросскорреляционные функции; в —
характеристический эллипс
получим:
яп
012
+ v;v^+2vcxvcy^ = i,
язз
Язз
(1.118)
где Vc — так называемая характеристическая скорость [108, 167].
Уравнение (1.118) описывает эллипс характеристических скоростей,
используемый для определения величин а, Ъ, а. Для построения эллипса (1.118)
достаточно знать значения Ус в трех неколлинеарных направлениях#
Соответствующие значения скорости Vc могут быть определены:
fC{OA)
А*.
т,'
С(ОВ)
Т2'
' С(АВ)
Тз
(1.119)
где тх, т2 и т3 определяются на основании (1.115). Эти величины могут быть
определены графически по кривым кросскорреляционных и
автокорреляционных функций К, рассчитанных для вариаций R (t), зафиксированных
в трех (А, В и О) точках земной поверхности (рис. 1.36а).
Из (1.118) следует, что вдоль координатных осей
£зз .
an '
V —
У су —
Озз
022
(1.120)
Постоянный коэффициент рассчитывается из определения радиуса
корреляции на заданном уровне у из соотношения
Обычно принимают у = 0,5; ty определяют графически (рис. 1.366).
Измерив по характеристическому эллипсу значения Vc вдоль главных
осей, находим
(1.121)
a = VCl
b~V<
cb *
и эксцентриситет
_я_ */ са л
~ b ~~ v\
cb
(1.122)
104

Для определения истинной скорости дрейфа V вводят понятие фронта
кажущихся скоростей V [108, 1671. Для определения V необходимо
проанализировать сечение функции К в одном из направлений х или у.
Например, в направлении х имеем
K(U) = K (ап£2 + 2а13|т + а33т2). (1.123)
Максимум этой функции имеет место в точке, где производная
K'AV) = о,
К'ч (U) = 2als| + 2а33х = 0, (1.124)
т. е
' _ «is (1.125)
L01
«S3
Аналогичная экстремальная точка существует для направления у —
— т02. Компоненты кажущейся скорости в этих направлениях
соответственно равны
f; = ~^ = -L, v'y=-a-^ = -i-- (i.i26)
а±з Toi Л22 To2
Прямая, проведенная через концы компонент кажущейся скорости Vx
и Vy, называется фронтом кажущихся скоростей. Значения т01, т02 могут
быть определены из графика (рис. 1.366). В [108, 167] показано, что
направление истинной скорости V (угол Ф) определяется как направление
ОР (рис. 1.36в) — от начала координат до середины хорды MN, а
величина V может быть рассчитана как
V = V7 ■ ±. (1.127)
Вместо параметра тс, характеризующего хаотическую изменчивость
функции R (х, у, t), удобнее рассматривать величину
(1.128)
ацХс
называемую скоростью хаотической изменчивости. Эта величина связана
с величинами Ус и V следующим соотношением
V2C = V?-V2 (1.129)
или, учитывая (1.127),
Vl = V(V - V). (1.130)
Из последнего соотношения следует очевидный вывод, что если
хаотические изменения малы (Vc -*• 0), то V ->■ V.
Итак, для определения размеров и ориентации неоднородностей
структуры дифракционной картины и характеристики ее изменчивости
необходимо регистрировать в трех точках, не лежащих на одной прямой,
временные вариации какого-либо параметра дифрагированного поля,
например амплитуды или фазы. По полученным записям проводится расчет
автокорреляционных и кросскорреляционных функций К0 (т), Ка.(т),
А'в(т), Коа{ъ), Ков(ъ), КавЫ-TIo графикам этих функций определяют
характеристические времена т2, т2 и т3, сдвиг максимумов
кросскорреляционных функций и радиус корреляции ty. Затем рассчитывают
характеристические^ скорости Vc (1.49) по трем направлениям, строят
характеристический эллипс и определяют величины a, b, e (1.121, 1.122). Для расчета
истинной скорости V на чертеж наносят фронт кажущихся скоростей ФФ
105

Рис. 1.37. Расчет скорости и
направления дрейфа
а — расположение антенн; б —
схема записи R (О; в — схема расчета
по рассчитанным величинам Vx и Vy (1.126). Направление скорости
дрейфа V (угол Ф) определяют как направление ОР от начала координат до
середины хорды MN. Измерив на чертеже величины V и Vc, рассчитывают
V (1.127). Величина Vc может быть подсчитана по формулам (1.123) —
(1.130).
Описанный метод известен в литературе как «метод полного
корреляционного анализа». Метод корреляционного анализа применим лишь при
выполнении следующих условий: а) исследуемый статистический процесс —
временные вариации дифракционной картины на поверхности Земли —
является стационарным эргодическим процессом; б) справедлива
аппроксимация контуров равной корреляции линейной положительно
определенной квадратичной формой.
Между тем из экспериментальных данных [108,115] хорошо известно,
что процесс R (х, г/, t) не является стационарным. Поэтому в дальнейшем
были разработаны способы нейтрализации нестационарности и были
выработаны критерии применимости корреляционного метода [58, 108].
На практике широко применяется упрощенный метод вычисления
скоростей и направлений движения дифракционной картины — так
называемый метод подобия [108, 115]. Он основан на измерении временных
сдвигов по характерным точкам (резким минимумам или максимумам) на
записях замираний. Этот метод дает точный результат при выполнении
следующих условий: а) дифракционная картина на уровне Земли должна быть
изотропна, т. е. ее статистические свойства не должны зависеть от
направления; б) в процессе дрейфа не изменяется форма дифракционной картины.
Дрейф происходит с постоянной скоростью.
' Обработка данных проводится следующим образом. Из имеющихся
записей выбираются записи с достаточно высоким подобием R (т) на всех
дорожках записи и с периодом фединга, позволяющим фиксировать
соответствующие друг другу моменты максимумов или минимумов амплитуды.
Анализируемая запись схематически изображена на рис. 1.376.
Проектируя запись с кинопленки на экран, имеющий масштабную сетку, проводим
измерения временных сдвигов тх и т2 для каждого максимума на записях
А и В (северная и западная антенны соответственно) относительно записи
О (центральная антенна). Знак сдвига, характеризующий направление
соответствующей компоненты скорости, определяется исходя из того, что
движение на север и на восток принимается положительным, а на юг и
на запад — отрицательным. Схема расположения антенн О, А, В показана
на рис. 1.37а.
Обозначим скорость дрейфа дифракционной картины V', а
направление дрейфа, отсчитываемого по часовой стрелке от направления на север,
— Ф. Тогда:
С 9
А а 0 *
106

где
ОА
1
J/'2— 1
ctg Ф
W и
и ОБ
W =
W
~ U'
, т. е
1
JJ'2
>
на
(1.131)
(1.132)
наблюдаемые компоненты скорости дрейфа в направлении
(1.133)
U' = £' (1.134)
где d — расстояние между антеннами. Схема графического определения
V по рассчитанным И>" и V показана на рис. 1.37в. Скорость дрейфа не-
однородностей на уровне ионосферы имеет то же направление, что и
скорость перемещения дифракционной картины на уровне Земли, но величина
ее в 2 раза меньше.
Таким образом, мы определяем величину скорости дрейфа V в м/сек
и азимут движения Ф в град.
В реальных случаях на записях выбирают участки максимальной
протяженности и определяют все возможные временные сдвиги между
минимумами или максимумами кривых R (£), а компоненты W и Uf определяют
по средним значениям [tjcp и [т2]ср:
°Р — ~1Г~ Ll2Jcp п
где п — число отсчетов.
На хороших записях для одного* сеанса наблюдений
продолжительностью 5 мин можно получить до 100 отдельных отсчетов.
Многочисленные наблюдения показали, что во многих случаях кривые
R (t) действительно высоко подобны и позволяют с достаточной точностью
определять временные сдвиги хг и т2. Однако нередко встречаются записи,
которые нельзя обработать описанным методом, например медленный
фединг. При этом невозможно найти достаточно резко выраженные
максимумы или минимумы на кривых замираний. Иногда записи R (t),
полученные для разных антенн, совершенно неподобны, что может вызываться
рядом причин, например наложением пучков волн, рассеянных
несколькими неоднородностями, перемещающимися различным образом
относительно друг друга. Усложнение дифракционного поля может быть также
следствием дробления сигналов в случае возмущенного состояния
ионосферы или анизотропности дифракционной картины. На ряде записей
временные сдвиги неоднократно меняют знак в течение 4— 5 мин. Такие
записи также не поддаются обработке методом подобия и свидетельствуют
о наличии в ионосфере сложных движений. В итоге удается обработать
методом подобия 30—40% имеющихся записей.
Временные сдвиги хг и т2 можно также определить по положению
максимумов кросскорреляционных функций (см. рис. 1.366). При этом способе
нахождения тх и т2 значительно увеличивается количество обработанных
записей R (t).
Измерительная установка для определения направлений
и скоростей горизонтального дрейфа
мелкомасштабных неоднородностей
Выше было показано, что для определения V (или V) и Ф
горизонтального дрейфа неоднородностей необходима регистрация процесса R (t)
по крайней мере в трех точках земной поверхности. Для этой цели может
быть использована измерительная установка, (рис. 1.38). описанная в
разделе 1.1.3
107

Прием сигналовв данной установке осуществляется на три антенны—i, 2
и 5, расположенные в вершинах измерительного треугольника;
высокочастотное- напряжение от каждой антенны поступает по фидерной линии
к приемнику (рис. 1.38а).
Для выделения и усиления сигналов рационально использовать один
приемник с антенным коммутатором (рис. 1.386), обеспечивающим
поочередное подключение приемных антенн к приемнику с достаточной
частотой, и синхронную регистрацию амплитуды сигнала, отраженного от
ионосферы и принятого в трех точках. Подключение антенн к приемнику —
первичная коммутация — осуществляется при помощи электронного
переключателя, представляющего собой комплект ламп или
полупроводниковых приборов, запертых в обычном состоянии и отпираемых в строго
заданной последовательности коммутирующими импульсами,
вырабатываемыми кольцевым генератором переключающих напряжений (рис. 1.38в).
Вторичная коммутация — разделение отраженного сигнала после
приемного тракта в соответствии с приемными антеннами —
осуществляется непосредственно в индикаторно-регистрирующем узле. На вход
усилителя горизонтального отклонения луча индикатора типа А поступает
напряжение высотной развертки от импульсного центра. Усилитель
вертикального отклонения луча этого индикатора имеет два входа, на
которые подается соответственно сигнал с выхода приемника и
коммутирующие импульсы, причем амплитуда каждого из них может плавно
регулироваться. Таким образом, соответствующий коммутирующий импульс
подключает данную приемную антенну к приемнику и обеспечивает
установку жестко связанной с антенной линии развертки на желаемом уровне
экрана индикатора.
Описанная система приемного тракта неизбежно ведет к потере
некоторого количества информации, так как за счет работы антенного
коммутатора происходит регистрация амплитуды лишь каждого fc-ro импульса
(где к — количество приемных антенн). Поскольку наивысшая частота
замираний принимаемых сигналов значительно ниже частоты
коммутации, потеря информации несущественна.
Устройство для получения коммутирующих импульсов состоит из
трех релаксационных генераторов с двумя устойчивыми состояниями. Эти
генераторы (рис. 1.38в) соединены в кольцо и запускаются импульсом от
импульсного центра [40, 108]. По такой схеме может быть включено
четыре и более каскадов. Релаксационные генераторы могут быть выполнены
на электровакуумных или полупроводниковых приборах.
Устройства выделения требуемого сигнала (стробирования), наблюдение
и регистрации R (t) совершенно аналогичны описанным в разделе 1.1.3. Не-
шиемноя
\антенна/
Приемная
\антенна2\
х
Приемная]
[антенна?
X
Антенный коммутатор
X
Приемник
Г~
Блок бторичной коммутации
Z3I
I
Кольцебой I
I ш—\генератор Г*1
Т ♦ ' ' I
От
импульсного центра
\Ревистрато(\
_П
С
Синхрощ
am mnyt
а 1 а От
импульсного центра
J~~L
£.
*ого
VJ
генераторЗ\
Рис. 1.38. Установка для измерения дрейфа
а — функциональная схема приемного тракта установки; б — схема работы
в — функциональная схема кольцевого генератора
итеннэго коммутатора;
108

обходимо подчеркнуть, что трудоемкость расчета корреляционных
функций делает особо целесообразным регистрацию процесса R (t) в виде,
удобном для непосредственного ввода в ЭВМ [16, 228].
В качестве приемных антенн могут быть использованы все типы антенн,
описанных в 1.1.3. Для работы на разных частотах необходимо
применение поляризационных антенн. Размещать приемные антенны удобно в
вершинах равностороннего прямоугольного треугольника, катеты которого
ориентированы по странам света. Такое расположение измерительного
треугольника несколько упрощает расчеты V и Ф. Размер сторон
треугольника не должен превышать радиуса пространственной корреляции
дифракционной картины [108]; для мелкомасштабных неоднородностей эта
величина принимается равной 100—200 м, для крупномасштабных
неоднородностей — 20—40 км!
На рис. 1.39 приведены образцы записей R (£), полученные на станции
Иркутск [94] в различных ионосферных условиях.
Пространственно-частотно-разнесенный прием
Как было отмечено выше, регистрация параметров отраженного
сигнала в нескольких точках земной поверхности позволяет определить
движения и структуры неоднородностей ионизации на соответствующей высоте,
т. е. в некотором горизонтальном сечении. Совершенно естественно, что
неоднородная структура характерна для всей ионосферы в целом и поэтому
измерение основных параметров ионосферных неоднородностей на
различных высотах представляет большой интерес. Нет никаких
принципиальных ограничений для проведения таких наблюдений на описанной выше
измерительной установке — для этого достаточно выполнить
последовательную серию наблюдений на нескольких частотах. Однако, учитывая весьма
быстрое изменение основных ионосферных характеристик, очень
желательно изучать свойства ионосферных неоднородностей одновременно на
нескольких высотных уровнях. Осуществить это можно на особой
измерительной установке, способной работать на двух или более частотах
одновременно.
Кроме того, если для среды, неоднородной по всем трем координатам,
регистрировать флуктуации параметра в четырех не лежащих в одной
плоскости точках, то методика, описанная в [108], позволяет определить
вектор, среднюю форму ориентации и параметры изменчивости объемных
неоднородностей. Совмещение пространственно-разнесенного приема
с частотно-разнесенным позволяет исследовать объемные свойства
ионосферных неоднородностей. Описание измерительных установок,
работающих на нескольких частотах, приведено в [108, 68, 152]. Обычно для этой
цели используют широкополосный усилитель в передатчике и два или более
задающих генератора подобно тому, как это описано в разделе 1.1.3.
109

Задающие генераторы работают в импульсном режиме и подключаются
к усилителю последовательно с частотой, в 2 раза меньшей обычной
частоты следования импульсов зондирования.
Например, при работе двухчастотной станции генератор 1 может
подключаться к усилителю четными командными импульсами, а генератор 2—
нечетными. Удобен вариант переключения частот посредством
полупроводниковых диодов, включенных параллельно контуру плавного
гетеродина (см. 1.1 Л). В зависимости от уровня напряжения, приложенного
к диоду, изменяется емкость его перехода и соответственно рабочая
частота ионозонда. Управляющее напряжение в виде импульсов
соответствующей последовательности может быть получено от импульсного центра.
Регулировка амплитуды управляющих импульсов в пределах от 0 до
100 в обеспечивает рабочие частоты с разницей от 2 до 800 кгц [68]. Для
приема отраженных сигналов в таких установках обычно используют
отдельные приемники на каждую частоту; индикаторно-регистрирующее
устройство не имеет существенных отличий от описанных.
Радиоастрономический метод
Радиоастрономический метод исследования неоднородной структуры
ионосферы основан на изучении сигналов «радиозвезд» [43,189], наземной
поверхности исследуется дифракционная картина от внеземного
радиоисточника. Поскольку в данном случае изучается поле преломленных
ионосферой волн, то наблюдаемая скорость перемещения дифракционной
картины будет соответствовать скорости движения неоднородного экрана.
Радиоастрономические наблюдения обычно выполняют в диапазоне
30—100 Мгц; нижняя граница этого диапазона определяется критическими
частотами области F ионосферы, на частотах более 100 Мгц влияние
ионосферных неоднородностей, по-видимому, незначительное. Такие
наблюдения удобны тем, что не требуют радиопередающих средств.
Необходимо учитывать, что перемещение дифракционной картины по
Земле обусловлено дрейфом ионосферы и суточным вращением Земли.
Измерить суммарную скорость этого перемещения можно, наблюдая за
движением дифракционных «пятен» при помощи трех приемников, антенны
которых расположены на поверхности Земли в вершинах треугольника.
При этом скорости определяются по времени движения пятна между
каждой парой антенн, а размер пятна — по времени прохождения пятна над
каждой из антенн.
Для изучения ионосферных неоднородностей и ветров
радиоастрономическим методом наиболее удобными источниками излучения как по
мощности, так и по координатам (для наблюдения в средних широтах) являются
«радиозвезды» в созвездиях Лебедь (а = 19°57', б = +40°) и Кассиопея
(а = 23°21\ б = +58°). Поскольку их склонения (б) отличаются на 18°,
радиоизлучение общих источников можно принимать на одну и ту же
неподвижную антенну, ширина диаграммы направленности которой в
направлении север — юг больше 20°, если ее ось направлена в плоскости
меридиана на склонение б = 1/2 (бх + б2).
Ниже кратко описывается радиоастрономическая измерительная
установка [43].
При исследованиях применялись три одинаковые неподвижные
антенны на волну X = 6 м, ориентированные в плоскости меридиана на
склонение б = 49,5°. Каждая антенна представляла собой параболоидальный
сетчатый отражатель с квадратной апертурой площадью 170 м2. Ширина
диаграммы направленности антенны (по уровню половинной мощности)
равна 21°. Фокусное расстояние параболоида 6,7 м. В фокусе отражателя
расположен полуволновый диполь и на расстоянии 0,2Я от него —
пассивный полуволновый отражатель.
110

В установке используются три приемника, расположенные в одном
пункте. Это упрощает управление установкой и позволяет вести все три
записи на одну ленту. Каждый приемник содержит двухкаскадный
усилитель высокой частоты, гетеродин, смеситель, четырехкаскадный усилитель
промежуточной частоты, детектор, двухкаскадный балансный усилитель
постоянного тока и записывающее устройство. Промежуточная частота
приемника составляет 10 Мгц, полоса пропускания 0,4 Мгц, постоянная
времени выходного устройства 0,5 сек. Питание анодных и накальных
цепей каждого приемника было стабилизировано (коэффициенты
стабилизации: ~10~3 для анодной и ~5-10~2 для накальной цепей).
Из полученных записей R (t) определяют временные сдвиги т. Величина
т может быть найдена методом подобия либо путем расчета функций
взаимной корреляции.
В компоненту скорости, соответствующую направлению запад —
восток, необходимо вводить поправку, учитывающую вращение Земли.
Для «радиозвезды» вблизи кульминации эта поправка равна (м/сек):
AF°-»= 86.103Cos(cp-6) ' <1Л35>
где h — высота дифрагирующего слоя; ф — широта места наблюдения;
б — склонение «радиозвезды».
Если принять h = 400 км, то для «радиозвезды» в созвездии Лебедь
AFB-3 = 16 м/сек и в созвездии Кассиопея AVB-3 = 23 м/сек. Поскольку
сама поправка мала, можно считать, что AFB_3 = 20 м/сек для обеих
«радиозвезд». Определение скорости и введение вышеуказанной поправки
удобно производить графически. При этом сразу получаются как
абсолютная величина, так и направление скорости относительно стран света.
Многоантенный прием
Методы определения V и Ф, описанные выше, не позволяют определить
истинную мгновенную Скорость дрейфа. Это можно было бы сделать, если
бы в распоряжении исследователя была модель дифракционной картины,
движение которой по земной поверхности связано с горизонтальным
дрейфом неоднородной ионизации в ионосфере. Такую модель можно
получить, используя совокупность большого числа приемных антенн.
Например, можно расположить антенны по окружности с радиусом,
равным А [58], допустим, через каждые 30°, а в центре окружности
установить опорную антенну. В случае большого сходства записей R (t)
в каждой приемной антенне можно ожидать, что взаимная корреляция
между записями в опорной антенне и в антеннах, расположенных
наиболее близко к направлению движения картины при некоторых
значениях т0, будет мало отличаться от единицы. Очевидно, что
максимальная взаимная корреляция между записями R (t) в опорной антенне и
любой другой будет меньше. Поэтому направление движения картины
мы можем определить из расположения антенн (по отношению к
опорной), для которых максимальная взаимная корреляция наибольшая. Зная
значение т0, соответствующее наибольшей максимальной корреляции,
мы можем вычислить скорость движения картины
То
Такой эксперимент позволяет также непосредственно оценить влияние
хаотических изменений в структуре дифракционной картины на изменение
величины скорости ее движения.
Другая серия экспериментов для детальной проверки зависимости
скорости ионосферного дрейфа от времени с использованием матрицы
антенн 4x4 описана в [200]. Шестнадцать рамочных ненастроенных
антенн с предварительными усилителями расположены в виде квадрата
111

4 x 4 с базой 100 м. Принятые сигналы по отдельным кабелям подводят
к специальному устройству, которое поочередно подключает
антенны к приемнику, сигнал с выхода которого поступает на
электроннолучевую трубку. Амплитуда заданного отражения, выделенного этим
устройством, задает яркость соответствующего пятна, положение которого
на экране соответствует положению данной приемной антенны. Таким
образом получается/Совокупность пятен 4x4, яркость которых моделирует
дифракционное поле на Земле. Распределение яркости пятен можно
регистрировать с одновременной оценкой и записью направления Ф, скорости V
и характерных особенностей картины; можно также производить
киносъемку.
В работе [168] описана система антенн, состоящая из 89 скрещенных
диполей. Эта система представляет собой антенную решетку
приблизительно круглой формы и может использоваться на частоте 2,0 или 6,0 Мгц.
Эта антенная система является очень гибким инструментом, который можно
использовать в различных экспериментах по физике верхней атмосферы.
Для сохранения фазы электрическая длина каждой фидерной линии
сделана кратной половине длины волны на обеих частотах. Каждая пара
скрещенных диполей может использоваться, если необходимо, для
обеспечения круговой поляризации. Экспериментатор может подключать нужные
ему антенны через ручной антенный коммутатор.
Для наблюдения за ионосферным дрейфом каждую из 89 антенн
подключают к своему приемнику; амплитуда сигнала на выходе приемника
определяет яркость соответствующего индивидуального индикатора на
некотором экране. Индивидуальные индикаторы ориентированы в системе
так, что после сглаживания картины с помощью матового стекла можно
наблюдать правдоподобную модель наземной картины.
В установке предусмотрена запись сигнала с выхода приемников
в цифровой форме. Сканирующее устройство подключает 89 каналов
последовательно с частотой 5 гц на каждый канал. Скорость дрейфа
определялась путем вычисления двумерной корреляционной функции амйлитуды R(t)
при фиксированных временных интервалах. Эта функция будет
минимальна в некоторой точке, соответствующей вектору скорости картины
за время между двумя сканированиями. Результаты измерений не зависят
от того, меняется или нет форма картины при ее движении [168].
Естественно, что матрица антенн, подобная описанной в [168, 186,
200], может использоваться как единая система для фазовых измерений.
Измерение скоростей и направлений
горизонтального дрейфа крупномасштабных неоднородностей
Амплитудный метод не может быть использован для наблюдения за
неоднородностями с горизонтальными размерами в десятки и сотни
километров, так как при увеличении расстояния между приемными пунктами
на несколько рабочих длин волн наступает быстрое раскоррелирование
процессов R (t). В работах [60—62] показано, что от указанного
недостатка свободен способ регистрации временных вариаций фазы отраженных
от ионосферы сигналов. Там же показано, что влияние малых и крупных
неоднородностей на фазу радиосигнала различно — первые изменяют фазу
на величину порядка 2я, а вторые — на несколько десятков я.
Измерительная система для наблюдений этим способом состоит [60—
62, 108] из трех идентичных установок, расположенных в вершинах
треугольника со сторонами 28—62 км. Установки связаны между собой
линиями связи для передачи синхросигналов. Каждая установка имеет
систему передающих и приемных антенн, передатчик, приемник, фазометр,
индикатор и регистратор (рис. 1.40а). Установка работает в диапазоне
1,5—20,0 Мгц [108].
112

Передатчик
УМ
ЗГ
Модулятор
I—Т
АК
I Синхро-
низагпор
СМ
Канал
\-\ опорного
напряжения
ГЕТ
X
увчЫсм \Аупч
Фазометр
щ.
Канал подсбе-
чибаюии
импульср(
р| ^да/ощш
J \Фотоинд&-У
I - J IKMOP Q
чб5.кги.
ГГ5
J<\
НУНЧ
"<ГН
-А.
Приемник
wwwvwv
-JUUUIUL
-I
i
JjL.
Рис. i.40. Функциональная схема приемного тракта установки для
измерения дрейфа фазовым методом
Пояснения см. в тексте
Непрерывные высокочастотные колебания от задающего генератора
(ЗГ) подаются на вход импульсного усилителя мощности (УМ)
передатчика, где усиливаются и излучаются антенной. Антенный коммутатор
(АК) блокирует вход приемника на время, когда в антенну поступают
мощные зондирующие импульсы передатчика.
С выхода усилителя промежуточной частоты приемника отраженный
от ионосферы сигнал подается на вход фазометра в канал формирования
«фазовых импульсов» подсвета. В этом канале синусоидальные колебания
465 кгц преобразуются в последовательные короткие (длительность
примерно 0,2 мксек) импульсы отрицательной полярности, имеющие частоту
повторения 465 кгц. Эти импульсы поступают на катоды фотоиндикатора
и визуального индикатора в качестве подсвечивающего напряжения.
Опорное когерентное напряжение 465 кгц, с которым сравнивается фаза
принятого сигнала, формируется другим каналом фазометра (канал
опорного пилообразного напряжения или, кратко,— канал «пилы»),
В этом канале фазометра колебания от задающего генератора смешиваются
с колебаниями гетеродина приемника, настроенного на частоту передачи.
Колебания разностной частоты, т. е. 465 кгц, затем превращаются в
пилообразное напряжение, имеющее также частоту повторения 465 кгц. Это
опорное напряжение подается на вертикальные отклоняющие пластины
электроннолучевых индикаторов.
На рис. 1.406 изображена форма напряжений на выходе двух каналов
фазометра. Заметим, что пилообразное напряжение непрерывно, а фазовые
импульсы имеют вид цуга, длительность которого соответствует
длительности отраженного сигнала (приблизительно 100 мксек). В итоге на экране
8 Ионосферные измерения
из

индикатора фазовыми импульсами подсвечивается фазовая точка на пиле*
когерентного напряжения. При измерении разности фаз между принятым»
сигналом и когерентным напряжением эта яркость (фазовая точка)
перемещается вверх или вниз в зависимости от знака изменения разности фаз^
При механической протяжке кинопленки в горизонтальном направлении
и фотографировании получается запись в виде «пил» различного наклона».
Одна такая пила соответствует изменению фазы на 2я.
При исследовании крупных неоднородностей достаточна скорость
механической протяжки примерно 3 см/мин. Чтобы на фотоиндикаторе
видна была только фазовая точка и отсутствовала пила когерентного
напряжения, на управляющий электрод электроннолучевого индикатора иа
блока хронизатора подаются стробирующие импульсы регулируемой
длительности (0—350 мксек), амплитуды и задержки. Регулировкой
статического запирания трубок, амплитуды и длительности стробов, а такжа^
амплитуды фазовых импульсов добиваются нужной яркости и фокусировка
фазовых точек. Стробирующие импульсы обеспечены регулируемой
временной задержкой относительно зондирующего сигнала.
Визуальный индикатор позволяет выбрать и контролировать объект
регистрации. На индикаторе (тип А) видны амплитудная и фазовая
картины, а также положение стробирующего импульса. На управляющую»
сетку визуального индикатора с хронизатора подается смешанный сигнал
подсвета, состоящий из прямоугольного положительного импульса,
соответствующего прямому ходу горизонтальной развертки, и стробирующего*
сигнала. Эпюра этого напряжения показана на рис. 1.40в.
Регистрация фазовых изменений производится одновременно в трех
пунктах; длительность одного сеанса наблюдений должна обеспечивать
достаточный объем выборки — обычно она составляет 4 часа. Обработка
записей сводится к подсчету чдсла изменений фазы на 2я за каждую
минуту, т. е. к определению величины Дср/Д*. Полученные данные являются
исходными для получения корреляционных функций и определения
параметров неоднородной структуры ионосферы методом корреляционного
анализа.
При обработке записей необходимо принимать меры для исключения
медленных суточных вариаций фазы.
Измерение направления и скорости
ионосферного дрейфа при помощи ионозонда,
установленного на самолете
Способ измерения дрейфа при помощи перемещающейся в пространстве-
ионосферной станции заключается в следующем [126, 181]. Пусть мы имеем
возможность перемещать ионозонд в пространстве с известной скоростью;
удобнее всего это передвижение осуществлять по круговой траектории.
Ионозонд должен работать на фиксированной частоте; регистрируется
амплитуда отраженного сигнала.
По результатам измерений рассчитывают скорость замиранрй сигнала
g в зависимости от курса ср перемещения ионозонда,
*(Ф>=дГ'
где AR — изменение амплитуды сигнала за время At.
В случае, когда курс ионозонда и направление дрейфа совпадают и их
скорости соизмеримы, g (ср) будет минимальной, в противном случае
скорость g (ф) будет максимальной.
Если скорость g изменяется линейно относительно разности скоростей;
ионозонда V3 и неоднородностей F, то
т^г = т = г> (1Л36>
114

где
а = 8 (ф)тах, Ъ = g (q>)min.
Вычислив г из опытных данных, можно определить величину
v Кз г + 1
Для практической реализации этого метода можно поместить ионозонд
на самолет и проводить регистрацию R (t) при полетах по кругу. Метод
имеет большое значение для исследования дрейфов в ионосфере над
труднодоступными областями (Арктика, Антарктида и т. д.). Кроме того, если
совершать полеты по прямой линии и регистрировать обычные ионограммы
ионосферных слоев, можно судить о размерах неоднородностей. Ниже
кратко описывается ионосферная измерительная установка,
смонтированная на самолете [126].
Ионозонд позволяет получать высотно-частотные характеристики с
борта самолета или записывать амплитуду отраженного сигнала на
фиксированной частоте. Он предназначен для установки на самолете типа ИЛ-14.
Функциональная схема ионозонда обычная.
Для работы ионозонда на самолете применяются две антенны — для
приемника и для передатчика. Питание аппаратуры осуществляется от
бортсети самолета. Напряжение бо тсети 28в) при помощи двух
преобразователей МА-1500 преобразуется в напряжение 115в с частотой 400 гц.
Устройство для измерения дрейфа с самолета представляет собой
приставку к ионозонду, позволяющую записывать амплитуду любой из маг-
нитоионных компонент отраженного сигнала на одной из фиксированных
частот в диапазоне 2—10 Мгц. Приставка состоит из генератора строби-
рующих импульсов, выходного устройства и записывающего прибора.
Необходимый для записи сигнал выделяется при помощи стробирующих
импульсов. Эти импульсы управляют работой пикового детектора так, что
отраженный сигнал поступает на записывающее устройство только в
течение времени их появления, поэтому выходное напряжение пикового
детектора содержит только напряжение выбранной компоненты.
Постоянная времени пикового детектора 0,5 сек. При этом выходное напряжение
будет следовать как за медленными, так и за быстрыми изменениями
сигналов. С выхода пикового детектора напряжение сигнала подается на
усилитель тока, в катодную цепь которого включен вибратор шлейфового
осциллографа типа МПО-2 (Н-102). На второй вибратор подаются метки
времени. Скорость протяжки пленки выбрана 12 см/мин.
1.5. Радиолокация метеорных следов
Метеоры, наблюдаемые визуально или при помощи радиолокаторов,
порождаются метеорными телами массой менее 1 г. Метеорные тела
испытывают ускорение за счет притяжения Земли и испаряются в плотных
слоях верхней атмосферы. Испарение метеорных тел происходит на
высотах 80—115 км, т. е. в области Е и частично в области D ионосферы.
Область атмосферы, в которой наблюдаются метеорные следы, называется
метеорной зоной. При испарении метеорного тела образуется след с
линейной плотностью электронов 1011—1013 эл/см. Весь процесс ионизации
занимает [87] 10~4—10~5 сек, и практически все ионы в момент образования
следа находятся на расстоянии нескольких длин свободного пробега для
нейтральных частиц. Таким образом, метеорный след представляет собой
образование, продольные размеры которого много больше поперечных.
Немедленно после возникновения след начинает дрейфовать вместе с
окружающими массами газа и расширяться. Расширение следа происходит
вследствие амбиполярной диффузии.
8* 115

Наблюдения за метеорными следами позволяют получать информацию
о регулярных и нерегулярных движениях воздушных масс, находить
коэффициент амбиполярной диффузии, рассчитывать высоту однородной
атмосферы, плотность атмосферы и давление. Основным методом
наблюдения метеорных следов является радиолокация; чаще всего рабочая
частота лежит в пределах 30—50 Мгц, при увеличении частоты падает
численность наблюдаемых метеоров и длительность их наблюдения, при
уменьшении частоты появляются сильные помехи за счет отражения
радиоволн от различных неоднородностей ионизации в ионосфере [89]. Условия
отражения радиоволн от метеорных следов подробно рассмотрены в
обзорной работе [87].
При наблюдениях с помощью радиолокатора определяют расстояние
до следа (дальность), высоту следа, направление и скорость его
перемещения и изменение амплитуды отраженного сигнала в процессе рассеивания
следа.
Дальность d до метеорного следа определяется непосредственно по
данным радиолокатора; высота отражающей области следа h
рассчитывается как
u = dsini|), (1.137)
где <ф — угол места.
Направление и скорость движения следа можно определить по
изменению дальности d за определенное время или по сдвигу частоты
отраженного сигнала. При движении метеорного следа со скоростью Vd (по лучу
радиолокатора) за счет эффекта Допплера будет возникать частотный
сдвиг
A/=|2Fd/, (1.138)
где / — рабочая частота радиолокатора. Находя А/ из опытных данных,
можно рассчитать радиальную составляющую скорости. дрейфа Vd.
По мере расширения следа за счет диффузии амплитуда отраженного
сигнала экспоненциально убывает. Длительность отражения т,
определяемая как время уменьшения амплитуды в е раз, равна [87]:
где D — коэффициент амбиполярной диффузии.
По значениям коэффициента амбиполярной диффузии, полученным из
опытных данных, можно определить высоту однородной атмосферы Н
[89]
В [86] подробно обсуждены границы применимости соотношений (1.139)
и (1.140).
Радиолокацию метеорных следов можно проводить как в непрерывном
режиме генерации колебаний, так и в импульсном режиме. Работа
установки в непрерывном режиме [216] обеспечивает сравнительно простым
способом измерение допплеровского сдвига частоты Д/. При этом теряется
значительная часть информации о метеорном следе и о процессах в верхней
атмосфере. Кроме того, возникает ряд технических трудностей —
необходимость пространственного разноса передатчика и приемника и др.
Регистрация амплитудно-временных характеристик отраженного
сигнала в импульсном режиме работы позволяет получить более полную
информацию о процессах в верхней атмосфере. При этом необходимо учиты-
il6

вать следующее: средние скорости ветров в метеорной зоне составляют
несколько десятков метров в секунду, отражения радиоволн от метеорных
следов наблюдаются лишь десятые доли секунды. Следовательно, за время
существования отражения расстояние от радиолокатора до метеорного
следа изменяется всего на несколько метров. При дальности наблюдения
в 200—300 км зафиксировать такие изменения трудно. Усложнение
регистрирующего устройства введением точной развертки по дальности и
соответствующего генератора меток дальности не дает существенных
результатов. В одной из первых установок длительность точной развертки была
выбрана равной 5 км, метки дальности — через 1 км; это обеспечило
разрешающую способность примерно 50 м. Несмотря на простоту и
возможность использования стандартной передающей аппаратуры, способ
определения скорости и направления ветра по измерению за известное
время дальности до следа не получил широкого распространения. Поэтому
для извлечения максимального количества информации применяют им-
пульсно-когерентный метод зондирования и регистрируют амплитудно-
временные и фазово-временные характеристики отраженного сигнала [88,
182]. Сущность импульсно-когерентного зондирования состоит в том, что
усилитель мощности передатчика станции работает в импульсном режиме,
а допплеровская частота выделяется путем сравнения частоты отраженного
сигнала и частоты задающего генератора. В СССР исследования процессов
в метеорной зоне широко проводились в Харькове [86—89]; ниже
приведено краткое описание основных узлов этой установки.
Передатчик
Радиолокационная станция в Харькове работала на частоте 36,9 Мгц.
Задающий генератор функционирует в непрерывном режиме на частоте
6,15 Мгц, частота колебаний контролируется кварцем. В последующих
каскадах передатчика осуществляются умножение частоты, импульсная
модуляция и усиление мощности. Длительность импульса 10 мксек,
частота следования импульсов — 500 гц, кодовых (сдвоенных) — 100 гц,
импульсная мощность на выходе передатчика 75 кет, кодированное
излучение позволяет однозначно определить дальность до следа.
Антенны
Для передачи и приема в указанном диапазоне частот наибольшее
применение находят антенны типа «волновой канал». В одиночной антенне
употребляются три — пять элементов; для повышения точности измерерия
компонент скорости дрейфа целесообразно применять антенны, имеющие
в горизонтальной плоскости узкую диаграмму направленности, например
синфазную антенну, состоящую из нескольких антенн типа «волновой
канал». Для измерения различных компонент скорости дрейфа необходимо
предусматривать две антенны, ориентированные по направлениям север —
юг и восток — запад, или использование антенны с поворотным
устройством.
Приемное и регистрирующее устройства
Приемное устройство состоит из двух основных приемников: первый
предназначен для получения фазово-временных и амплитудно-временных
характеристик, а второй — для определения угла места (для вычисления
высоты прохождения следа по известной дальности и углу места). Назовем
условно первый приемник фазовым, а второй — высотным. Кроме того,
имеется приемник помех для защиты от импульсных помех.
Фазовый приемник (рис. 1.41) — супергетеродинного типа с кварцо-
ванным гетеродином. Приемник имеет два канала: амплитудный (верхняя
117

^ITKTVf
г И 4
6 h\ в Ы и p&J
—15 H 7 Ы 9 HH /z 1—*~
т I L—, *
Рис. 1.41. Функциональная схема
приемного тракта установки для радиолокации
метеорных следов [87]
1 — усилитель высокой частоты; 2 — гетеродин;
3 — смеситель; 4,7 — блок умножения частоты;
5 — смеситель опорного сигнала; 6 — усилитель
промежуточной частоты; 8 — амплитудный
детектор; 9 — фазовый детектор 10 фазовращатель;
11, 12, 14 — видеоусилители; 13— фазовый
детектор; А — амплитудный выход; Ф — фазовые
выходы
часть схемы) и фазовый (нижняя часть схемы). Амплитудный канал
необходим для получения амплитудно-временных характеристик (для расчета
скорости метеорного тела и нахождения индивидуального радианта) и
определения расстояния до следа.
В фазовом канале выделяется допплеровская частота. При измерении
ветров этот канал является основным. Допплеровские частоты
выделяются следующим образом. На фазовый детектор приемника подаются два
сигнала — опорный и отраженный от следа. Опорный сигнал формируется
в результате преобразования и умножения из сигнала кварцованного
гетеродина приемника и сигнала частотой 6,15 Мгц, подаваемого с
задающего каскада передающего устройства станции. Отраженный от следа
сигнал, подводимый к детектору, получается из сигналов того же самого
кварцованного гетеродина приемника и сигнала с частотой 36,9 Мгц
после преобразования и усиления. Частоты сигналов, опорного и
отраженного от следа, отличаются только на частоту допплеровского сдвига. При
работе на волне к = 8 м такая частота получается равной единицам и
десяткам герц. Для определения направления перемещения метеорного
следа («к нам» или «от нас») применяется второй фазовый детектор, на
который опорный сигнал подается после предварительного сдвига на 90°.
Таким образом, к первому детектору подводится напряжение опорного
сигнала
U о = Um0cos(o0t (1.141)
и полученное от приемника напряжение отраженного сигнала
Un=UmnCOS<»n[t-2^W}
(1.142)
где d — дальность до следа; Vd — радиальная скорость следа.
На выходе детектора получается напряжение
Ubi= Umbcos(Qt + yd), (1.143)
где Q — допплеровская частота.
На выходе второго детектора, к которому сигнал Un подведен со сдвигом
я/2, получается напряжение
Ub2 = Umbcos(Qt + <pd+ |]. (1.144)
Если направление перемещения следа изменится на обратное, то сигналы
на выходе детекторов будут описываться уравнениями:
Ubl = Umbcos(Qt— cpd),3
Ub2 = Umb cos (Q* — 9d — у
(1.145)
Напряжение, снимаемое с выходов фазовых детекторов, усиливается
и подводится к вертикально отклоняющим пластинам раздельных лучей
118

деухлучевой осциллографической трубки. На горизонтальные пластины
подается пилообразное напряжение, вырабатываемое блоком ждущей
гразвертки.
Для определения горизонтальной составляющей скорости, помимо
радиального значения, необходимо знать угол места. Этот же угол при
.известной дальности определяет высоту отражающей области следа метеора.
Угол, или местоположение следа, определяется различными методами.
В [87] описан метод, в котором использовались различия в вертикальной
плоскости диаграмм направленности двух приемных антенн. Для
однозначности результата и упрощения градуировки и проверки обычно
применяются простые антенны — горизонтальные вибраторы или вибраторы
с рефлектором, поднятые над Землей на четверть и половину волны.
Антенны рекомендуется помещать над металлической сеткой. Размеры сетки
должны превышать размеры первой зоны Френеля для углов места,
которые измеряются.
Наличие кода позволяет повысить точность определения отношения
«сигналов, получающихся на приемных вибраторах высотомера. Два
вибратора подключены к антенному коммутатору. Коммутатор в определенном
порядке подключает вибраторы ко входу высотного приемника (один
вибратор подключается с частотой 500 гц, а второй — 100 гц) только на
время действия второй кодирующей последовательности импульсов.
Подавая напряжение с выхода высотного приемника на вертикально
отклоняющие пластины, а на горизонтально отклоняющие — пилообразное
напряжение, получаем на экране трубки две наложенные одна на другую
амплитудно-временные характеристики: одна с последовательностью
импульсов 500 гц, а вторая — 100 гц.
Идентичность каналов обоих вибраторов высотомера систематически
проверяется, для чего оба вибратора устанавливаются на одинаковую
высоту. Проверка может проводиться как в рабочих условиях (при н»ри-
*еме сигналов, отраженных от метеорного следа), так и от специально
вынесенного излучателя. Если амплитуды различны, то усиление сигналов
выравнивается в одном из каналов. Для повышения точности определения
высоты результаты обычно проверяются каким-либо вспомогательным
методом.
Высотный приемник — супергетеродинного типа; в нем особое внима-
гаие должно уделяться достижению линейности характеристики и
расширению динамического диапазона.
Опыт показал, что вполне достижимо доведение погрешности в
определении высоты до ±(2—3) км в рабочем участке углов места. Если не
требуется такая точность, то высоту можно определять по постоянной
времени уменьшения амплитуд сигналов, отраженных от ненасыщенных
метеорных следов. Помимо амплитудно-временных характеристик, в этом
случае необходимо знать высотную зависимость коэффициента амбиполяр-
сной диффузии*
Развертка дальности запускается с частотой 100 гц импульсами, выра~
«батываемыми синхрогенератором. Для амплитудных и фазовых каналов
развертка запускается импульсами, сформированными из сигналов,
отраженных от следа, прошедших через систему защиты от помех и имеющих
уровень, превышающий уровень дискриминации.
При отсутствии приема полезных сигналов экраны
электронно-лучевых трубок затемнены, объектив регистрирующей фотокамеры открыт.
Импульсы, подсвечивающие поданные на пластины трубок сигналы,
формируются в канале запуска разверток и существуют в течение 0,2—0,4
*сек (в зависимости от выбора длительности развертки). После окончания
развертки производится смена кадров. Наиболее подходящая регистрация
люкадровая. Во время смены кадров канал запуска заперт, что исключает
^засвет фотопленки в этот момент.
119

Погрешность определения высоты зависит от того, насколько точна
измеряется расстояние до следа. Для увеличения точности определения
расстояния на одну развертку дальности вводятся два типа дистанционных
меток: через 100 и 25 км или через 100 и 10 км. Эти типы меток
различаются амплитудой.
1.6. F-рассеяние как метод изучения
ионосферных неоднородностей
Сигнал, отраженный от ионосферы, несет большое количество
информации о структуре отражающей области. В частности, информация
содержится в форме пришедшего сигнала. Как правило, зондирование
производится импульсами, форма которых близка к прямоугольной. При отражении
в ионосфере форма импульса меняется — кроме чисто дисперсионнога
[53] уширения сигнала, наблюдается искажение формы за счет
отражения на неоднородностях. Эти изменения весьма значительны даже в
условиях спокойной ионосферы (рис. 1.42а). При ионосферных возмущениях
иногда сигнал, отраженный от области F ионосферы, имеет значительна
большую продолжительность, чем зондирующий импульс (рис. 1.426).
Это явление часто интерпретируется как рассеяние сигналов от области
F — диффузные отражения, мультиплеты, рассеянные отражения.
Принято считать [3, 115, 166], что при существовании рассеянных отражений
отражающая область ионосферы состоит из многих групп облаков
(неоднородностей), охватывающих большое пространство как по высоте, так ж
в горизонтальном направлении. В такие периоды ионосфера имеет
наиболее выраженную неоднородную структуру. Появление рассеянных
отражений связано с усилением неоднородностей в области F и с их
движением. «Явление рассеянных отражений» определяется следующим
образом [206].
Термин «явление рассеянных отражений» применим к явлению,
наблюдаемому в средних и низких широтах, а особенно часто в полярных
областях, когда сигнал, отраженный ионосферой, становится диффузным,
теряет свою строго определенную структуру и простирается в область частот
выше критической частоты. Это определение математически недостаточна
корректно и в известной степени субъективно.
Рассеянные отражения проявляются на ионограммах весьма
разнообразно. Иногда такие отражения охватывают почти весь диапазон частот,
иногда они встречаются только вблизи критической частоты или, напро-
Рис. 1.42. Искажение формы
импульса за счет рассеяния в
ионосфере
а — последовательность кадров
(через 2 cek)i показывающих
искажение зондирующего импульса; б —
форма отраженного ^сигнала при
наличии диффузности
12а

Рис. 1.43. Примеры /^-рассеяния на ионо- Рис. 1.44. Схемы мультиплетов
граммах
а — высокие широты; б — средние широты;
в — низкие широты
тив, на низкочастотном конце следа. Степень (интенсивность) рассеянияг
меняется в очень широких -пределах. Для описания и оценки рассеяния
было предложено несколько классификационных схем.
В общей классификации рассеянные отражения можно разделить на
три большие группы в соответствии с геомагнитной широтой станции
наблюдения [115]: 1) низкоширотные (ниже 20° геомагнитной широты);
2) среднеширотные (20—60° геомагнитной широты); 3) высокоширотные
(выше 60° геомагнитной широты).
На ионограммах низкоширотных станций (рис. 1.43в) явление
рассеянных отражений простирается по оси частот и не зависит от частоты в
широком диапазоне. Напротив, для высоко- и среднеширотных станций
(рис. 1.43а, б) рассеянные отражения на ионограмме концентрируются
по вертикали, захватывая область критических частот. Нужно отметитьг
что классификация рассеянных отражений по широтному признаку не
однозначна, так как иногда ионограммы, полученные в экваториальных
областях, весьма похожи на ионограммы, полученные в полярных
областях [115, 210].
Поэтому такой классификации можно предпочесть систему,
предложенную МакНиколом, Уэбстером, Боуманом [201]. Эти исследователи
предложили разделять явление рассеянных отражений на два типа:
1) «рассеяние по высоте», когда низкочастотный конец ионограммы имеет
диффузный характер из-за дополнительных отражений, что затрудняет
определение кажущейся высоты. При данном типе рассеяния критические
частоты могут быть легко определены; 2) «рассеяние по частоте», когда
ионограмма имеет диффузный характер в районе критических частот
(критическая частота дополнительных отражений больше, чем для основного
следа), что создает затруднение в определении критических частот. Иногда
оба типа рассеянных отражений могут наблюдаться одновременно.
Рассеяние по частоте обычно отождествляют со среднеширотным типом
рассеяния, а по высоте — с экваториальным.
На многих ионограммах, содержащих рассеянные отражения,
обнаруживается большое число мультиплетов (сопутствующих или сдвоенных
121

Рис. 1.45. Классификация рассеянных отражений [115]
отражений, лежащих около основного отражения от области F). Часто
хорошо развитому явлению рассеянных отражений предшествует
дублетное отражение от области F (в этом случае одно сопутствующее отражение
ясно отделялось от основного следа). На рис. 1.44 приведены схемы
сдвоенных отражений.
Присутствие рассеянных отражений легко определить по ионограммам
или ионосферным таблицам часовых значений параметров jF2, где наличие
рассеянных отражений указывается символом F. Однако' наличие символа
не дает информации об интенсивности рассеянных отражений, которая
может изменяться от небольшого рассеяния, практически не влияющего
на определение критической частоты, до полной маскировки критических
частот. Было предложено несколько схем, оценивающих количественно
интенсивность рассеянных отражений, появляющихся на ионограммах.
Наиболее распространена классификация рассеянных отражений,
предложенная в работах [166, 226, 227]. Степень рассеивания определяется
по табличным данным F2 или непосредственно по ионограммам [182],
причем для каждого случая определяется индекс рассеяния в масштабе
0—3 по следующему правилу: 0 — рассеяние отсутствует; 1 —
наблюдается очень слабое рассеяние; критическая частота слоя F2 легко
определяется;]^ — рассеяние довольно значительное и определение
критических частот становится сомнительным, в таблицах перед значением F2
появляется символ; 3 — рассеяние настолько сильное, что магнитоион-
ные компоненты сливаются и критическую частоту слоя F2 определить
невозможно. На рис. 1.45 показана данная классификационная схема,
составленная по ионограммам, полученным на станции Иркутск.
При сравнении суточных кривых индексов рассеянных отражений,
полученных из таблиц и непосредственно из ионограмм, обнаружено, что
действительное значение индексов, полученных из ионограмм, выше
значений, полученных из таблиц. Следовательно, при исследовании
интенсивности рассеянных отражений желательно использовать ионограммы.
Эта система очень удобна для изучения среднеширотного типа рассеянных
отражений, поскольку определяет интенсивность рассеяния в области
критических частот.
Для изучения экваториального и высокоширотного типов рассеянных
отражений принимают другие системы индексов.
Таким образом, наблюдать рассеянное отражение, классифицировать
его и оценивать его интенсивность можно, просматривая стандартные
ионограммы вертикального'зондирования наземных или космических ионо-
зондов. Однако для детального изучения некоторых особенностей
обсуждаемого явления применяют специальные методы наблюдений.
Исследовать динамику процесса возникновения и развития явления рассеянных
отражений можно путем непрерывной регистрации действующих высот и
критических частот (см. раздел 1.1.1).
Наблюдение формы отраженного сигналу на
индикаторе типа А (на фиксированной частоте). Обычно отра-
122

женный сигнал при рассеянии представляет собой группу импульсов,
состоящую из большого числа дискретных, непрерывно изменяющихся
сигналов. Такая группа занимает на шкале высот расстояние от
нескольких десятков до нескольких сотен километров. Наблюдения этих
отражений на развертке типа А и последовательная регистрация (киносъемка)
позволяют изучить их основные временные вариации [2]. Данный метод
пригоден в основном для исследования «рассеяния по высоте».
Реализация таких наблюдений весьма трудоемка и дорога.
Изучение углов прихода отраженного
сигнала. Измерение углов прихода (азимута и зенитного угла) отдельных
сигналов в группе импульсов рассеянного отражения в сочетании с
точными измерениями дальности этого же сигнала является первостепенной
задачей исследования рассеянных отражений. Такие измерения
позволили бы разрешить вопрос о локализации неоднородностей ионизации,
вызывающих исследуемые явления. К сожалению, насколько известно по
литературным данным, подобного рода наблюдения проводились лишь
в нескольких пунктах по весьма неполной программе. Объясняется это,
по-видимому, большими техническими трудностями создания
остронаправленных антенн коротковолнового диапазона. Обычно для этой цели
осуществляют прием радиосигнала на параллельно разнесенные рамочные
антенны, ограничиваясь измерением азимутов.
Измерения флуктуации интенсивности
радиосигналов от внеземных источников.
Дискретные источники космического радиоизлучения и искусственные спутники
Земли позволили расширить доступный наблюдению диапазон высот
ионосферы и, в частности, получить сведения о неоднородностях электронной
плотности, расположенных выше максимума ионизации области F [160].
Исследования неоднородностей электронной плотности в ионосфере с
использованием радиоизлучения внеземных источников основаны на анализе
дифракционной картины на поверхности Земли, которая возникает при
прохождении радиоволны через неоднородную ионосферу. При
исследовании рассеянных отражений обычно ограничиваются изучением
временных вариаций интенсивности радиосигнала на фиксированной частоте,
выполняемых с помощью интерферометра Райла.
Наблюдение рассеянных отражений при
зондировании внешней стороны ионосферы. Уже
первые исследования отраженных сигналов от внешней стороны ионосферы
{см. разделы 1.1.1 и 1.1.2) показали наличие нерегулярного рассеяния,
«аналогичного рассеянию в нижней части области F. Для исследования
рассеянных отражений от внешней ионосферы используются методы
активного зондирования. Такие измерения дают ценную информацию об
области F выше максимума ионизации. Значительная скорость перемещения
^искусственных спутников Земли и осуществляемый ими многократный
•облет планеты позволяют существенно дополнить наши представления о
пространственном распределении /^-рассеяния.

Часть вторая
ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ ИОНОСФЕРНОМ
РАСПРОСТРАНЕНИИ РАДИОВОЛН
2.1. Измерение коэффициентов поглощения
при вертикальном зондировании ионосферы
Поглощение радиоволн в изотропной ионосфере [53]
Оценить поглощение радиоволн в ионосфере можно, рассматривая
условия распространения волны в ионизированном газе с учетом соударений
между заряженными частицами и молекулами нейтральной атмосферы.
Согласно элементарной теории, соударения электрона с нейтральными
частицами приводят к появлению отличной от нуля проводимости и,
следовательно, к поглощению энергии. Соударения электронов с
электронами в силу сохранения импульса непосредственно к поглощению не
приводят.
Пусть мы имеем электрическое поле плоской волны,
распространяющееся в ионизированном газе, которое пока будем характеризовать только
законом изменения во времени
Е = Е0еш. (2.1)
Уравнение движения заряженной частицы заряда е под действием этого
поля может быть записано
"•5Г + ™# = «*. (2-2>
где второй член левой части равенства учитывает силу трения; т — масса
электрона; v — число соударений электрона в секунду; L — путь
траектории электрона. Решая задачу, мы будем рассматривать движение только
электрона, а удельный вес участия других заряженных частиц нами будет
оценен в дальнейшем.
При каждом ударе электрон в среднем передает молекуле импульс
порядка m(dL/dt), где dLldt — упорядоченная скорость, сообщаемая
электрону полем Е. Полагая, что скорость движущегося под действием поля,
электрона изменяется по такому же временному закону, что и для поля,
т. е. V = V0eitat, мы можем написать L = Ь0еш и cPL/dt2 = ico {dLldt),
Тогда уравнение (2.2) может быть приведено к виду
dL __ еЕ еЕ (у — ш) (~ ~\
dt ~~ m(v + ico) ~~ m(v2 + co2) ' ' ' '
Беря производную по времени от выражения (2.1) и подставляя в (2.3
* dL . e(v — m) dE
мы будем иметь •—у— = — i —Vn—^r • —г— .
JHy dt 771CO (V2 + CO2) dt
Рассматривая полный ток в ионизированном газе как сумму тока
проводимости /пр = eN (dLldt) (где N — число электронов в единице объема)
и тока смещения /см = (е0/4я) • (dEldt) (где е0 —диэлектрический
коэффициент газа), мы напишем выражение для полного тока в виде
h
4я L8° m (v* + со2) '" l mco (v2 + со2) J dt '
124

При этом мы можем рассматривать его как ток смещения в ионизированном
газе, который характеризуется комплексным диэлектрическим
коэффициентом
/ ___ 4яв2ЛГ . 4яе2ЛГу __ . 4яд ,« ,.
8 ~ 8° ~~ т(^ + со*) — * mu)(v2 + «>2) — 8 — * © » l^J
но так как е0 для газа практически равно 1, формула упрощается и
л 4яе2ЛГ e2Nv
8 = 1 -7—ггяГш <3 =
m(v2 + coa) » m(v2+co2)
{а — электропроводность газа).
Учитывая, что электрон может сталкиваться как с нейтральными
атомами и молекулами, так и с заряженными частицами, ионами, под частотой
столкновений v необходимо подразумевать уже некоторую эффективную
частоту соударений, равную гэфф = ven + vei, где ven = 4/3яа2иУе ~
сы 3,6 А0~10пУТ— частота столкновения электрона с нейтральными
частицами, имеющими концентрацию п и температуру Г, nvei = (5,5^/Г$^)Х
з ^_
Xln(22027/]/7ii)—частота столкновения электрона с ионами концентрации
Tti. Необходимо отметить, что эффективное сечение (па2) столкновения
электрона с ионом значительно больше эффективного сечения
столкновения электрона с нейтральной частицей, поэтому в ионосфере с некоторых
высот начинают играть существенную роль, а затем превалировать
столкновения электрона с ионами.
Наряду со столкновениями электронов с нейтралами и ионами
происходят столкновения ионов с нейтралами и ионами, но их удельная роль
в определении величины как е, так и а пренебрежимо мала, так как масса
иона rrti в несколько десятков тысяч раз больше массы электрона.
Теперь выражение для напряженности поля плоской волны можно
записать в полном виде:
Е = Е^-*ь\
где L — путь распространения волны, а к = — ]/V[i — волновое число.
В нашем случае к — комплексная величина, которая может быть
представлена в виде
7 СО , .ч / . чо . 4я<5
к = — (п — in) или (п — гх)2 = е — i • ,
после разделения в левой части равенства вещественных и мнимых
величин получаем п2 — и2 = е и 2тс = 4яа/со, или у, = (2по/(п<о), а в
результате их совместного решения, полагая р, = 1, имеем:
-=l/l[)/>+(^-)s-i]-|
(2.5)
В этом случае выражение Г = —2 (со/с)х является коэффициентом
поглощения волны.
Полученные нами выражения (2.4) и (2.5) указывают на то, что
величина поглощения зависит не только от частоты соударений гЭфф, но и от
частоты распространяющейся электромагнитной волны — to.
Можно проанализировать два крайних случая: 1) когда со ]> гэфф или
s = 1 —, <з = ^-f —т. е. поглощение зависит как от частоты
125

соударений, так и частоты волны, и 2) когда со<^^э<ьф 8 = 1 - ,.
тЛ7эфф
e2N
в = , т. е. поглощение определяется только частотой соударений Vgij^»
эфф
Поглощение радиоволн в анизотропной ионосфере [112]
Учет наличия магнитного поля в ионосфере при решении уравнения
движения заряженной частицы при распространении электромагнитной
волны приводит к более сложному выражению комплексного
диэлектрического коэффициента, который записывается в виде:
8=1+ _ 1 ^ ==-, (2.6)
где
тсо2 со2 ~ mcov со
сосонг ^^HL eH 2 4яе?ЛГ
COJ COJ тс т
Н — магнитное поле Земли в ионосфере; соя — гироскопическая частота
электрона; соЯг и Нт — поперечные составляющие и сонь и Hl —
продольные составляющие гироскопической частоты электрона и магнитного-
поля в ионосфере в отношении направления распространения радиоволны.
Знак плюс перед квадратным корнем определяет обыкновенную, а знак
минус — необыкновенную компоненту волны.
Нахождение коэффициента поглощения Г = —2 (со/с) х в общем виде
(2.6) очень громоздко, и практически решение задачи упрощают
рассмотрением частных случаев квазипродольного и квазипоперечного
распространения радиоволн.
Квазипродольным распространением волны будет случай, когда можно
пренебречь величиной ут за счет ее малости по сравнению с уь-
Квазипоперечным распространением будет случай, когда выполняется обратное
условие. При этом необходимо учесть, что решение еще более упрощается,
если мы будем отдельно рассматривать случаи, когда со^>соя, что
соответствует коротковолновому диапазону, и со <^ соя, что соответствует
длинноволновому диапазону радиоволн.
Поглощение в отклоняющей и неотклоняю щей областях
При оценке поглощения радиоволн в ионосфере удобно рассматривать
два случая: поглощение в отклоняющей и неотклоняющей областях
ионосферы. Такое разделение принято из тех соображений, что до начала
отражающего слоя, основание которого расположено на высоте А0, радиоволна
испытывает только поглощение, когда коэффициент преломления
нижележащей среды п близок к единице, и поглощение названо неотклоняющим.
По мере проникновения волны в слой коэффициент преломления среды
стремится к нулю и на определенной высоте, когда частота падающей
волны становится равной плазменной частоте среды ©о = 4ne2N/m, т. е.
п = О, происходит полное отражение волны от слоя. Так как х = (2яа)/
/(ясо), то при п-+0 мы имеем специфическое поглощение, связанное с
проникновением волны в слой, которое получило название поглощения в
отклоняющей области.
126

Пусть мы имеем к' = (со/с) п* = (соlc) (n — ix), тогда выражение
для электрического поля волны будет иметь вид
Л(Е=0)
# = #0ехр(-2 — \ пЩе**^-с"Ь\
Вместо х берем интеграл от данного выражения, так как х зависит от
высоты, и тогда коэффициент отражения волны от ионосферы может быть
записан
p-l-eipH-f \ хсй), (2.7)
о
а полное, или интегральное, поглощение будет
Л(е=0)
-lnp = 2-^- J %dh. (2.8)
о
Для компоненты обыкновенной волны можно использовать зависимости
П2 — И2 = 8 = 1 ^ И X = =■ ^^
<»2+^фф ™> /icom^ + v2^)
из которых получаем
2со ^ п 'п -у
Тогда поглощение (2.8) будет
Л(Е=0)
1С /и2 1 \
о
В неотклоняющей области в пределах высот от 0 до А0, где п близок
к 1, выражение (2.8) приводится к виду
1 Г 4яе2 С
О О
ho
Ndh
(co2+v;
а для отклоняющей области, где е = 0ип->-0и, следовательно, 1/и —
— /г^>х2/л, мы будем иметь /ге==0
Л(Е=0)
— 1пр00 = — ^Вфф[—— n)dA.
Таким образом, поглощение, разграниченное на поглощение в
неотклоняющей и отклоняющей областях, выраженное через оптический и групповой
путь, будет записано
-»p*^?-:$£-*+::?ttb.-«. <">
С02 +V
где Lrp и L0 — групповой и оптический пути волны в ионосфере.
В отклоняющей области, где мы можем положить Lrp = L0, а для
коротковолнового диапазона при учете магнитного поля Земли со ± сон ^>
127

^>vB<|)<|), и применить случай продольного распространения, поглощение
будет определяться следующим выражением:
_inp—L±-1C
г с т J
*° Л^фф^
J (©±юя) + ^фф
Отсюда может быть получено соотношение поглощений для обыкновенной
и необыкновенной составляющих волны:
1пр(0) (0 — 0)я)2
1пР(*> (*> + «>л)2 *
Для отклоняющей области поглощения для обыкновенной и
необыкновенной компонент волны будут определены следующими выражениями;
с
-lnp(°>=-^(Lrp-L0),
Г С \ Ю—CDL У
Рассматривая ионосферный слой в виде простого слоя
N = iVom exp ^-(1—h+sec ж~н),
где k = (7гт — /г)/#, v = v0e~h и коэффициент рекомбинации нами может
быть взят или постоянным а = а0, или зависящим от высоты в виде
экспоненциальной функции, мы получим два выражения для
величины поглощения:
— In p = — • У 2я/ • -.—, Л чо , если ос = а0,
И
_lnp=i^, . ув . „^ еслиа = «оеЛ
в которых различная зависимость коэффициента рекомбинации от высоты
приводит к различным зависимостям коэффициента поглощения от
косинуса зенитного угла Солнца — cos %.
Определение эффективной частоты соударения v*^ [3]
Необходимо отметить, что формула (2.9) дает возможность численно
определить величину частоты соударений для определенной области
ионосферы. При небольшом изменении частоты оптический путь волны
изменяется значительно меньше, чем групповой путь (рис. 2.1), поэтому
изменением оптического пути можно пренебречь и из выражения (2.9) получить
выражение
-8(1пр) = ^8/>ф)
Ч
из которого, зная изменение группового пути для двух частот и изменение
поглощения, можно определить среднюю эффективную частоту
соударений V^.
Более строгое решение приводит к формуле
-d(ttlnp) = 0-^*9 Лф,
128

Рис. 2.1. Графическое
нахождение величины средней
эффективной частоты соударений по
высотно-частотной кривой и
данным поглощения,
измеренного на частотах а^ и со2 [3]
которая позволяет графически определить величину \ГЭфф
сох In рх — со2 In р2 = S
Уэфф
где S — заштрихованная площадь на рис. 2Л.
Методика определения коэффициента поглощения [192]
Из уравнений (2.7) и (2.8) следует, что, определив напряженность поля
двух отраженных сигналов, различной кратности можно вычислить
величину интегрального поглощения радиоволн в ионосфере. Такой метод
регистрации поглощения получил в литературе название метода А1.
Рассматривая передатчик на земной поверхности как точечный
излучатель, мы оперируем уравнением распространения сферической волны,
которое для коэффициента отражения первой и второй кратности даст
выражение
2Е2
2Е2
РмРз =чгг илиРь2 = ГЖ
Ег
?3El'
где Ех и Е2 — напряженность поля сигнала однократного и двукратного
отражений, рз — коэффициент отражения радиоволн от Земли.
Если использовать амплитуды га-го и fe-ro отражений, причем п ^> kf
то коэффициент отражения будет иметь следующий вид:
n-Kf пЕп
9кп —
■V
*я*рГ*
Беря натуральный логарифм от коэффициента отражений, мы получим
поглощение в неперах, а для того чтобы перейти к более
распространенной системе шкалы децибел л, это число необходимо умножить на 8,686
или сразу взять десятичный логарифм от коэффициента отражения и
умножить его значение на 20, т. е.
-T = 20lgpkn9
Очень часто в дневные часы мы не имеем возможности регистрировать
двукратное отражение сигнала из-за наличия значительного поглощения.
В этом случае поглощение можно вычислить, используя коэффициент
постоянства аппаратуры, который определяется в ночные часы при
наличии минимум двукратных отражений.
В связи с тем, что в дневное и ночное время приемный тракт работает
с различным усилением, необходимо внести поправку на различное
усиление, сведя его к одному значению, т. е. представить напряженность поля
9 Ионосферные измерения
129

сигнала через величину амплитуды и соответствующий коэффициент
усиления: '
hig = Agfcg, tLn = Апкп.
Для наблюдений в ночное время мы можем написать
_ r2ftn-£in _ %Е*п _ п
Ро,т - Ео - -^ЁГп - Pi,an»
где Ап — высота отражающего слоя.
Отсюда коэффициент постоянства аппаратуры может быть представлен
в виде
G = 20 lg i~ = 20 lg , АА\п . .
Тогда в дневное время при наличии только однократного отражения
мы можем определить поглощение, используя коэффициент постоянства
аппаратуры,) согласно следующей формуле:
~r = 201g2/^A + G>
Если же днем имеется и двукратное отражение, то поглощение можно
вычислить как из отношения амплитуд кратных отражений
-r=201g-^,
так и из коэффициента постоянства аппаратуры по амплитуде двукратного
отражения по формуле
,№JigA2gkg , г
-T = 201g^
Рз
Необходимо отметить, что при расчетах поглощения коэффициент
отражения от Земли, как правило, берется равным единице, но это не
соответствует действительности [77].
Практика наблюдений показала, что величина амплитуд сигналов
всех кратностей может изменяться в больших пределах и с различной
скоростью иногда за очень малый отрезок времени. Поэтому единичные
замеры амплитуд при подстановке их в формулы дадут искаженные
значения поглощения.
, Фединг сигнала может иметь место по двум причинам —
интерференции двух магнитоионных компонент волны и движения дифракционной
картины напряженности поля сигнала по поверхности Земли в результате
дрейфа мелкомасштабных неоднородностей электронной плотности
ионосферы в области] отражения.
Интерференционный фединг можно исключить, используя
поляризационные приемные антенны, при помощи которых осуществляется прием
только одной из магнитоионных компонент сигнала 1104] (см. раздел 1.1.3).
Для исключения ошибок в расчетах поглощения из-за наличия
дифракционного фединга все меры ограничиваются набором большого числа
измерений и их дальнейшим осреднением. Поэтому во всех ранее приводимых
формулах под величиной амплитуды необходимо понимать ее среднее
значение.
Влияние неоднородной структуры ионосферы на р
|В связи с наличием в ионосфере неоднородностей электронной
концентрации самого различного масштаба, от мелких в несколько десятков
метров до больших в несколько десятков километров, которые приводят как
130

к рассеянию энергии отраженного сигнала, так и к ее фокусировке на
поверхности Земли, возникла необходимость учета их влияния на
коэффициент отражения волны от ионосферы.
Учет влияния мелкомасштабных неоднородностей на коэффициент
отражения волны от ионосферы при его определении по амплитудам
двукратного и однократного отраженного сигнала дает выражение [3]:
^ _ РРз /ft4 + 4ft2 + 2 ]V.
щ~ 2 VP4 + 2P2 + 1/ »
где А± и А2 — амплитуды однократного и двукратного отраженного'сигна-
ла; р и рз — коэффициенты отражения сигнала от ионосферы и от
поверхности Земли; р — коэффициент мутности ионосферы, определяющий
отношение зеркальной составляющей к рассеянной компоненте энергии в
отраженном сигнале.
Имеются формулы для определения коэффициента отражения с
учетом мелких неоднородностей по амплитудам однократного и
трехкратного отражения, двукратного и трехкратного, но они в принципе ничего
нового не вносят и нами не приводятся из-за своей громоздкости [13].
Влияние крупных неоднородностей на коэффициент отражения
приводит к случаям регистрации р по величине, большей единицы, что
противоречит закону сохранения энергии. Учет их влияния на р в настоящее
время аналитически не решен [70, 212].
Необходимо отметить, что учет влияния мелких неоднородностей через
р имеет смысл, если приемный тракт установки обладает хорошей
линейной амплитудной характеристикой. В противном случае стремление к
большей точности оценки поглощения будет бесполезным из-за того, что
ошибка в поглощении за счет плохой линейности приемного тракта
превысит поправку на мелкие неоднородности.
Таким образом, при измерении поглощения радиоволн в ионосфере
методом Д1 для исключения ошибок за счет влияния неоднородностей,
интерференции обыкновенной и необыкновенной компонент сигнала
наиболее простым способом является набор наибольшей статистики
значений амплитуд и их последующее осреднение.
Аппаратура и методика наблюдений
Задача достижения наибольшей точности при регистрации амплитуд
сигналов различной кратности, т. е. набор достаточной статистики
величин амплитуд за ограниченное время сеанса наблюдений, поставила свои
требования перед аппаратурой, предназначенной для измерения
поглощения радиоволн. Общий принцип работы такой аппаратуры дублирует
принцип работы ионосферной станции вертикального зондирования
ионосферы, но передатчик работает на фиксированных частотах, а в качестве
индикатора используется катодный осциллограф с разверткой типа А
[116].
В отличие от обычной ионосферной станции панорамного типа к
аппаратуре для измерения поглощения радиоволн предъявляются
повышенные требования как в отношении передатчика, так и приемника.
Передатчик установки должен иметь постоянную во времени
излучаемую мощность на всех рабочих частотах и хорошую стабильность по
частоте.
Приемник установки должен отвечать следующим техническим
характеристикам: а) иметь широкую полосу пропускания по промежуточной
частоте не менее 16 кгц для излучаемого импульса длительностью 100 мксек;
б) хорошую линейную амплитудную характеристику при всех
усилениях в рабочем диапазоне амплитуд. Регулировку усиления лучше всего
иметь ступенчатую с помощью аттенюатора на промежуточной частоте
9« 131

Рис. 2.2. Регистрация амплитуды сигнала на экране осциллографа
а — для оценки загрубления приемника от зондирующего импульса передатчика и восстановление
чувствительности приемника со временем. Пример загрубления приемника на частоте 2 Мгц
Сигнал с ГСС подается в виде импульсов, расстояние между к оторыми соответствует высоте 100 км;
б — пример использования «маски» при регистрации сигнала для определения поглощения
радиоволн: 1 — изображение на экране осциллографа, 2 — вид «маски», з — положение развертки
отраженных сигналов относительно «маски» [36]; в — пример з аписи при непрерывной регистрации
амплитуд первой и второй кратности
через 10 дб в диапазоне 70—80 дб; в) время восстановления
чувствительности приемника до 90% после излучающего импульса передатчика в
пределах до 200 мксек; г) хорошее постоянство коэффициента усиления
по времени на рабочих частотах.
Борьба с загрублением чувствительности приемника излучающим
импульсом передатчика, в результате чего в приемном тракте усиление
для сигналов различной кратности отражения различно, возможна двумя
способами, которые обычно применяются одновременно. Импульсом от
модулятора передатчика расстраивается гетеродин приемника и в
результате этого каскады промежуточной частоты не перегружены принятым
импульсом.^ Кроме того, все развязывающие цепи ламп по высокой и
промежуточной частотам в приемном тракте должны иметь постоянную
времени, равную переднему фронту зондируемого импульса, т. е. время
порядка 10 мксек.
В том случае, когда эти меры возможно применить только частично и
запирание приемного тракта достаточно существенно, необходимо
проведение градуировки усиления в зависимости от расположения
отраженного сигнала на оси времени развертки катодного осциллографа с помощью
генератора стандартных сигналов. Для этого на вход приемного тракта
подается напряжение с ГСС и включается передатчик. По степени изме-
132

нения огибающей э.д.с от ГСС (рис. 2.2а) около зондирующего
импульса определяются поправочные коэффициенты, на которые умножаются
амплитуды соответствующей кратности сигнала.
Для расширения динамического диапазона приемника применяется
логарифмическая шкала усиления сигнала, а если таковой нет, то те
участки регистрации амплитуд, где имеется зашкаливание амплитуды,
исключаются из обработки, чтобы не внести ошибок в измерения. ч
Теперь остается рассмотреть некоторые способы регистрации
амплитуды нескольких отраженных сигналов, которые приняты и разделены на
временной развертке катодного осциллографа. В самом начале
постановки экспериментов по измерению поглощения применялась визуальная
методика регистрации амплитуд. Запись в журнал производилась через
равные — возможно короткие — промежутки времени на протяжении
всего сеанса наблюдений. Точность такого метода регистрации была,
конечно, низкой и зависела от опытности и аккуратности наблюдателя.
Опытная проверка несколькими наблюдателями дала разброс значений в
15%.
Дальнейшим усовершенствованием метода регистрации было
применение фотографии картины экрана осциллографа с разверткой типа А с
частотой съемки один кадр в секунду в течение 4—5 мин, что позволяет
за это время набрать статистику в 240—300 значений амплитуд. Этот
метод, несмотря на большую трудоемкость в обработке материала
наблюдений, применяется и сейчас, когда необходимо иметь данные по
амплитудам сигналов всех кратностей.
В связи с тем, что для расчета поглощения достаточно иметь
амплитуды только двух отраженных сигналов, был предложен метод
непрерывной протяжки пленки с установкой «маски» на регистрируемые сигналы
(рис. 2-26) [36]. Фотозапись такого метода регистрации представлена
на рис. 2.2в, для нее точность записи амплитуд повысилась до 5—7%*
В дневные часы из-за наличия поглощения двукратное отражение
сигнала, как правило, отсутствует, поэтому проводится регистрация
только однократного отражения, а величина поглощения рассчитывается по
амплитуде одного отражения и постоянной аппаратуры, определяемой
в ночные часы.
Необходимо отметить, что использование такого метода определения
поглощения требует строгого постоянства во времени излучаемой
передатчиком мощности и хорошего постоянства усиления приемника. Попытки
добиться получения двукратного отражения за счет увеличения
мощности передатчика приводили к такому увеличению амплитуды
однократного отражения, что она зашкаливалась и измерения теряли всякую
ценность. Применение приемников с расширенным динамическим диапазоном
за счет применения логарифмической шкалы усиления не получило
широкого распространения, видимо, из-за их сложности и нестабильности
параметров.
Обработка фотографического материала регистрации амплитуд
трудоемка, поэтому был предпринят ряд попыток автоматизировать как
обработку, так и сами наблюдения.
Была предложена аппаратура непосредственной регистрации
поглощения, величина которого записывалась самописцем в виде кривой в
течение сеанса наблюдений [119]. Принцип работы такой аппаратуры
основывался на применении в приемном канале усилителя с
логарифмической шкалой усиления. Два идентичных канала усиления, которые по
отдельности регистрируют каждый сигнал, имели на выходе
напряжения, соответствующие логарифму каждой из амплитуд. Поэтому разность
их напряжений оказывалась величиной, характеризующей поглощение.
Учет численных коэффициентов при амплитуде, чего требует
соответствующая формула расчета величины поглощения, выполнялся простым
схемным решением.
133

*
4
gfck
! ! !
№
6
Рис. 2.З. Последовательность
преобразования амплитуды
сигнала в отдельных элементах
схемы пересчетного устройства
для регистрации поглощения
[72]
Вторым вариантом автоматизации
регистрации поглощения можно считать
предложение регистрировать амплитуды сигнала
в цифровом значении, что облегчает
дальнейшую обработку данных наблюдений [72].
Схема пересчетного устройства для одного
из каналов, например для записи
однократного отражения, работает следующим
образом. Сигнал с выхода приемника попадает
на вход данного устройства, где он прежде
всего попадает на временной селектор,
который в нормальном положении все время
закрыт и только в момент прихода отраженного
сигнала открывается специальным
селекторным импульсом, устанавливаемым на сигнал
наблюдателем. На рис. 2.3 представлены
формы сигнала в отдельных элементах схемы
пересчетного устройства.
Выделенный таким образом сигнал (рис.
2.3,а) детектируется (рис. 2.3,6) и подается на
фантастрон, который преобразует
поступивший импульс в импульс с линейно падающим
задним фронтом (рис. 2.3, в). Параметры
этого сигнала пропорциональны амплитуде принятого сигнала и
отклоняются от истинных не более чем на 1 %. Далее этот сигнал поступает на
амплитудный дискриминатор, где вырабатывается прямоугольный
импульс, ширина которого пропорциональна амплитуде принимаемого
сигнала (рис. 2.3,г). Полученный «широкий» импульс после усиления
подается на импульсный генератор, который работает на низкой частоте и
вырабатывает за время длительности «широкого» сигнала «пакет»
импульсов (рис. 2.3,д). Таким образом, каждой принятой амплитуде будет
соответствовать «пакет» с числом импульсов, пропорциональным амплитуде
принятого сигнала. Далее импульсы попадают на
усилитель-ограничитель, где они формируются (рис. 2.3,е и 2.3,ж), и могут подаваться на
сумматор, на специальное записывающее устройство (магнитная лента,
перфолента или перфокарты).
Все пересчетное устройство для регистрации поглощения состоит из
двух идентичных каналов и контрольного осциллографа с разверткой
типа А, который служит для визуальной установки на сигналы первого и
второго отражений селекторных импульсов, открывающих для работы
каналы пересчетного устройства.
Дальнейшее развитие метода А1 заключается в регистрации
амплитуды отраженного сигнала при вертикальном зондировании ионосферы на
переменной частоте. Этот метод регистрации получил сокращенное
обозначение А5 [19]. Технически он реализуется на обычной ионосферной
станции, зондирующий импульс которой проходит по всему диапазону
за короткий промежуток времени [76]. Методика определения
постоянной аппаратуры и обработка данных наблюдений аналогичны методу А1.
2.2. Измерение поглощения методом регистрации
внеземных источников
Метод регистрации поглощения радиоволн в ионосфере А1 имеет один
существенный недостаток. При появлении аномально повышенного по-
глощеция на приемной аппаратуре может отсутствовать отраженный от
ионосферы сигнал во всем диапазоне частот. В результате этот метод не
может дать численную оценку поглощения. В этом случае мы можей
134

только утверждать, что в данный момент времени поглощение превышает,
к примеру, 70 дб, которые определяются верхним пределом аппаратуры
для вертикального зондирования.
Такие случаи аномально высокого поглощения наблюдаются в
средних широтах очень редко, всего несколько раз в году, в результате очень
мощных хромосферных вспышек на Солнце, и метод А1 широко
применяется в средних широтах.
В полярных областях, начиная с южной границы зоны полярных
сияний и выше к полюсу, случаи появления аномального поглощения
становятся настолько частыми, что возникла необходимость использования
другого метода определения поглощения, способного регистрировать
поглощение и при его очень высоком уровне. Таковым оказался метод
регистрации интенсивности излучения внеземных радиоисточников (А2),
или регистрация интенсивности космических шумов.
Достаточно подробный обзор по методу А2 с обширной
библиографией опубликован в 1969 г. [25].
Регистрируя наземными приемными средствами интенсивность
сигнала внеземного радиоисточника, мы можем написать для его
интенсивности основное выражение
2<0v AT
Е = Е0е ^ > = Е0е-Г,
где Е0 — «первичная» интенсивность поля сигнала радиоисточника за
пределами ионосферы и Г — величина интегрального поглощения
радиоволн в ионосфере, которая может быть определена в децибеллах по
формуле
-F = 201gA.
Необходимо отметить, что в расчетах поглощения методом А2 обычно
оперируют понятием мощности и в этом случае выражение для
поглощения в децибеллах будет
-r = ioigf.
Таким образом, для определения поглощения Г нам необходимо знать,
кроме зарегистрированной интенсивности сигнала Е, еще интенсивность
Е0. Интенсивность Е в течение суток варьирует как из-за суточного
изменения поглощения радиоволн в ионосфере, так и из-за изменения Е0,
обусловленного неравномерным распределением интенсивности
радиоисточников по лебосводу.
Рассматривая кривую изменения величины Е по времени для
спокойного состояния ионосферы, т. е. когда отсутствует аномальное
поглощение, мы отмечаем наличие максимума (Етах), который приходится ночью
на предутренние часы и соответствует минимальному поглощению в
ионосфере. Пренебрегая этим поглощением и, следовательно, приравнивая
полученную максимальную интенсивность «первичной» интенсивности
источника i?max = Е0, мы можем определить поглощение, вносимое
ионосферой для любых других часов суток. Такое определение будет
точным при условии постоянства интенсивности радиоисточников по
небосводу, т. е. при постоянстве Е0. В этом случае, конечно, мы определяем
не абсолютную величину поглощения, а его приращение относительно
ночного, которое вследствие его малости нами приравнено к нулю.
Практически распределение интенсивности радиоисточников по
небосводу неравномерно, и «первичная» интенсивность Е0 меняется во
времени с периодичностью, равной звездным суткам. В свою очередь,
величина поглощения радиоволн в ионосфере будет изменяться с
периодичностью среднесолнечных суток.
135

В связи с тем, что звездные сутки короче солнечных примерно на
4 мин (точнее — 3 мин. 56 сек), для исключения влияния неравномерного
распределения интенсивности радиоисточников по небосводу, т. е. для
учета суточного изменения «первичной» интенсивности Е0 при расчете
поглощения, необходимо иметь длительный, не менее одного года,
непрерывный ряд наблюдений интенсивности космического радибизлучения!.
Это условие накладывает дополнительные технические требования на
регистрирующую аппаратуру, которая на протяжении всего этого срока
наблюдений должна сохранять постоянство своих параметров.
Для исключения влияния неравномерности распределения
радиоисточников по небосводу можно воспользоваться регистрацией
космического радиоизлучения из области Полярной звезды, или полюса Мира,
области, неподвижной на небосводе. В этом случае определяемое
поглощение относится к наклонному распространению радиоволн в ионосфере и
может бы;ть грубо пересчитано на вертикальное по формуле
А верт === А накл COS ОС,
где а — широта пункта наблюдения, град.
Основной трудностью в успешной реализации данного варианта
наблюдений является изготовление приемной антенны с узким конусообразным
лепестком диаграммы направленности. Современные антенны не обладают
такой хорошей диаграммой направленности; это приводит к тому, что
интенсивность Е0 по-прежнему испытывает, хотя и более слабые, суточные
вариации. Поэтому если мы не будем учитывать величину суточной
вариации Е0, то получим грубую оценку величины поглощения. Для
некоторых научных задач, например для исследования аномально
повышенного поглощения в высоких широтах, такой вариант регистрации вполне
применим, и в настоящее время он получил широкое распространение.
Выбор рабочей частоты для регистрации интенсивности космического
радиоизлучения определяется рядом условий, которые зависят как от
поставленной научной задачи, так и от технического варианта
применяемых антенн. Основным условием будет требование значительного
превышения рабочей частоты установки над критической частотой главного
максимума ионизации ионосферы j0F2.
Для такого условия мы можем написать
*>2раб>^2)2'
а так как это соответствует
й2раб>(°Н'
то для неотклоняющей области,^когда показатель преломления п — lf
мы будем иметь выражение, определяющее поглощение в виде:
1 СО^эфф
И^ + ^фф)
Учет магнитного поля Земли приведет к выражению
„ _ 1 юМфф
2 C0[(C0±C0L)M-V92] '
где индексы 1, 2 и знаки + относятся к разным магнитоионным
компонентам волны, a col = соя cos а и а — угол между направлением волны и
направлением магнитного поля Земли. В этом случае интегральное
поглощение будет
ц «fry* dU
136

Для всей ионосферы, за исключением ее нижней области Z), мы можем
написать неравенство со2 ^> v^. Область D, где мы будем иметь со2 с*
—v8|<i>, при отсутствии аномального поглощения внесет незначительный
вклад в интегральное поглощение; следовательно, для спокойной
ионосферы последнюю формулу можно написать в виде
Из данного выражения следует, что с уменьшением рабочей частоты
мы будем иметь более благоприятные условия для регистрации вариаций
поглощения, но уменьшению рабочей частоты ставит предел критическая
частота области F ионосферы.
Для исключения в расчетах поглощения оценки суточной вариации
Е0 был предложен другой метод регистрации — регистрации космического
радиоизлучения одновременно на двух разнесенных частотах [18]. В этом
случае при измерении на двух частотах будем иметь
-!г> = 101еЩ; r.-^aJWL
откуда после совместного решения
1UL g£o(G)2) lg E((02)J
Последние два выражения могут быть использованы для расчета
поглощения при условии постоянства величины Е0((о1)/Е0((о2). Это
отношение может быть определено из ночных наблюдений согласно ранее
принятому предположению, что поглощение ночью очень мало и мы им
пренебрегаем.
В связи с тем, что изготовить две антенны на различные частоты с
одинаковой диаграммой направленности практически невозможно,
отношение i?0(co1)/i?0(o)2) не остается постоянным в течение суток.
Выполнять вычисления по формуле (24:0) можно для тех интервалов
времени, где это отношение не претерпевает значительных изменений.
В качестве одной из модификаций двухчастотного метода можно
считать поляризационный метод [211, или метод двойной поляризации, с
помощью которого измеряется интенсивность сигнала для обыкновенной
и необыкновенной компонент волны.
Интенсивность обыкновенной и необыкновенной компонент волны
после прохождения через ионосферу различна, и их отношение может
быть представлено в виде
ё! — ,>г--г+ .
отношение их разности к сумме, после использования преобразования
ех = shx + chx, будет
Е+ — Е~ . г- —Г+
= th-
Е+-\-Е~ 2 »
которое уже не зависит от «первичной» интенсивности Е0.
137

Для случая спокойной ионосферы при отсутствии аномального
поглощения, допуская малую погрешность, можно написать вместо
последнего выражения
Г = Г" - Г+ = ^Г ,
где ДГ = Г+ — Г" и 2Г = Г+ + Г".
В то же время, используя выражение (2.8)* можно показать, что
разность поглощений
где col — средняя величина гирочастоты, а для среднего поглощения по-
п Г+ + Г-
лагаем Г = —^— .
Из этих формул мы можем рассчитать поглощение.
Необходимо отметить, что данный метод наиболее эффективен только
на низких частотах, так как отношение со^/со должно иметь достаточную
величину, во всяком случае не ниже 0,1. В настоящее время этот метод,
несмотря на определенные технические трудности, считается наиболее
перспективным [69], так как достаточно точные данные о поглощении
можно получить через несколько недель наблюдений.
Аппаратура для регистрации
космического радиоизлучения (риометры)
Аппаратура для регистрации интенсивности космических
радиоисточников, получившая название риометров (по сокращенному
произношению фразы Relative Ionospheric Opacity Meter), состоит из антенны,
приемника и калибровочного источника — шумового генератора.
Основным требованием к риометру является постоянство его
параметров при непрерывных наблюдениях на протяжении большого промежутка
времени.
В большинстве случаев в риометрах используются современные
связные приемники, обладающие достаточно хорошей стабильностью в
работе. При их использовании все же рекомендуется обратить особое
внимание на стабилизацию их питания.
Наиболее ответственным элементом риометра является приемная
антенна. Выбор ее конструкции определяется как поставленной научной
задачей, так и выбором диапазона рабочей частоты. В качестве фидера,
соединяющего антенну с приемником, используется высокочастотный
коаксиальный кабель, длина которого определяется вносимым
затуханием, а также величиной тепловых шумов, которые возникают в нем при
изменении окружающей температуры. Из этих соображений длину кабеля
желательно делать, по возможности, минимальной.
Антенна должна быть хорошо согласована с фидерной линией, но в то
же время весь этот приемный тракт должен обладать некоторой
шириной полосы пропускания (порядка 0,2 Мгц), в пределах которой имелась
бы возможность изменять рабочую частоту для отстройки от возможных
мешающих радиостанций. Для более уверенного выбора рабочей частоты
рекомендуется предварительно провести достаточно продолжительный
цикл наблюдений за вагрузкой диапазона другими станциями на
интересующих нас участках частот, чтобы найти «окно», свободное от мешающих
радиостанций.
Обычно для риометров используется ограниченный тип антенн.
Наиболее простым вариантом является антенна из одного диполя,
расположенного на высоте четверть волны от металлизированной земли, выпол-
138

a
б
Рис. 2.4. Блок-схемы наиболее
часто используемых риометров J
о— риометр, работающий по методу
замещения эталонным источником;
б — риометр, работающий по моду-
ляционно-нулевому методу [146].
Пояснения см. в тексте
I 5
ненной в виде сетки проводов. Такая антенна имеет достаточно широкий
лепесток диаграммы, направленный вверх. Для создания узкого
лепестка диаграммы устанавливается' несколько диполей в виде синфазной
решетки.
Наиболее широкое применение получили многоэлементные антенны
типа «волновой канал», которые могут быть направлены как в зенит, так и
в другую точку небосвода, в частности на полюс Мира.
Достаточно сложные антенны применяются для раздельного приема
обыкновенной и необыкновенной компонент сигнала. Они выполняются
или в виде спирали, или из взаимно перпендикулярных диполей с
соответствующей фазировкой [104, 207], как было описано ранее в разделе
1.1.3.
Одним из основных требований, предъявляемых к антеннам, является
наличие одного остронаправленного лепестка; если существуют боковые
лепестки, то они должны иметь малую эффективность.
Существующие риометры можно подразделить на два класса по
принципу регистрации интенсивности космического шума.
В первом случае напряженность поля сигнала, принятого антенной 1,
усиливается приемником 3 и подается на самописец (рис. 2Ла). Для
определения величины напряженности поля установка калибруется при
помощи шумового генератора <5, который периодически подключается
переключателем 2 на вход приемника вместо антенны. Здесь мы имеем
пример простейшего метода компарирования напряженности поля
сигнала при помощи замещения эталонным источником. С описанием такой
аппаратуры можно познакомиться [29], но она в настоящее время уже не
имеет широкого распространения как из-за малой точности измерения,
так и сложности обслуживания.
Недостатком таких риометров является их плохая стабильность в
работе, в основном нестабильность коэффициента усиления приемника, что
сказывается на точности измерений.
Во втором варианте применяется так называемый модуляционно-ну-
левой метод регистрации, при котором нестабильность аппаратуры не
играет такой существенной роли.
На рис. 2.46 приведена блок-схема такого риометра. На вход
приемника (3) поочередно через переключатель (2) подключается то антенна
(1), то шумовой генератор (4) с частотой /0, которая задается
переключающим генератором (6). На выходе приемника будет сигнал с частотой
/0, пропорциональной разности интенсивностей сигналов на антенне и от
шумового генератора. Он усиливается настроенным усилителем частоты
/о (7) и подается на фазочувствительный детектор (8), представляющий
собой тип кольцевого преобразователя. Кроме того, на детектор подается
напряжение с частотой /0 от переключающего генератора. В результате
детектор выдаст выпрямленное напряжение, величина которого будет
пропорциональна разности интенсивностей сигналов между антенной и
шумовым генератором, а полярность выпрямленного сигнала будет
определяться тем, какая из интенсивностей больше.
t
20—[ИЬШ ЧХН
Н 7 Н 8
h И 9
139

Выделенный детектором сигнал подается через усилитель постоянного
тока (9) на шумовой генератор, управляя его током накала (а
следовательно, и анодным током) таким образом, чтобы его мощность все время
соответствовала мощности сигнала на антенне. На регистраторе (5)
записывается сила тока шумового генератора, которая в этом случае
соответствует интенсивности космического излучения на антенне.
Подобного типа аппаратура для регистрации интенсивности
космического излучения на двух частотах описана в [146].
При эксплуатации риометрических установок возникает одна
техническая задача по повышению их помехоустойчивости от передающих
радиостанций и самых различных импульсных помех. Бороться с помехой
от передающей радиостанции, работающей на частоте риометра,
представляется возможным только с помощью отстройки, т. е. изменением
рабочей частоты риометра. Для защиты от импульсных помех
применяются специальные схемы импульсных ограничителей, получивших
название минимальных детекторов, описание которых с некоторой
модернизацией дано в [24]. При этом положительные результаты достигаются
только для импульсных помех короткой длительности.
Методика обработки данных наблюдений
Методика обработки материала регистрации космического
радиоизлучения во многом зависит от характера эксперимента в соответствии с
научной задачей. В настоящее время уже накоплен большой опыт
эксплуатации риометров, сложились определенные представления о
возможностях метода и сформулирована стандартная методика обработки
материала наблюдений [69].
Метод А2 позволяет определить не только интегральное поглощение
радиоволн в ионосфере, но при работе на нескольких частотах дает
возможность знать высоту поглощающей области [18], построить профиль
электронной плотности в нижней ионосфере [23], оценить электронную
температуру и эффективную частоту соударений в области F ионосферы
[20], а также решить некоторые вопросы гелио-геофизического профиля,
связанные с развитием аномального поглощения в ионосфере [22].
Метод стандартной обработки дает правила построения суточной
кривой изменения «первичной интенсивности сигнала Е0», получившей в
литературе название звездной кривой. При этом в зависимости от того,
какое из поглощений нам необходимо анализировать, регулярное или
аномальное, предъявляются различные требования к точности построения
звездной кривой.
Для расчета регулярного поглощения нам необходимо иметь годовой
цикл непрерывных риометрических наблюдений, позволяющий
определить Е и Е0 для любого одного и того же звездного времени, и построить
суточную кривую поглощения уже в местном декретном времени.
Практически звездная кривая строится следующим образом [69].
С ленты риометра снимаются величины интенсивности сигнала Е и
наносятся в виде точек на график в масштабе звездных суток. График по оси
абсцисс разделен на 24 часа с масштабом в 4 мин, а по оси ординат имеет
масштаб интенсивности сигнала Z?, или в масштабе величины 10 \g(E/Em),
где Ет — уровень сигнала калибровочного генератора [18]. В связи с
тем, что запись на ленту самописца ведется в масштабе местного времени,
при построении графика в масштабе звездного времени необходимо
иметь в виду, что звездные сутки отличаются от солнечных примерно
на 4 мин.
Для перевода данных наблюдений с одного времени на другое мы с
начала наблюдений, к примеру с первого числа месяца с полуночи, т. е.
с 00 час, начинаем отсчет обоих масштабов времени. Для первых суток все
24 часа совпадают в обоих масштабах времени, и с ленты на график пере-
140

носятся часовые значения Е по данным первой минуты каждого часа.
Значения Е для вторых суток переносятся с ленты на график уже со
сдвигом по времени на 4 мин для каждого часа, так что, например, для 02 час
звездного времени снимается с ленты значение Е в 01 час 56 мин
декретного времени. Для третьих суток учитывается еще сдвиг времени на 4 мин,
и теперь для 02 час звездного времени снимается с ленты значения Е в
01 час 52 мин декретного времени. Для X суток производится сдвиг на
(X — 1)-Амин, и таким образом для всего года, за 12 месяцев, будет сдвиг
я&24:часа. Имея такой график за год, мы можем провести звездную кривую
я виде верхней огибающей максимальных значений интенсивности сигнала
/?, исходя из того предположения, что она соответствует отсутствию
поглощения.
При построении звездной кривой необходимо быть осторожным в
отношении отдельных выбросов точек, которые могут появиться в результате
помех. На это йеобходимо обратить самое серьезное внимание еще при
построении графика и исключить эти помехи, прибегая, при
необходимости, к сглаживанию кривой записи и экстраполяции значений Е. С целью
сокращения объема работы вполне возможно ограничиться
перенесением на график значений Е только для ночных часов регистрации риометра.
Для получения поглощения с записей ленты риометра вторично
снимаются в таблицу данные Е для первой минуты каждого часа, но уже в
поясном времени. Для интересующего нас времени берется из таблицы
значение Е, а Е0 снимается со звездной кривой, но в этом случае для
нахождения соответствующего Е0 необходимо учесть временную поправку,
которая теперь будет не вычитаться, а прибавляться. К примеру, для
третьего дня в 03 час 00 мин декретного времени со звездной кривой
снимается значение Е за 03 час 08 мин звездного времени, а для X дня
принимается поправка в (X — 1)-4 мин.
Таким способом регулярное поглощение может быть вычислено для
всего периода наблюдений. Когда звездная кривая построена в масштабе
10 lg(E/Em), в том же масштабе составляется таблица, и нахождение
поглощения сводится к арифметическому действию вычитания.
Для расчета регулярного поглощения в высоких широтах звездная
кривая может быть построена без больших ошибок только за ночное
(зимнее) время, и практически звездная кривая за год на этих широтах
определяется ее зимними значениями.
При изучении аномального поглощения приемные антенны, как
правило, направляются на полюс Мира, и имеющейся небольшой звездной
вариацией можно пренебречь. Звездная кривая строится вышеописанным
способом, но месячные интервалы для всех часов наблюдений берутся в
сутках. Такие месячные звездные кривые являются хорошим
индикатором нормальной работы аппаратуры. При нормальной работе аппаратуры
месячные звездные кривые сохраняют как свою величину, так и характер
изменения, но сдвинуты одна относительно другой для соседних месяцев
на 2 часа.
Наиболее перспективен поляризационный метод, позволяющий за
короткий срок наблюдений построить звездную кривую [69]. При
отсутствии поглощения в ионосфере для космического радиоизлучения можно
считать, что интенсивность обеих принятых магнитоионных компонент
будет одинакова, т. е. Е+ = Е~. При наличии поглощения мы будем
всегда иметь неравенство Е+ ^> Е~. Если построить график, на котором
по оси абсцисс отложена интенсивность Е+, а по оси ординат —
отношение Е~/Е+, то для случая отсутствия поглощения у нас будет прямая,
проходящая через начало координат под углом 45° (рис. 2.5). Если мы
теперь для какого-нибудь звездного часа возьмем все отношения Е~/Е+
и отложим на график, то получим другую прямую, проходящую ниже
первой и пересекающую ее в точке, которая определяет звездную
величину Eq и Е0~~ для данного звездного часа. Построив такие графики для
141

еЧ~
Е>Е
Рис 2.5. Графический метод
определения звездной вариации
при приеме обыкновенной и
необыкновенной составляющих
сигнала [69]
всех часов звездных суток, в результате мы получим звездные кривые для
Е+ и Е-.
Необходимо отметить, что оценка погрешности метода требует
всестороннего учета посторонних шумов, создаваемых трактом и усиленных
приемником. Наличие интенсивных посторонних шумов может
значительно снизить точность регистрации поглощения. На практике
предпринимаются все меры к их снижению и обеспечению их постоянства во
времени. Особенно важно сохранение постоянства усиления приемника.
Накопленный опыт эксплуатации риометров показывает, что при
правильно сконструированной аппаратуре и нормальном ее обслуживании
среднеквадратичная ошибка измерения поглощения не должна
превышать 0,1 дб. В [69] приводятся следующие величины максимальных
погрешностей при измерении поглощения в ионосфере методом риометраЗ
Ошибка, дб
Источник ошибок
предельная вероятная
Погрешности метода:
колебания температуры ±0,13 ±0,13
неточное знание интенсивности космического
шума при отсутствии ионосферы ±0,1 ±0,1
Аппаратурные погрешности:
флуктуация шумов ±0,08 ±0,06
флуктуация усиления ±0,03 ±0,02
неточность записывающего прибора .... ±0,22 ±0,15
Погрешность обработки:
неточность построения звездной кривой . . ±0,1 ±0,1
Максимальная ошибка, обусловленная всеми
причинами . ±0,66 ±0,25
Среднеквадратичная ошибка ±0,22 ±0,09
2.3. Измерение поглощения по данным напряженности
поля сцгналов принимаемых станций
Одним из распространенных методов определения поглощения
радиоволн в ионосфере является метод A3 — регистрация напряженности поля
сигнала удаленной радиостанции, работающей в непрерывном режиме.
Этот метод получил еще название «компарирование» (от латинского слова
comparare — сравнивать), так как метод основан на принципе сравнения
напряжения принятого сигнала с напряжением сигнала стандартного
источника.
В отличие от методов А1 и А2 в данном методе регистрируется в точке
приема напряженность поля радиоисточника, расположенного на земной
поверхности и значительно удаленного от места регистрации. В этом
случае электромагнитная волна, излучаемая передатчиком, распространяется
наклонно к земной поверхности, претерпевая на расстоянии между
приемником и передатчиком однократное или многократное отражение от
ионосферы и земной поверхности (рис. 2.6а).
142

Количество отражений или скачков распространяющейся волны
определяется соотношением между рабочей частотой и максимальной
применимой частотой (МПЧ) для трассы, последняя из которых зависит от
критической частоты отражающей области ионосферы и геометрии трассы.
Величина напряженности поля сигнала, создаваемая в месте приема
удаленной радиостанцией, определяется из выражения [81]:
В = 2221^^(1 + 1^1), | F 1-ЧГ-1Ч (2.11)
где Ра — мощность, подводимая к антенне передатчика; \F\ — модуль
коэффициента отражения волны от поверхности Земли; Гср — среднее
поглощение радиоволны в ионосфере; D — длина трассы
распространения волны, измеренная по дуге большого круга земного шара; ь(Д) —
коэффициент усиления передающей антенны; Д — угол наклона луча над
горизонтом и п — число скачков.
Таким образом, чтобы определить Гср — среднюю величину
поглощения радиоволны на трассе одного скачка, кроме величины
напряженности поля пришедшего сигнала, мы должны знать еще ряд
вышеперечисленных величин. Из этих величин наиболее сложно определить количество
пришедших сигналов, т. е. трассу распространения, или моду
распространения, сигнала.
На практике часто регистрируются случаи, когда в точку приема
поступает сигнал от передатчика сразу по нескольким модам
распространения. В этом случае для расчета поглощения необходимо учитывать все
сигналы, пришедшие различными скачками. В принципе это можно
выполнить [67, 85], но обычно трудно определить число скачков и их
количественное соотношение в принятом сигнале при непрерывном излучении.
Следовательно, при подозрении, что в регистрируемом сигнале
присутствует многолучевость, пользоваться выражением (2.11) для расчета
поглощения нельзя. Пренебрежение этим правилом приведет к
получению искаженных значений поглощения [143].
Для определения многолучевости и оценки числа скачков
используется метод А4, представляющий собой регистрацию сигнала передатчика,
который работает в импульсном режиме кратковременными импульсами.
На рис. 2.66 в качестве примера приведена фотография с экрана
осциллографа случая многолучевого распространения сигнала на трассе
Москва— Иркутск.
Измеряя величины времени относительных задержек между
импульсами и учитывая состояние ионосферы на трассе, можно с достаточной
уверенностью определить количество скачков для кажого импульса.
Рис. 2.6. Многолучевое распространение радиоволн КВ-диапазона
а •— схема возможных траекторий распространения сигнала от передатчика к приемнику; б —
фотограмма многолучевого распространения сигнала на трассе Москва ^- Иркутск на частоте 21 Мгц
в 13 час 20 мин 22 февраля 1969 г. По оси развертки даны метки времени
143

Методика изложена в [131, 145]. В том же случае, когда имеется
возможность измерить углы прихода (по углу места) каждого импульса и
абсолютное время его распространения, мы будем с полной уверенностью знать
моду его распространения.
При наличии многолучевости результирующее значение
напряженности поля сигнала в месте приема будет определяться выражением
Е = \/ 7К> С2-12)
* 71 = 1
где Еп — напряженность поля импульса; п — число отражений от
ионосферы и т — число пришедших импульсов.
Измерение углов прихода в вертикальной плоскости сопряжено с
большими техническими трудностями и, в частности, с сооружением
специальных антенных систем. Примером такой антенной системы может служить
антенна, описанная в работе [130]. Определение абсолютного времени
распространения требует меньших затрат и основано на методе маяка
ответчика с точным определением времени распространения сигнала в обоих
направлениях.
Однако для определения среднего поглощения радиоволн на трассе
достаточно знания числа скачков для пришедших сигналов, что можно с
большой достоверностью получить из обработки данных наблюдений
методом А4.
Аппаратура компараторного пункта
Принцип работы компараторного пункта подобен приемной
аппаратуре метода А2, но приемные антенны технически решены иначе, что
обусловлено как другими условиями распространения сигнала, так и иным
методом обработки материала наблюдений.
Если в пункте наблюдения будет помещена приемная антенна с
действующей высотой Яд параллельно вектору напряженности
электрического поля Z? плоской волны, то электродвижущая сила на зажимах
антенны будет
Еэ.д.с = НцЕ. (2.13)
В связи с тем, что для плоской волны имеется соотношение |/]Г# = Y&E,
можно с одинаковым правом проводить измерения напряженности
не электрического поля волны, а магнитного Н. В практике обычно
определяют электромагнитное поле путем измерения напряженности
электрического поля, которую выражают как градиент потенциала в в/м.
Таким образом, для измерения напряженности поля сигнала должна
использоваться приемная антенна такого типа, для которой можно
точно рассчитать или измерить ее действующую высоту Нд. При малой
величине напряженности измеряемого сигнала необходимо, кроме того,
определить диаграмму направленности и коэффициент усиления антенны.
В этом случае необходимо оценивать угол прихода сигнала. В связи с
тем, что хорошие антенны коротковолнового диапазона имеют
значительные геометрические размеры, измеряемая напряженность поля
различными типами таких антенн оказывается различной [145], что вносит
дополнительные трудности в измерение напряженности поля.
Из всего сказанного следует, что основным элементом компараторной
установки является приемная антенна, параметры которой должны быть
обязательно точно известны.
Вторым элементом является приемник хорошей стабильности с
выходным индикатором в виде самописца или другого регистратора.
Приемник должен быть хорошо проградуирован по выходу в зависимости
144

—™^*
Индикатор
Рис. 2.7. Блок-схема рамочного
[компаратора Г И 8], работающего по методу
замещения эталонного источника (а), и
образец записи напряженности поля
принимаемого сигнала (б)
от входного напряжения, или должен быть использован эталонный
генератор, с помощью которого производится градуировка в самом
процессе измерения методом сравнения напряжений.
Наибольшее распространение в компараторных установках получили
рамочные антенны, действующую высоту (м) которых можно определить
из выражения
*« = -пг-. <2Л4>
где п — число витков в рамке; S — площадь витка рамки, м2; К — длина
волны, м.
Блок-схема компаратора с рамочной антенной с регулировкой
усиления по высокой частоте и градуировкой от шумового генератора
представлена на рис. 2.7а [118]. С помощью такого компаратора
напряженность поля измеряется следующим образом. Рамку и приемник
настраивают на несущую частоту принимаемой станции и рамку ориентируют
таким образом, чтобы сила приема была максимальной. При этом имеющееся
у приемника АРУ должно быть отключено. О достижении оптимального
положения рамки, обеспечивающего максимальный прием, можно судить
по громкости приема на слух, а лучше всего по показанию прибора
индикатора на выходе приемника. При этом принимаемый сигнал усиливается
или ослабляется до такой величины, чтобы показание на индикаторе имело
удобную для отсчета величину. После этого, не изменяя больше
усиления, антенную рамку поворачивают на 90° относительно положения
максимального приема, добиваясь исчезновения сигнала, и включают
шумовой генератор. Регулируя интенсивность сигнала шумового генератора,
добиваются такой же величины показания индикатора, которая была на
приеме станции.
При настройке на станцию измеряемое поле Е создаст в рамке э.д.с.
соответственно выражению 2?э.д.с. = Е-Нп. Тогда напряжение,
подающееся из рамки с правого конденсатора с (с точек б — в) на вход
приемного устройства, будет
ЯЯД 1
R
2сос
= V,
пр»
ТО Ионосферные измерения
145

где 2d — емкость каждого из конденсаторов настройки рамки, а Я —
активное сопротивление рамки на принимаемой частоте.
При включении шумового генератора, для которого активной
нагрузкой будет полное сопротивление рамки в точках а — б, равное L(AcR)
(L — индуктивность рамки), на входе приемного устройства возникает
шумовое напряжение, равное Um= Im[L/(ncR)]. Здесь /^ = 2eI6Af, где
е — заряд электрона; /s — ток насыщения, а\ Д/ — полоса пропускания
устройства.
Регулировкой накала диода шумового генератора добиваются того,
чтобы показание выходного индикатора приемника было таким же, как
при приеме радиостанции, а тогда Uuv = C/m, и
EHg
= 1„
R 2coc m 4c# '
откуда
Е = К
~2#J
ИЛИ
Е = —-—j ]/ /8Д/ мкв/м,
где L дается в мкгн, Is — в а, Д/ — в гц и S — в м2.
Кроме рамочной антенны, часто применяется короткий вертикальный
штырь длиной Цм), действующая высота которого примерно равна
половине его длины. В этом случае калибровка приемного тракта
осуществляется через антенный коммутатор (АК) генератором стандартных сигналов
(Г С С), который подключается к антенному коммутатору через эквивалент
антенны (рис. 2.8).
К антенному коммутатору в этом случае предъявляются определенные
требования: а) развязка между каналами антенны и эквивалента антенны
должна быть не менее 60 дб; б) основные характеристики каналов должны
быть одинаковыми; в) коммутатор не должен вносить заметного
рассогласования в фидерный тракт.
В том случае, когда применяется антенна направленного приема, ее
действующая высота или рассчитывается, или измеряется. Необходимые
расчеты можно найти в соответствующей литературе по коротковолновым
антеннам [2]. Измерение можно выполнить с помощью стандартного
генератора поля [118]. При этом действующая высота определяется как
коэффициент пропорциональности между э.д.с. в антенне и напряженностью
поля при условии, что направление прихода волны совпадает с
направлением максимального приема антенны.
В связи с тем, что правильный подбор эквивалента для
вышеуказанных антенн оказывается очень трудной задачей, рекомендуется
собранную своими силами компарационную установку с подобранным
эквивалентом антенны проградуировать с помощью стандартного компаратора.
В качестве приемника обычно используются магистральные
коротковолновые приемники, имеющие хорошую стабильность частоты
гетеродина, высокую чувствительность, стабильность всех параметров и
переменную полосу частот приемного тракта. Наличие изменяемой полосы
пропускания приемного тракта желательно для использования такой установки
как для регистрации поля станций, работающих в непрерывном режиме
(полоса устанавливается минимальной), так и в импульсном режиме
(когда полоса расширяется) для избежания искажения формы сигнала.
Во время эксплуатации установки приемник систематически
проверяется по ряду параметров: проверяется градуировка шкалы по частоте и
146

Рис. 2.8. Функциональная
схема компаратора для регистра
ции импульсных сигналов ра
диостанций (метод А5)
при. необходимости корректируется
ристики с определением диапазона линейности, который должен быть не
менее 40 дб; проверяется стабильность усиления и бегучесть волны на
входе приемника, которая должна быть не менее 0,9.
Измерение напряженности поля на таком компараторе производится
следующим образом. При включенной антенне приемник точно
настраивается на частоту регистрируемой станции, что выполняется по
максимуму приема, если неизвестна ее частота. Усиление приемника
подбирается таким образом, чтобы изменения выходного напряжения из-за
фединга принимаемого сигнала регистрировались на линейном участке
амплитудной характеристики приемного тракта. Изменение усиления
приемника желательно по фиксированным уровням.
В течение времени регистрации уровня сигнала через определенные
промежутки времени проводится калибровка приемного тракта. Такая
калибровка должна проводиться обязательно при каждом изменении
усиления приемника.
Для проведения градуировки антенны коммутатором отключается
антенна и подключается через эквивалент антенны ГС С, который должен быть
точно настроен на частоту принимаемой станции и уровень сигнала от
которого точно известен в микровольтах. Цена деления шкалы
самописца в микровольтах предварительно оценивается градуировкой от ГСС*
Определение величины напряженности поля принимаемой станции
теперь сводится к обработке записей на ленте самописца. Образец записи
ленты представлен на рис. 2.76.
Для регистрации напряженности поля станций, работающих в
импульсном режиме, необходимо дополнительное оснащение описанного
компараторного устройства рядом блоков, которые должны обеспечить
синхронный с излучением передатчика прием импульсного сигнала.
Примерная блок-схема такого компаратора представлена на рис. 2.8.
Наиболее ответственным элементом в блоках синхронизации является
опорный генератор (ОГ), который должен обеспечить стабильность
частоты порядка 10~8 за сутки. Для этого обычно используются кварцевые вьь
сокостабильные генераторы, которые перед началом измерений, для
передающего и приемного пунктов, сводятся к одинаковой стабильности.
С помощью делителя частот (ДЧ) частота опорного генератора
понижается до необходимой частоты посылок излучаемого импульса. Этой
низкой частотой запускаются блоки: блок меток времени (ГПВ),
генератор пилообразного напряжения (ГПН) для развертки лучей осциллографа
фотозаписи (ОФЗ) и осциллографа визуального контроля (ОБК), а также
генератор стробирующего импульса (ГСИ), длительность которого
должна иметь возможность изменяться. Этот стробирующий импульс подается
на ОВК с целью выделения импульса для дополнительной регистрации^
например на анализатор импульсов (АИ), если стоит такая задача.
Требования к антенному коммутатору, приемнику (Пр) и эквиваленту
антенны (ЭА) остаются такими же, как для компаратора при регистрации
сигнала непрерывного излучения. Регистрация импульсных сигналов
\АК\—ЧП0
ЗА
Е
\гсс
ОФЗ}—]
гпв
0Г\-^-\ДУ
чш
АИ
Чгси
; снимаются амплитудные характе-
10* 147

осуществляется кинокамерой с индикатора ОФЗ с частотой, которую
требует поставленная задача, и с помощью анализатора импульсов для
получения закона распределения амплитуд. Градуировка приемного тракта
производится таким же образом, как описано выше, но необходимо учесть,
что выход ГСС прокалиброван в эффективных значениях синусоидального
напряжения и для определения амплитуды импульсных сигналов
показание выходного прибора ГСС следует умножить на 1,41.
Необходимо отметить, что рассмотренная нами блок-схема
компаратора для регистрации импульсных сигналов является примерной и может
быть усложнена введением дополнительных блоков в зависимости от
требований поставленной задачи.
Одним из серьезных требований для компарационного пункта является
выбор территории для установки приемной антенны. Необходимо иметь
в виду, что диаграмма направленности антенны в вертикальной
плоскости существенно определяется рельефом подстилающей поверхности,
площадь которой определяется размерами первой зоны Френеля.
Поэтому такая площадь (для КВ-диапазона при больших антеннах она может
достигать 2 км в диаметре) должна быть достаточно ровной, лишенной
крупной растительности, разных строений и особенно металлических
поверхностей и проводов. Закрытие горизонта с интересующих нас
направлений не должно превышать 3—5°. В случае нарушения этих условий
необходимо обязательно снять диаграмму направленности антенны.
В заключение следует отметить, что измерение напряженности поля
радиостанций относится к числу наиболее сложных радиотехнических
измерений и описанная аппаратура дает погрешность измеренных величин
в пределах 30—40%.
2.4. Метод наклонного
и возвратно-наклонного зондирования
Детальное исследование условий распространения радиоволн в
пределах одного или нескольких скачков в широком диапазоне частот дает
возможность получить как богатую информацию о состоянии ионосферы
на протяжении всей трассы и ее реакции на различные гелиопроцессы и
геофизические процессы, так и необходимые данные для обеспечения
радиосвязи.
Информацию об условиях распространения радиоволн можно
получить двумя методами: регистрацией параметров сигнала при
расположении передающего и приемного пунктов на противоположных концах
радиотрассы и при совмещении передающего и приемного пунктов на
одном из ее концов. Первый вариант наблюдений был назван методом
наклонного зондирования ионосферы (метод НЗ), а второй вариант —
методом возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ).
Аппаратура для наблюдений этими методами различается в
зависимости от задач исследований и возможностей технического решения.
При разносе передатчика и приемника на значительные расстояния,
когда исключена возможность прихода волны, распространяющейся
вдоль земной поверхности, условие приема сигнала, отраженного от
ионосферы, определяется соотношением между рабочей частотой передающего
устройства, критической частотой ионосферы, поглощением в ионосфере
и геометрией трассы распространения сигнала. При этом связь между
передающим и приемным пунктами в принципе возможна в некотором
диапазоне частот, верхний и нижний пределы которого определяются
следующими условиями. Верхний предел диапазона связи, названный
максимальной применимой частотой (МПЧ), определяется для случая плоской
Земли и ионосферы выражением
/мпч =т /крвесб,
148

гДе /кр — критическая частота отражающего слоя ионосферы; 9 — угол
падения луча на ионосферу (см. рис. 0.3), который равен выражению
Нижний предел диапазона связи, названный наименьшей применимой
частотой (НПЧ), зависит от уровня поглощения радиоволн на трассе,
от уровня помех в месте приема и того уровня напряженности поля,
который требуется для обеспечения устойчивой радиосвязи, и,
следовательно, в определенной степени определяется мощностью сигнала,
излучаемого передатчиком.
При наличии многоскачковой трассы анализ условий
распространения радиоволн расчленяется по отдельным скачкам, для которых
определяются МПЧ и НПЧ, и при выполнении условия их равенства
оказывается возможной радиосвязь по всей трассе в диапазоне частот,
заключенном между МПЧ и НПЧ.
В таком изложении нами очень грубо рассмотрен сам принцип
решения поставленной задачи выяснения условий распространения сигнала
между передатчиком и приемником. Строгое теоретическое рассмотрение
вопросов наклонного распространения радиоволн КВ-диапазона можно
найти в соответствующей литературе [3, 53], а в аспекте практического
решения — в [31, 54, 67, 82, 157].
Таким образом, основным определяющим условием, от которого
будет зависеть прохождение радиоволн в определенном участке диапазона
частот для какой-либо трассы, будет состояние отдельных параметров
ионосферы в месте отражения сигнала. В рассматриваемом примере, кроме
критической частоты и действующей высоты отражающего слоя, на
условия распространения сигнала и его траекторию после отражения сильное
влияние могут оказать появляющиеся наклоны поверхностей равной
электронной концентрации, что повлечет изменение угла 9 и,
следовательно, изменения МПЧ и траектории, которая уже будет несимметричной.
Такие наклоны в ионосфере могут появляться регулярно — за счет
суточного изменения высоты отражающего слоя, и случайно — при
появлении крупномасштабных неоднородностей повышенной или
пониженной электронной концентрации.
Накопленный большой экспериментальный материал вертикального
зондирования ионосферы позволил выявить закономерности появления
регулярных наклонов в ионосфере и предложить методы их учета при
расчете радиотрасс [90]. При этом оказалось, что учет наклона в виде
горизонтальной неоднородности электронной концентрации отражающего
слоя в большинстве случаев приводит к увеличению МПЧ и серьезному
изменению геометрии трассы.
Влияние крупных неоднородностей, появление которых случайно и
не может быть математически учтено, приводит к значительной
фокусировке, которую испытывает сигнал в пункте приема [96].
Расчету траекторий распространения КВ-сигнала и его характеристик
для различных законов распределения электронной концентрации по
высоте в отражающей области ионосферы посвящено достаточно много
публикаций как зарубежных, так и отечественных [71, 84,230]. Из
зарубежной литературы следует отметить тематический сборник «Журнала
радиоисследований» за 1968 г. [230].
Наиболее точные ответы на поставленные вопросы может дать только
строгое решение волнового уравнения для трехмерной задачи при задании
анизотропии среды и характеристик ее неоднородной структуры. Задача
сводится к решению дифференциальных уравнений второго порядка с
переменными коэффициентами, точное решение которых получено только для
некоторых случаев, что не позволяет получить ответы на все стоящие
перед практикой вопросы.
149

Рис. 2.9. Образец дистанционно-частотной характеристики сигнала при наклонном
зондировании ионосферы на переменной частоте [125]
В связи с большими трудностями при строгом решении волнового
уравнения широкое распространение получили расчеты с помощью
приближенных методов волновой теории и численные методы расчета.
Из приближенных методов волновой теории заслуживает внимания
метод геометрической оптики, который отличается от других методов
простотой и несколько большими возможностями получения аналитического
решения для ряда задач. Однако и этот метод связан с большими
трудностями в случае, если параметры среды зависят более че1м от одной
координаты.
Подробное рассмотрение этих вопросов представляет самостоятельный
большой научный и практический интерес, и мы отсылаем читателя к
соответствующей литературе [1, 230].
В отношении проведения эксперимента современная аппаратура в
виде станции наклонного импульсного зондирования с переменной
частотой, которая за короткий промежуток времени проходит широкий
диапазон частот, позволяет сразу после окончания замера получить
интересующие нас данные по ряду вопросов. С помощью такой аппаратуры на
приемном пункте синхронно с передатчиком изменяются частоты приема и
регистрируются приходящие сигналы в виде дистанционно-частотной
характеристики наклонного зондирования ионосферы (рис. 2.9).
В этом случае мы имеем возможность сразу определить МПЧ и НПЧ для
данной трассы, произвести расчет времени распространения сигнала,
дать оценку многолучевости для интересующих нас частот и построить
высотно-частотную характеристику ионосферы в точке отражения сигнала
[92].
Преимущество данного метода заключается и в том, что
систематические наблюдения на аппаратуре НЗ представляют большие возможности
оператору, который может сразу наблюдать характер изменения условий
распространения радиоволн на трассе во время протекания какого-либо
ионосферного возмущения и оперативно принять меры по обеспечению
бесперебойной радиосвязи. Метод НЗ представляет большие
возможности и для проведения научных исследований ионосферы.
По данным исследования отдельных параметров приходящего
сигнала можно изучить закономерности изменения фазы, амплитуды и пол яри*
зации сигнала. Результаты исследований как амплитудно-фазовых
характеристик сигнала [51], так и его поляризации [142] могут быть
использованы для разработки методов повышения надежности КВ-радио-
связи.
150

Вторым вариантом исследований условий распространения радиоволн
при наклонном зондировании ионосферы является метод ВНЗ. Он
дополнительно включает, с точки зрения теории распространения
радиоволн, рассмотрение механизма переизлучения сигнала земной
поверхностью в обратном направлении к передатчику. Эта часть энергии,
вернувшаяся обратным путем к передатчику, принимается приемным
устройством в пункте передачи и регистрируется на экране осциллографа в виде
широкого пакета импульсов, имеющего задержку по времени
относительно излученного импульса, равную времени его распространения до
переизлучающей поверхности и обратно.
При правильной оценке действующей высоты отражающего слоя
атмосферы по времени запаздывания сигнала ВНЗ можно сразу определить
МПЧ и дистанцию скачка. Сигналы ВНЗ могут приходить как с первого
скачка, так и со второго и последующих скачков, отражаясь от самых
различных высот ионосферы. В связи с тем, что сам метод ВНЗ не несет
прямой информации о высоте отражающей области ионосферы, основным
источником возможных ошибок при интерпретации данных наблюдений
ВНЗ является неопределенность в оценке этой высоты. Решение данной
задачи возможно как за счет совершенствования аппаратуры, в основном
путем создания узконаправленных передающих и приемных антенн [130],
так и усовершенствования методик обработки данных наблюдений ВНЗ
197, 140,-141, 149, 150, 151].
Второй сложной задачей в интерпретации данных ВНЗ является
точное определение переизлучающих свойств земной поверхности в
обратном направлении. Из экспериментальных работ [220, 221] следует вывод,
что для суши коэффициент обратного рассеяния на 10 дб ниже, чем для
морской поверхности, и резко уменьшается, начиная с угла 15° для суши
и 8° для морской поверхности. Этот вывод был подтвержден и
экспериментами в Иркутске при ВНЗ на 17 Мгц, когда были зарегистрированы
большие дальности приема сигнала ВНЗ от поверхности моря и более
широкий пакет сигнала, чем для регистрации ВНЗ от Земли [12].
В настоящее время метод ВНЗ применяется при решении следующих
задач: 1) быстрое определение МПЧ; 2) осуществление связи за счет самого
рассеянного сигнала; 3) изучение состояния ионосферы на больших
расстояниях от станции зондирования; 4) обнаружение неоднородностей с
повышенной электронной концентрацией и наблюдение за их
перемещением.
Практически метод ВНЗ реализуется в двух вариантах: зондирование
ионосферы на постоянной частоте с круговым обзором (рис. 2.10а, б)
и на переменной частоте в каком-либо азимуте (рис. 2.10в). Последний
вариант может выполняться перекрытием диапазона рядом
фиксированных частот или при плавном изменении частоты во всем диапазоне.
Метод ВНЗ наиболее удобен для определения МПЧ или оптимальной
рабочей частоты (ОРЧ) с помощью ВНЗ ионосферы на переменной частоте,
но такое определение можно выполнить и на одной фиксированной частоте.
В этом случае нам необходимо знать или высоту отражающего слоя, или
углы падения волны на отражающий слой. Тогда по формуле
можно определить ОРЧ для нужного нам расстояния. Здесь f1 — частота
зондирования; 6i — угол падения луча на слой для расстояния, при
котором применяемая частота оптимальна; 62 — угол падения для
расстояния, при котором требуется определить ОРЧ. Первое расстояние
определяется из эксперимента, а второе — задается.
В публикации [219] приведены результаты определения МПЧ и дана
оценка имевшихся погрешностей. Анализ сравнения МПЧ, полученных
но данным ВЗ, НЗ и ВНЗ, показал, что ВНЗ дает лучшие результаты.
151

1—*~Л 1
(_/
г-Ц
1 с . ,
—4iJ—
" '"■ - | «/ |
—Gl
—-Гт"
I/O
.JL.
-—U 1
"г
И
Рис. 2.10. Возвратно-наклонное
зондирование ионосферы
а — функциональная схема установки ВНЗ на
постоянной частоте с круговым обзором [10]: 1 —
механизм вращения антенны, 2 — передатчик, з —
задающий генератор, 4 — синхрогенератор, 5 —
антенный коммутатор, 6 — приемник, 7 — инди*-
катор с круговой разверткой, 8 — кинокамера,
9 — индикатор угла поворота, ю —
сервоусилитель, б — фотография экрана установки ВНЗ
кругового обзора на постоянной частоте 17 Мгц [11}
с сигналами, отраженными от слоя Е в восточном
и юго-восточном секторах; в — образец записи
дистанционно-частотнойjj характеристики сигнала
ВНЗ на переменной частоте, где нижняя кривая
соответствует распространению сигнала одним
скачком, а верхняя — указывает на наличие двух-
скачкового распространения
Оказалось, что наблюдается небольшая разница (порядка +0,5%) между
МПЧ, определенными методами ВНЗ и НЗ. В то же время отмечена
большая разница между МПЧ, полученными по данным ВЗ и НЗ (порядка
1—2%). На основании этого сделан вывод, что можно
использовать метод ВНЗ с плавным изменением частоты для регулярного
определения МПЧ на больших площадях, особенно если использовать
антенны в различных направлениях. В этом случае необходимо отметить
возможности метода для оценки роли спорадического слоя Es в КВ-связи.
Слой Е§ будет определяющим для радиосвязи в том случае, когда МПЧ
при отражении от него в данный момент будет больше, чем МПЧ для
регулярных слоев. Проведенные расчеты для линии в 2000 км [147] средних
широт, т. е. равной максимальному расстоянию скачка через слой Es.
показали, что в дневное время вероятность связи через слой Е8 имеет
максимум в июле (44%). В период с октября по март PES (процент
появления слоя Е8) меньше 10.В ночное время PES имеет два максимума:
в мае — июле (10—13%) и декабре (80%). Эти расчеты сделаны для лет
максимума солнечной активности.
В некоторых случаях после того, как передача за счет прямого
отражения от слоя прерывается, связь может поддерживаться за счет
рассеянного сигнала. Сигнал может быть максимальным, если передающая и
приемная антенны направлены в ту сторону, с которой приходят
отражения от Земли. Это направление может быть определено с помощью
установки ВНЗ. К примеру, для станций, расположенных в США [229] вдоль
северо-южного направления, самым лучшим азимутом для связи будет
юго-восточное утром и юго-западное вечером. Этим методом две станции
могут легко поддерживать радиосвязь на частоте, которая слишком
высока для непосредственной связи через отражение от ионосферы. В работе
152

[187] приведены результаты нескольких экспериментов по
осуществлению связи за счет сигнала ВНЗ.
Такой метод связи может быть использован в отдельных случаях,
когда прямой путь между корреспондентами находится в неблагоприятной
ионосферной обстановке: зона полярного поглощения, переходный
момент от дня к ночи и т. д. [203].
Сравнивая результаты ВЗ и ВНЗ ионосферы, обратили внимание на то,
что метод ВНЗ пригоден для изучения ионосферных возмущений,
которые характеризуются противоположными изменениями критической
частоты и высоты отражающего слоя ионосферы, а это приводит к
значительным изменениям дистанции скачка.
В работе [208] приведены результаты анализа наблюдений ВНЗ
ионосферы во время сильных ионосферных возмущений. Зондирование
проводилось на. двух частотах (18,6 и 22,3 Мгц) с круговым обзором. С
морфологической точки зрения, были установлены следующие зависимости:
1) зона, где происходит максимальное увеличение расстояния скачка
во время ионосферной бури, лежит приблизительно в направлении
магнитного севера; во время начальной фазы развития возмущения такая
зона движется к западу или востоку; 2) размер области, откуда приходят
сигналы ВНЗ, имеет тенденцию увеличиваться вдоль направления, после
чего отражения восстанавливаются к их первоначальному виду.
В работе [171] приведены результаты наблюдений ВНЗ во время
возмущений типа внезапной вспышки поглощения (ВПП). Наблюдения
проводились на трех фиксированных частотах (12,18 и 30 Мгц). В результате
было отмечено две зависимости: 1) наиболее сильное влияние от такого
типа возмущения на сигнал ВНЗ испытывали экваториальные станции и
наименьшее — полярные станции; 2) во время возмущения наблюдалось
уменьшение области отражений по ширине сигнала ВНЗ и увеличение
дистанции скачка.
С помощью метода ВНЗ ионосферы было проведено много наблюдений
за движением спорадических образований повышенной электронной
концентрации в слое Е. Так, в публикации [171] приведены данные
наблюдений ВНЗ на двух частотах (17,3 и 30,66 Мгц) с круговым обзором, по
которым при средней продолжительности жизни регистрируемых облаков
слоя Es в 3 часа отмечено преимущественное движение на запад с
оптимальной скоростью 250 км/час. Такого же порядка скорости были
получены в экспериментах, опубликованных в [11, 184, 214, 218].
Размеры таких облаков в направлении распространения составляют
примерно 250 км [174, 184], в то же время при исследовании условий
радиосвязи через Е8 [173] облака имели длину 500—1000 км и ширину
200 км.
Методика определения скорости движения неоднородностей методом
ВНЗ с круговым обзором не дает уверенности в получении истинных
значений, так как оказалось, что величина скорости зависит от интервала
времени усреднения [10] и при коротком интервале времени иногда
достигает очень больших значений. Более детальный анализ характера
изменения спорадического слоя Е и изменения величины и направления
скорости движения неоднородности по направлению зондирования при
ВНЗ показал, что эти движения в большинстве случаев объясняются
изменениями предельной частоты и высоты слоя Е^.
Аппаратура станций НЗ и ВНЗ
Принципиальное техническое решение аппаратуры станции
наклонного, зондирования на скользящей частоте не отличается от такового для
станции вертикального зондирования.
Для станции НЗ передатчик должен обладать большей мощностью и
широким диапазоном частот. Мощность передатчика и диапазон работы
15а

«станции НЗ определяются данными трассы, на которой эта аппаратура
должна использоваться. Основным блоком, определяющим эффективность
работы данной аппаратуры, является устройство синхронизации с
автоматическим согласованием фаз опорных генераторов передатчика и
приемника и синхронной перестройкой частоты. Краткое описание
работы аппаратуры НЗ, принцип устройства синхронизации даны в [125].
Некоторые соображения по синхронизации опубликованы в [17]. Для
хорошей работы синхронизирующих устройств необходимо хранение
постоянства частоты опорных генераторов, что можно сделать с помощью
приема сигналов точного времени. Ознакомиться с аппаратурой и
методикой приема сигналов точного времени можно в публикациях [17, 132].
Задача точного хранения частоты опорным генератором остается
первостепенной и при фазовых измерениях сигнала [33, 51]. Описание
фазометра, позволяющего измерять разность фаз с точностью 3—4°, дано в
[52].
С кратким описанием методики и аппаратуры для исследования
поляризационных характеристик КВ-сигналов можно познакомиться в
публикациях [33, 129]. При регистрации поляризации КВ-сигнала более
целесообразно ставить фазирующее устройство на одну частоту
промежуточного усилителя двухканального приемника с общим гетеродином, чем
ставить фазовращатель на антенны и добиваться его хорошей работы в
большом диапазоне высоких частот. В этом случае необходимо иметь
полную идентичность по всем характеристикам обоих каналов приемника.
Одним из технически трудных, но очень важных измерений для
расчета траекторий распространения радиоволн является измерение углов
прихода. Ознакомиться с этим вопросом можно в публикации [106],
где приводится довольно полная библиография.
Аппаратура ВНЗ на постоянной частоте с круговым обзором работает
по принципу, который виден из функциональной блок-схемы на рис. 2.10 а
[10]. Как правило, такие установки имеют одну антенну, на которую
производятся передача и прием. При высоких частотах эта антенна имеет
небольшие размеры и может быть выполнена в виде вращающегося
волнового канала. Защита входа приемника от перегрузки во время работы
передатчика осуществляется антенным коммутатором, который
представляет собой шлейф длинной линии в четверть волны с искровым
разрядником. Пример записи сигналов представлен на рис. 2. 106.
Аппаратура ВНЗ на скользящей частоте работает по такому же
принципу, как и установка наклонного зондирования (примерно в том же
диапазоне частот), но прием и передача радиоимпульсов ведутся на
различные антенны, которые имеют острую направленность и ориентированы в
одном и том же направлении. Частота передачи и приема изменяется
синхронно, и в качестве индикатора используется панорамный метод,
как для ВЗ и НЗ. Мощность передатчика желательно иметь большую.
Образец записи представлен на рис. 2.10 в.
2.5. Кругосветное распространение радиосигналов
Регистрация случаев кругосветного распространения КВ-сигналов
привлекла внимание исследователей, и в период 30—507х годов был
опубликован ряд работ по этому вопросу. Для проведения
эксперимента была разработана аппаратура, которая могла точно измерять
время запаздывания эхо-сигналов. Наблюдения проводились в Дании в
диапазоне 10—20 Мгц. Для распространения сигнала вокруг
земного.шара наиболее благоприятно то время суток, когда путь распространения
(дуга большого круга) лежит в области, близкой к затемненному поясу.
В связи с систематическим осуществлением радиосвязи между Москвой
ж Антарктидой (Мирный) представилась возможность выполнить анализ
154

условий кругосветного распространения КВ-сигнала. В результате было
получено, что оптимальные условия соответствуют периодам времени,
когда трасса составляет наименьший угол с границей дня и ночи. При этом
■оптимальные условия для обратных и прямых эхо различны. Обратные
эхо лучше проходят, когда прямая трасса освещена, а обратная в
основном находится в затемненной области, и наоборот [55].
Прямые эхо при огибании земного шара затухают в среднем на 20—
—30 дб, а при повторном прохождении — на 15 дб, что не укладывается
в расчет обычного скачкового механизма распространения.
Время огибания эхо-сигнала вокруг Земли оказалось очень
постоянным — 0,13760—0,13805 сек [188], в среднем 0,13788 сек, и не зависимым от
частоты зондирования, времени дня и сезона.
В тех случаях, когда наблюдались сигналы, обегавшие Землю в
обратном направлении, по разности времени запаздывания прямого и обратного
сигналов можно было вычислить расстояния между приемным пунктом и
передатчиком. Стабильность времени распространения позволяла
определять эти расстояния с ошибкой в 30 км на 1000 км, а иногда эта ошибка
доходила лишь до 3—5 км.
При расстояниях до передающей станции меньше 1000 км основной
сигнал часто приходил по нескольким путям.
Были отмечены случаи, когда амплитуда принимаемого сигнала была
как бы модулирована с частотой в пределах 01—0,5 гц, но если трасса
проходила через полярные области, то частота колебаний изменялась до
пределов 5—30 гц.
2.6. Измерение параметров ионосферы
по характеристикам УНЧ излучения
Наиболее ретулярно действующим источником ультранизкочастотного
излучения около земной поверхности является молния. Молниевый
разряд сопровождается излучением пакета электромагнитных волн в
диапазоне от единиц герц до 30—50 кгц. Называют такие пакеты атмосферика-
ми. Создать достаточно мощный искусственный излучатель на такой
диапазон частот — задача трудно осуществимая. В то же время
молниевые разряды наблюдаются достаточно часто и возникают во многих
районах земной поверхности, так что анализ свойств излучения,
сопровождающего такой разряд, может дать нам большое количество ценной
информации о состоянии ионосферы.
Из многочисленных опытов известно, что в зависимости от расстояния,
которое успевают пройти эти электромагнитные колебания от места
возникновения^ до точки регистрации, а также в зависимости от того, где
проходит траектория их распространения, результат регистрации имеет
-свою характерную форму.
Прямое распространение генерируемого молниевым разрядом
излучения вдоль земной поверхности обусловливается отражением этого
излучения от нижней границы ионосферы и происходит, таким образом, в
волноводе «Земля — иоцосфера». В непосредственной близости от
источника, на расстояниях от нескольких десятков километров до 100—200 км,
регистрируемый сигнал имеет форму, изображенную на рис. 2.11а; форма
сигнала, регистрируемого на расстояниях, превышающих 200 км от места
излучения, приведена на рис. 2.116. Как видно из этих рисунков, сигнал
состоит из двух частей. Высокочастотная его часть, формируемая
волнами с частотой 1—30 кгц, имеет вид квазипериодических затухающих по
амплитуде колебаний с увеличивающимся периодом, длительность
которого порядка 500—1000 мксек. За этой частью, последний период которой
имеет очень малую амплитуду, идет низкочастотный «хвост»,
формируемый волнами с частотой меньше 1 кгц. Максимум энергии этой части
155

6
~^rw
ZO'OMKceK
Время
¥,^f^,''^"; :^*>;;«?M
ШШШШ
Щ^Ш^'ъЪ:
т.
Рис. 2.11. Результаты
регистрации атмосферика,
распространяющегося в волноводе
«Земля — ионосфера», на разных
расстояниях от источника
[8, 9]
а — классические формы атмосфе-
риков, регистрируемых наземной
аппаратурой; б — высокочастотная
часть атмосферика (А) и его хвост
(Б); в — электронный и ионный
свисты, зарегистрированные в
непосредственной близости от^спутника
L9]
сигнала лежит в области частот 60—200 гц. Хвост атмосферика обычно со-
стоит из одного-двух полупериодов, длительность его достигает нескольких
десятков миллисекунд.
Вопросы распространения ультранизкочастотных колебаний в нижней
ионосфере до сих пор являются предметом серьезного теоретического
рассмотрения (см., например, [8]). Рассчитываемые теоретически спектры
атмосфериков близко совпадают с получаемыми из эксперимента.
Сопоставление этих результатов позволяет судить о свойствах нижней
ионосферы: оценить резонансные свойства волновода, в котором распространи-
156

«ется атмосферик, определить влияние границ раздела (в частности,
неоднородной структуры ионосферы), внешнего магнитного поля Земли и т. д.
Весь круг вопросов, связанных с теоретическим рассмотрением
ультранизкочастотного излучения в нижней ионосфере и экспериментальными
результатами исследования этого явления, подробно изложен в работе [8].
Наряду с отражением генерируемых молниевыми разрядами
сигналов от нижней границы ионосферы эти сигналы могут просачиваться в
глубь ее вдоль силовых линий магнитного поля. Канализируясь по этой
линии, пакет волн, образующих атмосферик, может пройти значительное
расстояние и достичь противоположного конца силовой трубки. При этом
юн будет регистрироваться в точке, магнитосопряженной с той, в которой
произошло излучение. Возможны случаи, когда такой атмосферик
совершает вдоль силовой линии многократные переходы от одного конца
трубки к другому. Поскольку свободные электроны (а также и ионы)
оказывают диспергирующее действие на распространяющийся сигнал, форма
регистрируемого сигнала в значительной степени отличается от формы тех
•сигналов, которые регистрируются в результате распространения по
приземному волноводу (спектр регистрируемого сигнала сильно растянут
во времени, запаздывание увеличивается с уменьшением частоты). На
выходе приемника такой пакет волн слышен как сигнал с понижающимся
во времени тоном. По этой причине сигналы такого типа получили название
свистящих атмосфериков.
Низкочастотные волны, входящие в состав свистящих атмосфериков,
перекрывают широкий диапазон частот от / <^ QH, где йя —
гироскопическая частота ионов, до / ^Qh- Можно выделить «электронные» и «ионные»
(протонные) свисты в зависимости от того, движением электронов или
ионов обусловливается их распространение. Ионные свисты
распространяются и регистрируются только на частотах меньше Qh- При / ж QH они
обрезаются вследствие циклотронного резонанса. Пример ионного свиста
приведен на рис. 2.Не.
Ионные свисты, а также низкочастотную часть электронных свистов
(с со порядка десятков герц) удалось отчетливо зарегистрировать с по-
-мощью аппаратуры, устанавливаемой на искусственных спутниках Земли.
Из приводимых иллюстраций видно, что структура регистрируемых на
ИСЗ сигналов отличается от обычного вида свистящих атмосфериков,
фиксируемых наземной аппаратурой. Объясняется это тем, что в данном
случае сигнал успевает пройти лишь весьма малую часть траектории
(всего от места возникновения атмосферика до точки, в которой находится
спутник) и потому спектр его деформируется незначительно.
В том случае, когда удается зафиксировать одновременно и
электронный, и ионный свисты, из такой картины удается извлечь немало ценной
информации. Вопросы интерпретации результатов находятся пока еще
в начальной стадии своего разрешения (см., например, [6,100]). Мы
ограничимся лишь указанием, что поскольку, как известно, обрезание свиста
происходит на циклотронной частоте, то по обрыву следа (его частотной
координате, которую можно приближенно принять равной Qh — {^)i
J(MiC), где Н — магнитное поле, a Mi — масса иона) можно определить
ионный состав ионосферы на трассе распространения атмосферика. В [6]
указано, что по точке пересечения электронного и ионного свистов (см.
рис. 2.Ив) можно также попытаться оценить ионную концентрацию.
Электронные свисты имеют малое затухание во всем диапазоне частот
от / <^ QH до/^йя- Примеры их регистрации даны на рис. 2.12.
Различаются обыкновенные свистящие атмосферики, в которых время
запаздывания спектральных составляющих т(/) монотонно изменяется с
частотой (рис. 2.12а, б) и так называемые носовые свисты (рис. 2.12в), для
конфигурации] которых характерно наличие точки перегиба, где dx(f)ldf = 0.
Определяемая в ней так называемая носовая частота /дг соответствует
апогею траектории волны в области магнитного экватора.
157

Одновременно со значением fN с осцилограммы снимается
соответствующее этой частоте максимальное время запаздывания tn.
Экспериментально определенные значения fN и %N сопоставляются затем с
рассчитываемым теоретически семейством кривых т (/). При расчетах задается
в аналитической форме распределение электронной концентрации по
высоте. Чаще всего используются функции
N W ~ с. {-J^rrf *N(h)~ с0 (^)3 ехр (^т) ,
где i?0 — радиус Земли, a h — высота апогея траектории, по которой
распространяется атмосферик.
В результате сопоставления определяется значение электронной
концентрации в области апогея. Подробно задача определения высотного
хода электронной концентрации во внешней ионосфере рассматривается
в работе [114].
Характеристики свистов зависят не только от электронного
распределения, но и от величины магнитного поля и конфигурации его. Обычно
при интерпретации свистов магнитное поле полагается дипольным.
Однако при наличии магнитной возмущенности отклонения от дипольного
распределения могут быть довольно существенными. В такой ситуации
обычная интерпретация свистов может оказаться некорректной [102].
Эффективность метода свистового зондирования можно заметно повысить
за счет учета реальной конфигурации магнитного поля в магнитосфере..
В [101] высказывается предположение, что возможно решение
обратной задачи: по конфигурации свиста определять возмущенность
магнитного поля, причем показано, что существует принципиальная
возможность оценить изменения как вектора, так и модуля напряженности поля.
Методы регистрации
Известны два метода получения спектров атмосфериков: метод
настроенных приемников и метод полного гармонического анализа единичных
атмосфериков. В первом из них регистрация атмосферика производится
одновременно на нескольких настроенных узкополосных приемниках,
что позволяет непосредственно получать амплитудный спектр [225].
Второй метод предполагает регистрацию суммарного поля единичного
атмосферика на некотором широкополосном устройстве, а затем
проведение гармонического анализа с целью выделения составляющих. В [103,.
158

7 h
//
Л)-переключатель частотного i{
масштаба %К
12
13
/4
17
18
10
15
16
19 Н
-гй~
Рис. 2.13. Функциональная схема спектроанализатора [127]
J — магнитофон МЭЗ-15; 2 — входной каскад; 3 — балансный смеситель; 4 — резонансный
усилитель; / = 50 кгц; 5 — второй смеситель; 6 — резонансный усилитель, / = 3 кгц; 7 —
частотно-модулированный генератор; 8 — переключатель диапазонов; 9 — генератор напряжения, / = 47 кгц\
10 — оконечный усилитель; 11 — генератор горизонтального развертывающего напряжения;
12 —усилитель импульсов, переключающих ШИ-50/4; 13 — переключающее устройство ШИ-50/4;
14 — первый ряд контактов ШИ-50/4 с линейным делителем напряжения; 15 — второй ряд
контактов ШИ-50/4 с нелинейным делителем напряжения; 16 — третий ряд контактов — ключ для
маркировки луча; 17 — усилитель горизонтального отклонения луча; 18— усилитель вертикального
отклонения луча; 19 — источник напряжения / = 50 гц для подсветки маркерных линий частоты;
20 — генератор
127] описан вариант такой аппаратуры. Собственно регистратор состоит
из вертикальной антенны, антенного усилителя с полосой пропускания
400 гц — 18 кгц и магнитофона МЭЗ-15. Чувствительность регистрирую1
щего устройства при полной полосе пропускания 10 мкв/м. Запись ведется
на магнитную ленту в полосе частот до 18 кгц при скорости 770 мм/сек.
После регистрации сигнал поступает на спектроанализатор.
Блок-схема его представлена на рис. 2.13. Основу устройства составляет несколько
видоизмененный прибор АСНЧХ-1.
Анализируемый сигнал перезаписывается на кольцо из магнитной
ленты, в результате чего имеется возможность его многократного
воспроизведения. С помощью частотно-модулированного гетеродина различные
спектральные компоненты сигнала последовательно преобразуются в
частоту 3 кгц, которая выделяется специальным резонансным
усилителем. Выделенная компонента подается на модулирующий электрод
трубки.
Генератор горизонтального отклонения луча трубки синхронизирован
движением магнитного кольца и запускается при каждом его обороте.
На вертикальные пластины электронно-лучевой трубки и к
частотно-модулированному гетеродину подается ступенчатое напряжение. В
результате на экране трубки получается растр из 50 линий; каждой линии
растра соответствуют определенная частота гетеродина и новый оборот
кольца. После 50-кратного прокручивания ленты, на которой записан
исходный сигнал, осуществляется полный спектральный анализ с
дискретностью, определяемой законом, по которому меняется частота гетеродина.
Описанный прибор имеет некоторые недостатки, к числу которых
следует отнести большое отношение времени анализа к длительности
анализируемого сигнала (>50) и затрудненность анализа сигнала, длящегося
159

более 2 сек. Создан многоканальный спектроанализатор [93], свободный
от этих недостатков, который позволяет осуществить анализ спектра,
используя однократную протяжку магнитной ленты, на которой записан
исходный сигнал.
Входной усилитель этого анализатора заканчивается сложным
катодным повторителем, нагрузкой которого служит 31 фильтр. Резонансные
частоты фильтров равномерно распределены в полосе 0,5—8,0 кгц с шагом
250 гц. Каждый фильтр состоит из двух связанных контуров. Первый из
контуров, включенный последовательно, обеспечивает малое входное
сопротивление всего фильтра в полосе пропускания и большое — вне этой
полосы. Фильтры нагружены на детекторы. Полоса пропускания 200 гц.
Для периодического подключения селективных каналов анализатора к
выходному устройству служит диодная матрица, управляемая
импульсным генератором. Период коммутации матрицы 2 или 5 мсек, время
подключения каждого канала матрицы к индикатору 62,5 или 157 мксек.
В процессе работы устройства на выходе матрицы возникает серия
импульсов длительностью т с амплитудой, равной выходному напряжению
соответствующего фильтра. Последовательность этих импульсов
поступает на усилитель осциллографа.
Для получения динамического спектра атмосферика импульсы с
выхода матрицы подаются на модулирующий электрод трубки. Развертка
осуществляется пилообразным напряжением, длительность которого
совпадает с периодом коммутации матрицы. Для синхронизации развертки
используется один из импульсов, управляющих матрицей. Получаемая
на экране трубки картина фотографируется на равномерно движущуюся
пленку, что создает развертку спектра во времени.
Данный анализатор позволяет также получать и обычный
амплитудный усредненный во времени спектр.
Анализ свойств свистящих атмосфериков в настоящее время признается
одним из наиболее перспективных методов определения параметров
внешней ионосферы.
2.7. Использование ионосферных данных
в практике радиосвязи
В заключение следует хотя бы кратко коснуться вопроса о
прикладном аспекте использования тех параметров ионосферной плазмы, которые
можно получить, применяя описанные выше методы ионосферных
изменений. Важнейший из прикладных аспектов — радиосвязь на коротких
волнах. Связь на коротких волнах до настоящего времени является
основным видом магистральной радиосвязи на больших (несколько тысяч
километров) расстояниях. В радиовещании, радионавигации, загоризон-
тной радиолокации, связи с кораблями и самолетами также
используется ионосферное распространение коротких радиоволн. Наконец,
короткие радиоволны успешно используются для связи с низколетящими
искусственными спутниками Земли и космическими кораблями.
Распространение коротких волн на большие расстояния происходит,
как правило, скачками, путем последовательных отражений от «стенок»
волновода «Земля — ионосфера». Расстояние скачка, углы выхода и
прихода, диапазон частот, в котором можно осуществить радиосвязь на
данной трассе,— все эти величины являются сложной функцией параметров
применяемой аппаратуры и состояния ионосферы на трассе.
Так, расстояние скачка — существенная характеристика радиосвязи —
зависит не только от диаграммы направленности антенны в
вертикальной плоскости и рабочей частоты, определяющей глубину проникновения
волны в ионосферу и ту электронную плотность, при которой возможно
отражение от ионосферы, но и от высоты отражающего слоя.
160

Максимальная применимая частота (МПЧ), т. е. наибольшая частота,
которая может отразиться от ионосферы при заданном расстоянии,
являющаяся одной из основных характеристик радиосвязи и определяющая
верхнюю границу диапазона рабочих частот, связана с критической
частотой отражающего слоя ионосферы, т. е. сэлектронной
концентр а циейв максимуме слоя. МПЧ может быть рассчитана по вы-
сотно-частотной характеристике ионосферы в точке отражения,
полученной методом импульсного вертикального радиозондирования.
Частота радиосвязи, ограничивающая диапазон рабочих частот
снизу, т. е. наименьшая применимая частота (НПЧ), зависит от степени
поглощения радиоволн в ионосфере, измерение
которого подробно рассматривалось в предыдущих разделах.
Горизонтальная неоднородность ионосферы, наличие в ней
рассеивающих центров, наклоны поверхностей равных концентраций, наличие в
ионосфере больших неоднородностей, ориентированных вдоль
геомагнитного поля, спорадический слой Е8, спорадические образования в области
F — все это оказывает существенное влияние на радиосвязь, являясь
причиной «нестандартного» распространения радиоволн. Влияние
вышеперечисленных! факторов может и улучшать и ухудшать радиосвязь в
зависимости от конкретных условий. Поэтому необходимы тщательные и
систематические измерения параметров ионосферных неоднородностей,
динамического режима в ионосфере в глобальном масштабе.
Существуют разработанные методы расчета характеристик
радиосвязи по характеристикам ионосферы, а также методы прогноза условий
радиосвязи для средних, спокойных условий в ионосфере (долгосрочный
радиопрогноз [73]) и возмущенных условий (краткосрочный
радиопрогноз [75]). Долгосрочный радиопрогноз сводится к расчету диапазона
рабочих частот на данной трассе с заданной заблаговременностью. Для его
составления необходимо изучение пространственно-временных
вариаций параметров ионосферы, измеряемых мировой сетью наземных
установок вертикального радиозондирования ионосферы, летающих и
плавающих ионосферных станций, установок некогерентного рассеяния и
т. п. Расположение пунктов, где проводились ионосферные измерения по
единой согласованной программе в период Международного Года
Спокойного Солнца (1964—65 гг.), приведено [73]. Основу измерений составляло
получение высотно-частотных характеристик ионосферы. Анализ этих
данных позволяет определить характер суточных, сезонных, гелиоцикли-
ческих, широтных и долготных вариаций Л^*(/г)-профилей ионосферы.
Для определения МПЧ на коротковолновых радиолиниях любых
направлений и протяженности на основе прогнозов для отдельных пунктов
и последующей интерполяции для координат между этими пунктами
составляются мировые карты МПЧ для регулярных слоев ионосферы.
Для прогноза критических частот регулярных ионосферных слоев
F2, F1 и Е в отдельных пунктах используется эмпирическая зависимость
критических частот от уровня солнечной активности или от фазы
солнечного цикла. Эмпирические кривые строятся на базе длительных рядов
наблюдений и непрерывно уточняются с поступлением новых данных. В
результате для каждого часа местного времени можно построить мировую
карту прогнозируемых критических частот от МПЧ для данного слоя и
расстояния. Примеры таких карт приведены на рис. 2.14 и 2.15 [73].
МПЧ регулярных слоев определяется при этом как медиана
ежедневных значений за месяц, т. е. частота, обеспечивающая отражение в 50%
случаев. Выбор рабочих частот на 5—10% ниже МПЧ для регулярного
слоя Е или на 15—25% ниже МПЧ для слоя F2 обеспечивает устойчивую
радиосвязь с использованием отражения от этих слоев с вероятностью
— 90%. Используя карты такого типа и некоторые дополнительные
данные (карты глобального распределения вероятности появления
спорадического слоя Es с различной электронной плотностью, зависимость
11 Ионосферные измерения
161

о н л
(н ® сб
о S в
& , и
н
• CSI в •
• h*ON
Р* ю И ■*-•
1
о о
162

130 120 110 100 90 80 70
50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90. 100 110 120 13Г 140 150 160 170 180 170 160 150 140
ISO UO UO 100 BO «0 70 60
'1Г0М80
Рис. 2.15. Карта
прогноза МПЧ слоя F2.
Расстояние скачка 4000 км*
Январь, 1967 г. [73]

to\
15
го
\30
Ьо
*60
150
гоо
кО
у зо
у уп
[Л
[V.
г 3
г г
У 1,5
—
^
^
1
1
1
1
у-
1
7?"
!
=2
2
дат
:—J
Л
=3
-V3
—ч
^
щ
^3
i
н
н
го
if9°
J 5" ^
-JJ
0 оч 08 1г 16 го ги
Местное бремя б точке отражения
высоты ионосферных слоев от
времени суток и т. п.), можно получить
суточный ход МПЧ для радиолиний
любой протяженности и
ориентации. Пример таких кривых — на
рис. 2.16. В массовых расчетах для
конкретных радиолиний они
вычисляются с помощью ЭВМ [95].
Условия радиосвязи в
конечном итоге определяют
напряженность поля в месте приема. Для
определения этой величины
необходимо, строго говоря, знать
траекторию распространения и
степень поглощения радиоволн
средой. Кроме того, необходимо
учитывать при расчете замирания
фединг, вызываемый как
интерференцией в точке приема лучей,
испытавших различное число
отражений от ионосферы (многолуче-
вость), так и неоднородной
структурой ионосферы. Практически
рассчитывается среднее, эффективное значение напряженности поля.
Методика расчета напряженности поля в месте приема является
полуэмпирической, т. е. она основана на использовании численных
коэффициентов в расчетных формулах, определяемых опытным путем, путем
сопоставления теоретических закономерностей с результатами
систематических ионосферных измерений — компарирования и изучения
зависимости поглощения радиоволн от сезона, широты, времени суток,
солнечной активности, рабочей частоты и других факторов. Широко применяется
в практике радиосвязи метод А. Н. Казанцева [82]. В этом методе подсчи-
тывается поглощение во всех слоях ионосферы, через которые
радиоволна проходит и от которых отражается. Частотная зависимость
поглощения подсчитывается для каждого слоя отдельно — при отражении от
слоев Е и F1 поглощение пропорционально 1//, а при отражении от слоя
F2 — I//2. В общем случае — отражения от слоя F2 при наличии
нижележащих слоев D, E HjFI, коэффициент поглощения
3/| sec фд 2,5/| sec ф£ 0,4/|
Рис. 2.16. Суточный ход F2 МПЧ. Январь
1968 г. Широта 55—65° с. ш.
Числа у кривых соответствуют протяженности
радиолиний в км [73]
(/ + /l)2
2,5/| sec ф£
(/ + /l)2
+
>4>F1
(/ + /l)2
0,02 cos3 /F2/2
где / — рабочая частота; fL — продольная составляющая гирочастоты
электронов; fD— критическая частота слоя Е\ ср — углы падения
радиоволны на соответствующие слои.
Наименьшая применимая частота, которую особенно важно знать на
протяженных многоскачковых радиотрассах, зависит от напряженности
поля в месте приема и от уровня помех (а также, естественно, от
параметров приемно-передающей аппаратуры и вида связи). Особенно сложен
прогноз МПЧ — НПЧ для радиотрасс, проходящих через высокие
широты. Ионосфера высоких широт характеризуется аномально-высоким
поглощением радиоволн, наблюдаемым одновременно на большой
площади в полярной шапке и в зоне полярных сияний. Закономерности этих
явлений были изучены в последние годы главным образом благодаря
систематическим риометрическим измерениям. Этот метод измерения
поглощения оказался наиболее эффективным в высоких широтах.
164

Составление радиопрогноза для связи с подвижными объектами
связано с необходимостью учета изменения всех характеристик трассы при
движении объекта. Условия коротковолновой радиосвязи с
искусственными спутниками Земли на расстояниях, превышающих зону прямой
видимости, зависят от высоты орбиты, степени освещенности трассы,
состояния ионосферы. Если ИСЗ имеет орбиту, проходящую ниже
максимума слоя F2, в зоне действия наземных ионозондов, то условия
прохождения радиоволн определяются многоскачковым механизмом, хотя он и не
является единственным. Часто радиоволны при наличии эффективных
наклонов ионосферы распространяются путем многократных отражений от
ионосферы без отражения от Земли. Это приводит к возможности
радиосвязи на частотах вне «стандартного» рабочего диапазона. Большую роль
при связи с ИСЗ играют ионосферные неоднородности и слой Е. Для ИСЗ,
чьи орбиты проходят выше максимума слоя F2, условия коротковолновой
связи сильно ухудшаются.
Радиопрогноз, его точность и эффективность проверяются опять-таки
по данным наблюдений ионосферных станций. Лучшим методом проверки
прогноза и выбора оптимальных рабочих частот для устойчивой
радиосвязи является наклонное зондирование ионосферы, описанное в
разделе 2.4.
Ионосферные возмущения являются одной из основных причин
нарушения радиосвязи. Их воздействие сказывается в уменьшении
воздействия напряженности поля, усилении замираний, возрастании уровня
помех. Эти явления объясняются изменением характеристик ионосферных
слоев во время возмущений. Физический механизм ионосферных
возмущений в настоящее время понят не до конца, но исследования материала
наблюдений мировой сети ионосферных, магнитных и солнечных
обсерваторий уже позволили установить их основные закономерности —
зависимость от геомагнитной широты, времени суток и уровня солнечной
активности.
Эти закономерности служат основой составления прогноза
ионосферной возмущенности и связанного с ним краткосрочного радиопрогноза.

ЛИТЕРАТУРА
1. Авторефераты докладов, IX Всесоюзная конференция по распространению
радиоволн. Харьков, Изд-во АН УССР, 1969.
2. Айзенберг Г. 3. Коротковолновые антенны. М., Связьиздат, 1962.
3. Альперт Я. Л. Распространение радиоволн и ионосфера. М., «Наука», 1960.
4. Альперт Я. Л. О методе исследования ионосферы с помощью искусственного
спутника Земли.— Успехи физ. наук, 1958, т. 64, вып. 1, 3.
5. Альперт Я. Л., Белянский В. Б., Кутяков А. Ф. О когерентной радиоприемной
установке для регистрации разности допплеровского смещения частот радиоволн,
излучаемых с ИСЗ.— Геомагнетизм и аэрономия, 1963, т. 3, № 1.
6. Альперт Я. Л. Низкочастотные волны около Земли и в космосе.— Земля и
Вселенная, 1967, № 6.
7. Альперт Я. Л. О некоторых исследованиях ионосферы с помощью радиоволн,
излучаемых с ИСЗ.— В кн. «Успехи СССР в исследовании космического
пространства». М., «Наука», 1968.
8. Альперт Я. Л., Гусева Э. Г., Флигель Д. С. Распространение низкочастотных
электромагнитных волн в волноводе «Земля — ионосфера». М., «Наука», 1967.
9. Альперт Я. Л. Внешняя ионосфера и ее переход в межпланетную среду.— Успехи
физ. наук, 1966, т. 90, вып. 3.
10. Александрова Л. В., Ерофеев Н. М., Носов В. Е. и др. Наблюдение
крупномасштабных образований спорадического слоя Es методом ВНЗ кругового обзора в
Иркутске.— В сб. «Результаты наблюдений и исследований в период МГСС», № 2.
М., «Наука», 1966.
11. Александрова Л. В. Определение скорости и направления движений крупных
образований Es методом ВНЗ.— В сб. «Ионосферные исследования», № 17. М.,
«Наука», 1969.
12. Александрова Л. В. Оценка МПЧ по данным ВНЗ и оправдываемость
долгосрочного прогноза.— Геомагнетизм и аэрономия, 1968, т. 8, № 3.
13. Атаев О, М. Влияние неоднородной структуры ионосферы на поглощение
радиоволн.— Радиотехника и электроника, 1957, т. II, № 5.
14. Асеев В, П, Колебательные цепи. М., Госрадиоиздат, 1955.
15. Афраймович Э. Л., Егоров Ю. А. Установка для массового ввода в УВЦМ
координат кривых, заданных на изображении с высоким уровнем помех.— Геомагнетизм
и аэрономия, 1965, т. 5, № 4.
16. Афраймович Э. Л. Устройство для автоматической многоканальной регистрации
и ввода в У ЦВМ экспериментальной информации при исследовании ионосферы.—
В сб. «Исследования по геомагнетизму и аэрономии». М., «Наука», 1966.
17. Барабашев Б. Г., Гурний В. В., Калядин Б. Г. Устройство синхронизации
развертки для аппаратуры наклонного зондирования.— Геомагнетизм и аэрономия,
1969, т. 9, № 5.
18. Бенедиктов Е. А., Коробков Ю. С, Митяков Н. А. и др. Результаты измерения
поглощения радиоволн в ионосфере.— Изв. высших учебных завед. Радиофизика,
1960, т. 3, № 6.
19. Бенькова Н. П. Конференция по ионосфере (Ницца 11—17.XII 1961 г.).—
Геомагнетизм и аэрономия, 1962, т. 2, № 4.
20. Бенедиктов Е. А., Митяков Н. А. О поглощении космического радиоизлучения
в ионосфере.— Изв. высших учебных завед. Радиофизика, 1961, т. IV, № 1.
21. Бенедиктов Е. А. Об одном радиоастрономическом методе определения
поглощения радиоволн в ионосфере.— Радиотехника и электроника, 1959, т. IV, № 7.
22. Беспрозванная А. С, Горбушина Г. И. Морфология возмущенной ионосферы
высоких широт (по данным МГГ). Л., Гидрометиздат, 1965.
23. Беликович В. В., Иткина М. А., Родыгин Л. В, Нахождение профиля
электронной концентрации в нижней ионосфере по частотному ходу поглощения.—
Геомагнетизм и аэрономия, 1964, т. 4, № 4.
24. Беликович В. В. Аппаратура для регистрации уровня космического
радиоизлучения в декаметровом диапазоне воли.— Изв. высших учебных завед. Радиотехника,
1968, т. XI, № 8.
166

25. Беликович В. В., Бенедиктов Е. А. Радиоастрономический метод измерения
величины поглощения радиоволн в ионосфере.— Изв. высших учебных завед.
Радиофизика, 1969, т. XII, № 10.
26. Белроуз Дж. С, Измерения электронной концентрации в области D методом
частичного отражения.— В кн. «Электронная концентрация в ионосфере и экзосфере».
М., «Мир», 1966.
27. Успехи СССР в исследовании космического пространства, 1957—1967. Под ред.
А. А. Благонравова. М., «Наука», 1968.
28. Бонч-Бруевич А.М. Радиоэлектроника в экспериментальной физике. М., «Наука»,
1966.
29. Бончковская Ю. С, Васильев Г. В. Установка по измерению поглощения методом
А2.— Докл. научного симпозиума по ионосфере. Изд. Ростовск. гос. ун-та, 1961.
30. Бриллюен Л, Научная неопределенность и информация. М., «Мир», 1966.
31. Булатов Я. Д., Уланова Р. А., Краюшкина В. Ф. Выбор рабочих частот для
быстродействующей коротковолновой радиосвязи через ионосферу.— Труды ЦНИИС,
1964, № И.
32. Булатов Я. Д., Кулаков В. 7\, Уланова Р. А., Преображенский Ю. Я. Об
исследованиях тонкой структуры отраженных от ионосферы KB сигналов.— Труды
ЦНИИС, 1964, № 5.
33. Быков Ю. В., Миркотан С. Ф. Проверка соотношения для оценки погрешности
в фазовых измерениях.— Геоматнетизм и аэрономия, 1967, т. 7, № 4.
34. Вайнштейн Л. А., Зубаков В. Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех.
М., «Сов. радио», 1960. _
35. Васильев Г. В. Малогабаритная ионосферная станция на фиксированных
частотах.— Геомагнетизм и аэрономия, 1967, т. 7, № 4.
36. Васильев Г. В, К вопросу об измерении поглощения в ионосфере.— Труды СФТИ
при ТГУ, 1959, вып. 37.
37. Васильев К. Я., Агафонников Ю. М. Позитивная система записи ионосферных
характеристик на ионозонде типа АИС.— Геомагнетизм и аэрономия, 1965,
т. 5, № 5.
38. Васильев Г. В., Васильев К. Я., Гончаров Л. Я. Автоматическая панорамная
ионосферная станция типа АИС— Геомагнетизм и аэрономия, 1961, т. 1, № 1.
39. Васильев К. Я. Непрерывная регистрация минимальных действующих высот
ионосферы.— Геомагнетизм и аэрономия, 1966, т. 6, № 4.
40. Васильев Г. Я., Кушнеревский Ю. В. Ионосферная станция ручного управления
с механическим сопряжением настроек передатчика и приемника.— Докл.
научного симпозиума по ионосфере. Изд. Ростовск. гос. ун-та, 1961.
41. Вартанесян В. А., Гойхман Э. Ш., Рогаткин М. Я. Радиопеленгация. М., Воен-
издат, 1966.
42. Ветер в ионосфере. Л., Гидрометеоиздат, 1969 (пер. с англ. под ред. Э. С. Кази-
мировского).
43. ВиткевичВ. Я., Кокурин Ю. Л. Исследование неоднородностей в ионосфере
радиоастрономическими методами.— Радиотехника и электроника, 1959, т. IV.
44. Вопросы интерпретации и обработки высокоширотных ионограмм. Л., Изд-во
ААНИИ, 1967.
45. Галкин А. Я., Касиманов А. С, Матюшонок С. М. и др. Электронное устройство
для автоматического получения данных панорамного вертикального зондирования
в цифровой форме.— В сб. «Исследование ионосферы». Новосибирск, «Наука»,
1970.
46. Галкин А. Я., Ерофеев Я. М. Короткопериодические изменения высот
ионосферных отражений.— Геомагнетизм и аэрономия, 1969, т. 9, № 3.
47. Галкин А. Я. Исследование информационных возможностей метода панорамного
вертикального зондирования ионосферы и дальнейшие пути их расширения. (Канд.
диссертация). Иркутск, 1968.
48. Галкин А. Я., Двинских Я. Я. Обработка данных панорамного вертикального
зондирования на электронной вычислительной машине.— Геомагнетизм и
аэрономия, 1965, т. 5, № 5. /
49. Галкин А, Я. Некоторые вопросы автоматической обработки данных
панорамного вертикального зондирования.— Геомагнетизм и аэрономия, 1962, т. 2, № 4.
450. Галкин А. И. О точности регистрации ионосферных параметров при вертикальном
зондировании.— В сб. «Ионосферные исследования», № 17. М., «Наука», 1968.
-51. Гайлит Т. А., Гусев В. Д., Ромашкина А. С. Измерения флуктуации фазы
отраженного от ионосферы сигнала при наклонном падении.— Геомагнетизм и
аэрономия, 1969, т. 9, № 1.
52. Гайлит Т. А. Измерение быстрых флуктуации фазы отраженного от ионосферы
сигнала.— Геомагнетизм и аэрономия, 1966, т. 6, № 2.
53. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М., «Наука»,
1967.
54. Гинзбург В. Л. Теория распространения радиоволн в ионосфере. М., Гостехиздат,
1949.
55. Голян О. Ф., Шлионский Ш. Г. Распространение обратных и прямых
кругосветных эхо-сигналов.— Авторефераты докл. IX Всес. конфер. по распространению
радиоволн. Харьков, Изд-во АН УССР, 1969.
167

56. Грингауз К. И., Рудаков В. А., Капорский А. В. Аппаратура для ракетных
измерений концентрации свободных электронов в ионосфере.— В сб. «Искусственные
спутники Земли», вып. 6. М., Изд-во АН СССР, 1961.
57. Грингауз К. И., Рудаков В. А. Измерения электронной концентрации в ионосфере-
до высот 420—470 км, проведенные во время МГГ при помощи радиоволн,
излучавшихся с геофизических ракет АН СССР.— В сб. «Искусственные спутники
Земли», вып. 6. М., Изд-во АН СССР, 1961.
58. Гришкевич Л, В. О применимости корреляционного анализа при исследовании
ионосферных дрейфов.— Докл. научного симпозиума по ионосфере. Изд. Ростовск^
гос. ун-та, 1961.
59. Грудинская Г. П. Распространение радиоволн. М., «Высшая школа», 1967.
60. Гусев В. Д., Драчев Л. А., Миркотан С. Ф. и др. Структура и движение крупных
неоднородностей в ионосферном слое F2.~ Докл. АН СССР, 1958, т. 123, № 5.
61. Гусев В. Д., Миркотан С. Ф., Драчев Л. А. и др. Результаты исследования
параметров крупномасштабных неоднородностей ионосферы фазовым методом.— В сб*
«Дрейфы неоднородностей в ионосфере». М., Изд-во АН СССР, 1959.
62. Гусев В. Д., Драчев Л. А. Фазовый способ регистрации больших неоднородностей
ионосферы.— Радиотехника и электроника, 1956, т. 1.
63. Данилов А. Д. Химия ионосферы. Л., Гидрометеоиздат, 1967.
64. Джелли Д. X. Влияние поглощения в полярной шапке на прохождение радиоволн
высоких частот на высокоширотных трассах.— В сб. «Поглощение радиоволн
в полярной шапке». М., «Мир», 1965.
65. Околоземное космическое пространство (справочные данные). Под ред. Ф. С.
Джонсона. М., «Мир», 1966.
66. Докучаев В. П. О движении ионосферных неоднородностей.— Изв. высших уч.
завед. Радиофизика, 1958, т. 1, № 1.
67. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. М., Связьиздат, 1965.
68. Дробжев В. И. Исследование неоднородной структуры ионосферы методом
частотно-пространственно-разнесенного приема.— В сб. «Ионосферные исследования»,
№ 15. М., «Наука», 1968.
69. Дриацкий В. Л/., Смирнов В. Б., Ходжа-Ахмедов Ч. Л. Инструкция по обработке-
записей интенсивности космического радиоизлучения. Л., Изд-во ААНИИ, 1965.
70. Драчев Л. А., Березин Ю. В. Влияние больших неоднородностей слоя F2 на
коэффициент отражения радиоволн.— Радиотехника и электроника, 1957, т. II,
№ 10.
71.. Егоров И. Б.у Кияновский М. П. Об одном способе решения задачи о
распространении электромагнитных волн в трехмерной неоднородной изотропной ионосфере.—
Геомагнетизм и аэрономия, 1970, т. 10, № 1.
72. Ерофеев Н. М., Петинов В. Г., Ширмамедов М. Пересчетное устройство для
измерения поглощения радиоволн в ионосфере.— Изв. АН СССР, серия физ.-техн.г
хим. и геол. наук, 1963, № 3.
73. Жулина Е. М., Керблай Т. С, Ковалевская Е. М. и др. Основы долгосрочного-
радиопрогнозирования. «Наука», 1969.
74. Засенко В. Е, Некоторые вопросы повышения помехоустойчивости систем
радиозондирования ионосферы.— В сб. «Исследование ионосферы». Новосибирск,
«Наука», 1970.
75. Зевакина Р. А., Лаврова Е. В., Ляхова Л. Н. Основы прогнозирования ионосфер-
но-магнитных возмущений и служба краткосрочных радиопрогнозов. М., «Наука»,.
1967.
76. Зеленкова И. А., Зеленков В. Е., Зайцев В. П. Измерение поглощения в ионосфере-
методом А5. Аппаратура. Первые результаты.— Геомагнетизм и аэрономия, 1966,
т. 6, № 1.
77. Зеленкова И. А., Зеленков В. Е. К методике исследования поглощения радиоволи
в ионосфере в условиях пересеченной местности.— Геомагнетизм и аэрономия^
1968, т. 8, № 5.
78. Иванов-Холодный Г. С, Никольский Г. М. Солнце и ионосфера. М., «Наука»,.
1969.
79. Казимировский Э. С, Кокоуров В. Д. Дрейф мелкомасштабных неоднородностей
в ионосфере.— Докл. научного симпозиума по ионосфере. Изд. Ростовск. гос. ун-та,.
1961.
80. Кабанов Н. if., Осетров Б. Н. Возвратно-наклонное зондирование ионосферы-
М., «Сов. радио», 1965.
81. Казанцев А, И. Поглощение радиоволн в ионизированных слоях атмосферы.—
Труды ИРЭ АН СССР. Радиотехника, 1956, № 2.
82. Казанцев А. Н. Уточнение метода расчета максимальных применимых частот на
коротковолновых линиях радиосвязи.— Труды ИРЭ АН СССР. Радиотехника,
1956, № 2.
83. Казимировский Э. С. Системы ветров в нижней ионосфере.— Геомагнетизм и
аэрономия, 1963, т. 3, № 3.
84. Калинин Ю. Д., Всехсвяшская И. С. Метод расчета интенсивности сигнала вдоль
коротковолновой трассы,— Геомагнетизм и аэрономия, 1967, т. 7, № 1.
168

85. КашпровскийВ. Е., Лянной Б. Е. О расчете поля на КВ-трассах большой
протяженности.— Геомагнетизм и аэрономия, 1969, т. 9, № 3.
86. Кащеев Б. Л. Об исследовании свойств верхней ионосферы по радионаблюдениям;
метеоров.— В сб. «Метеоры», № 2—3. Изд. Харьковск. гос. ун-та, 1960.
87. Кащеев Б. Л., Лебединец В. И. Радиолокационные исследования метеорных
явлений. М., Изд-во АН СССР, 1961.
88. Кащеев Б. Л, Радиолокационные наблюдения метеоров по программе МГГ.—
В сб. «Исследование ионосферы и метеоров», № 2. М., Изд-во АН СССР, 1960.
89. Кащеев Б. Л., Цесевич В. П. Исследование циркуляции атмосферы в метеорной
зоне. (Инструкция). М., «Наука», 1965.
90. Керблай Т. С, Ковалевская Е. М. Расчет МПЧ при наличии горизонтальной
неоднородности ионосферы.— Геомагнетизм и аэрономия, 1967, т. 7, № 1.
91. Кессених В. Н. Распространение радиоволн. М., ГИТТЛ, 1952.
92. Кияновский М. П., Новикова Л. Я., Митрофанова Т. А. Пересчет типовых
характеристик ВЗ в ионограммы НЗ методом Смита.— Авторефераты докл., IX Всес.
конфер. по распространению радиоволн. Харьков, Изд-во АН УССР, 1969.
93. Киселев Ю. В., Лихтер Я. И., Соболев Я. П. Многоканальный спектроанализатор
свистящих атмосфериков и УНЧ-излучений.— Геомагнетизм и аэрономия, 1967,
т. 7, № 6.
94. Кокоуров В. Д. Казимировский Э. С. Дрейфы мелкомасштабных неоднородностей в
ионосфере.— В сб. «Исследование неоднородностей в ионосфере», №4. М., Изд-во-
АН СССР, 1960.
95. Ковалевская Е. М,, Шлионский Ш. Г. Алгоритмы расчета максимальных
применимых частот, наименьших применимых частот и напряженности поля
коротковолновой радиосвязи. М., 1963.
96. Ковалевская Е, М., Керблай Т. С. Расчет расстояния скачка, минимальной
применимой частоты, углов прихода радиоволн с учетом горизонтальной
неоднородности ионосферы. (Инструкция). М., 1969.
97. Кольцов В. В. Нахождение действующих высот отражения по данным ВНЗ.—
Геомагнетизм и аэрономия, 1969, т. 9, № 5.
98. Левин Ю. С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. М.,
«Сов. радио», 1963.
99. Левин Б. Р. Теория случайных процессов и ее применение в радиотехнике. М.,
«Сов. радио», 1960.
100. Лихтер Я. И. Свистящие атмосферики и внешняя ионосфера Земли.— В сб*
«Ионосферные исследования», № 19. М., «Наука», 1970.
101. Лихтер Я. Я., Молчанов О. А. Обнаружение возмущений геомагнитного поля
в магнитосфере по динамическим спектрам свистящих атмосфериков.—
Космические исследования, 1969, т. 7, № 1.
102. Лихтер Я. И., Молчанов О. А, Анализ свистящих атмосфериков в магнитно-
возмущенное время.— В сб. «Солнечно-земная физика», № 1. М., 1969.
103. Лихтер Я.И., ПрозументщиковС.М., Соболев Я. П. Спектроанализатор сигналов
с переменной частотой.— Приборы и техника эксперимента, 1961, № 1.
104. Майсурадзе П. А., Яновский Г. Н. Антенная система, исключающая
поляризационное замирание.— Докл. научного симпозиума по ионосфере. Изд-во Ростовск.
гос. ун-та, 1961.
105. Мальцева О. А. Корректирующий метод расчета А^(/г)-профилей ионосферы. (Канд..
диссертация). Ростов-на-Дону, 1970.
106. Мезин В. К, Автоматические пеленгаторы. М., «Сов. радио», 1969.
107. Методические указания по интерпретации некоторых сложных ионограмм. Л.г.
Изд-во ААНИИ, 1965.
108. Миркотан С. Ф., Кушнеревский Ю. В, Неоднородная структура и движение в-
ионосфере.— В сб. «Ионосферные исследования», № 12. М., «Наука», 1964.
109. Мисюра В. А., Ткачев Г. Я., Ерохин Ю. Г. и др. К ионосферным измерениям^
методом некогерентного рассеяния радиоволн.— Геомагнетизм и аэрономия,.
1969, т. 9, № 1.
110. Мисюра В, А., Ткачев Г. Я., Ерохин Ю. Г. и др. К методике ионосферных
измерений по некогерентно рассеянным радиосигналам.— Геомагнетизм и аэрономия,
1967, т. 7, № 3.
111. Мисюра В. А., Ткачев Г. Я., Блузков В. Я., Ерохин Ю. Г. Ионосферные
измерения методом некогерентного рассеяния радиоволн ионосферой.— В сб.
«Ионосферные исследования», № 18. М., «Наука», 1969.
112. Митра С. К. Верхняя атмосфера. ИЛ, 1955.
113. Мозеров Я. С, Васильев Г. В., Засенко В. Е. и др. Малогабаритная 20-частотнаяг
ионосферная станция.— В сб. «Исследования по геомагнетизму, аэрономии,
физике Солнца», вып. 10. М., «Наука», 1970.
114. Молчанов О. А, О высотном распределении электронной концентрации в
магнитосфере по данным свистящих атмосфериков.— Геомагнетизм и аэрономия, 1967,
т. 7, № 4.
И5. Поляков В. М., Щепкин Л. А., Казимировский Э. С, Кокоуров В. Д. Ионосферные*
процессы. Новосибирск, «Наука», 1968.
169

116. Прокопчук С. #., Карнаухов В. Я. Установка для измерения поглощения
радиоволн и дрейфов в ионосфере.— В сб. «Исследования по геомагнетизму и аэрономии».
М., «Наука», 1966.
117. Ратклифф Дж. Физика верхней атмосферы. М., Физматгиз, 1963.
118. Ремез Г. А. Курс основных радиотехнических измерений. М., Связьиздат, 1962.
119. Рапопорт 3. Ц. Измерение поглощения радиоволн в ионосфере и исследование
связи поглощения с высотой Солнца и солнечной активностью.— Труды НИИЗМ.
М., 1952.
120. Размахнин М. К. Широкополосные системы связи.— Зарубежная
радиоэлектроника, 1965, № 8.
121. Руководство по вертикальному зондированию ионосферы» М*, Изд-во АН СССР,
1957.
122. Руководство по интерпретации и обработка ионограмм. (Пер. с англ. под ред.
Н. В. Медниковой). М., «Наука», 1969.
123. Савич Я. А,, Авраменко А. Я. Панорамная ионосферная станция Крымской
астрофизической обсерватории Академии наук СССР.— Изв. КРАО, 1957, т. 17.
124. Сифоров В. И. Радиоприемные устройства. М., Воениздат, 1954.
125. Смирнов В. Я., Балакин Р. А,, Костерин И. Я. Эксперимент по наклонному
зондированию ионосферы в диапазоне коротких волн.— Авторефераты докл., IX
Всес. конфер. по распространению радиоволн. Харьков, Изд-во АН УССР, 1969.
126. Смирнов В. Б. Самолетные измерения дрейфа и размеров неоднородностей слоя Е
в Центральной Арктике.— В сб. «Ионосферные исследования», № 9. М., Изд-во
АН СССР, 1961.
127. Соболев Я. Я. Аппаратура для регистрации и анализа свистящих атмосфериков.—
В сб. «Ионосферные исследования», № 10. М., Изд-во АН СССР, 1962.
128. Солодовников В. В, Статистическая динамика линейных систем автоматического
управления. М., Гос. изд. физ.-мат. лит., 1960.
129. Таран В. М. Измерение дрейфа в ионосфере с одновременным исследованием
состояния поляризации.— В сб. «Исследования неоднородностей в ионосфере»,
№ 4. М., Изд-во АН СССР, 1960.
130. Тветин Л. Г., Хансакер Р. Д. Дистанционные исследования околоземной среды
при помощи ВЧ радиосистемы с высоким разрешением и обзором по азимуту и
углу места.— Труды Ин-та инженеров по электронике и-радиотехнике, т. 57,
№ 4. М., «Мир», 1969.
131. Тельпуховский Я. А. Определение времени прохождения сигнала
коротковолновых станций по характерным искажениям в точке приема.— Труды 15-й Астрон.
конфер. СССР. М.— Л., Изд-во АН СССР, 1963.
132. Тельпуховский Я. А. Новая аппаратура для приема сигналов времени и методика
работы с ней.— Труды 14-й Астрон. конфер. СССР. М.« Изд-во АН СССР, 1960.
133. Радиоприемник Р-250, техническое описание. М.
134. Радиоприемное устройство «Волна-К», техническое описание и инструкция по
обслуживанию.
135. Краткое описание и инструкция к радиоприемнику УС-9.
136. Техническое описание устройства «Силуэт».
137. Техническое описание автоматической ионосферной станции АИС.
138. Томас Дж. О., Лонг А. Р., Вестовер Д. Вычисление профилей электронной
концентрации по ионограммам ионосферной станции.— В кн. «Электронная
концентрация в ионосфере и экзосфере». М., «Мир», 1966.
139. Томас Дж. О., Рикрофт М. Дж., Кочет Л. и Чаи К. Л. Внешняя ионосфера.
1. Анализ ионограмм внешней ионосферы, полученных при помощи спутника
«Алуэтт-1».— В кн. «Распределение электронов в верхней атмосфере». М., «Мир»,
1969.
140. Тушенцова И. А. О возможности определения наклонов ионосферы методом
возвратно-наклонного зондирования.— Геомагнетизм и аэрономия, 1969, т. 9, № 1.
141. Тушенцова И. А. О влиянии сферичности на определение горизонтальных
градиентов параметров ионосферы по данным ВНЗ методом эквивалентных наклонов.
Геомагнетизм и аэрономия, 1970, т. 10, № 1.
142. Уланова Р. А., Савин Ю. К. Некоторые результаты применения поляризационно-
разнесенного приема для повышения надежности радиосвязи на KB трассах малой
протяженности.— Труды ЦНИИС, 1966, № 1.
143. Флигель М. Д. О методе расчета поглощения и напряженности поля радиоволн
при наклонном падении на ионосферу.— Геомагнетизм и аэрономия, 1969, т. 9,
№ 6.
144. Харкевич А. А. Спектры и анализ. М., Гостехтеориздат, 1953.
145. Хмельницкий Е. А. Особенности экспериментального определения напряженности
поля в KB диапазоне.— Электросвязь, 1969, № 10.
146. Ходжа-Ахмедов Ч. Л. Риометр на двух частотах для измерения ионосферного
поглощения.— Изв. высших учебных заведений. Радиотехника, 1964, т. VII, № 3.
147. Часовитин Ю. К., Фесенко С. Г. К вопросу о вероятности радиосвязи через слой
Es.— Электросвязь, 1964, № 8.
148. Чепмен Дж. Х.у Уоррен Е. С. Летающая ионосферная станция «Алуэтт».— В кн.
«Электронная концентрация в ионосфере и экзосфере». М., «Мир», 1966.
170

i.49. Чернов Ю. А. Число обратных сигналов с отражением от слоя F2 при возвратно-
наклонном зондировании (ВНЗ).— Геомагнетизм и аэрономия, 1966, т. 6, № 6.
150. Чернов Ю. А. Влияние магнитного поля Земли на сигнал возвратно-наклонного
зондирования.— Геомагнетизм и аэрономия, 1966, т. 6, № 5.
151. Чернов Ю. А. Экспериментальная проверка пригодности параболической модели
ионосферы для возвратно-наклонного зондирования (ВНЗ).— Геомагнетизм
и аэрономия, 1966, т. 6, № 6.
152. Чеча В. А. Ионосферная станция для пространственно-частотно-разнесенного
приема.—• В сб. «Ионосферные исследования», № 17. М., «Наука», 1969.
153. Шапиро Б. С. Распределение ионизации с высотой и вариации его параметров
из данных наземного вертикального зондирования.— В сб. «Ионосферные
исследования», № 19. М., «Наука», 1970.
154. Шапиро Б. С. Расчет распределения ионизации с высотой при помощи
электронных цифровых машин.— В сб. «Исследование ионосферы», № 5. М., Изд-во АН
СССР, 1960.
155. Шапиро Б. С, Ким К. В. Программы вычисления 7У(/г)-профилей на электронных
цифровых машинах.— В сб. «Ионосферные исследования», № 10. М., Изд-во АН
СССР, 1962.
156. Шкурин Г. П. Справочник по электроизмерительным и радиоизмерительным
приборам. М., Воениздат, 1960.
157. Шлионский Ш. Г. Инструкция по расчету коротковолновых линий радиосвязи.
М., 1961.
i58. Эванс Дж. Наблюдения обратного некогерентного рассеяния от ионосферы в Милл-
стоун — Хилле.— В сб. «Электронная концентрация в ионосфере и экзосфере».
М., «Мир», 1966.
159. Atlas of ionograms. Central Radio Propagation Laboratory National Bureau of
Standards, 1957.
160. Booker H. G. Turbulence in the ionosphere with applications to meteor trails, radio
star scintillations, auroral radar echoes and other phenomena.— J. Geophys.
Res., 1956, v. 61 N 4.
161. Booker H. G., Ratcliffe G. A., Shinn D. N. Diffraction from an irregular screen
with applications to ionospheric problems.— Philos. Trans. Roy. Soc, 1960, v. 242.
162. Bowles K. L. Measuring plasma density in the magnetosphere.— Science, 1963,
v. 139.
163. Booker H. G. A theory of scattering by non-isotopic irregularities with application
to radar reflection.— J. Atmos. and Terr. Phys., 1956, v. 8, 204.
164. Booker H. G., Seaton S. L. Relation between actual and virtualionospheric height.—
Phys. Rev., 1940, v. 57, N 2.
165. Bowles K. L. Observations of vertical incidence scatter from the ionosphere at 41
Mcs.—Phys. Rev. Letters, 1958, v. 1.
166. Briggs В. H. A study of the ionospheric irregularities which cause spead-F echoes
and scintillations of radio stars.— J. Atmos. and Terr. Phys., 1958, v. 12, 1.
167. Briggs B. N., Phillips G. J., Shinn D. N. The analysis of observation of spaced
receivers of the fading of radio signals.— Proc. Phys. Soc, 1950, v. 63B, 106.
168. Briggs B. N., Elford W. С The Buckland Park Antenna array.—Austral.—J.
Phys., 1968, v. 5, № 7.
169. Budden K. G. A method for determining the variation of electron density with
height (N (h) curves) from curves of equivalent height versus frequency h'(f). Rept.
Cambridge Conf. Ionospher. Phys. (Phys. Soc. London), 1954, 332—339.
170. Buneman O. Scattering of radiation by the fluctuations in a non-equilibrium plasma.
J. Geophys. Res., 1962, v. 67, 2050.
171. Clare C, Peterson A. Motion high-frequency back-scatter records.— Nature, 1956,
v.. 178.
172. Coll D. C, Storey J. K. Ionospheric sounding using coded pulse signal.—J. Res.
Nat. Bur. Standards, 1964, D68, N 10.
173. De Grigorio J. F., Finney J. W., Kildahl K., Smith E. K. Recent sporadic E
experimental works in the United States.— «Ionospheric sporadic E». Oxford — London,—
N. Y.— Paris, 1963.
174. Dominici P. Sporadic E ionization observed by the backscatter technique.— Ann.
Geophys., 1963, v. 16, № 1.
175. Evans J. V. Theory and practice of ionosphere study by Thomson scatter radar.—
Proc. JEEE, 1969, v. 57, № 4.
176. Evans J. V. Design considerations for a Thomson scatter radar.— Aeron. Rept.
Univ. Illinois, 1967, N 17.
177. Farley D. Т., Dougherty J. P., Barron D. W. A theory of incoherent scattering of
radio waves by a plasma. II. Scattering in a magnetic field.— Proc. Roy. Soc,
1961, A 263. (Русский перевод в сб. «Некогерентное рассеяние радиоволн». М.,
«Мир», 1965).
178. Fejer J. A. Scattering of radiowaves by an ionized gas in thermal equilibrium.—
Canad. J. Phys., 1960, v. 38, 1114.
179. Franklin С A., Maclean M. A. The design of swept-frequency topside-sounders.—
Proc. IEEE, 1969, v. 57, N 6.
171

180. Franklin C. A., Bibby R. /., Hitchcock N. S. A data acquisition and processing:
system for mass producing topside ionograms.— Proc. IEEE, 1969, v. 57, N 6.
181. Gassmann G. I. Airborne ionospheric maasurements in the North Pole area.— J*
Geophys. Res., 1956, v. 61, N 1.
182. Greenhorn J. S. Systematic wind measurements at altitudes of 80—100 km using
radio echoes from meteor trails.— Philos. Mag., 1954, v. 45, N 364.
183. Hagg E. L., Hewens E. /., Nelms G. L. The interpretation of topside sounder
ionograms.— Proc. IEEE, 1969, v. 57, N 6.
184. Harwood I. Some observations of the occurrence and movement of sporadic E
ionization.— J. Atmos. and Terr. Phys., 1961, v. 20, N 4.
185. Harnischmacher E., Porsche H. Aktive Hochfrequenzspektrometer fur ionospharische
Echolotung. IV. Numerische Registrierung von Laufzeitewerten.— Arch, elektr.
Ubertragung, 1960, В d 14, N 11.
186. Haubert A., Dogen G. Un perfectionnement des dispositifs de mesure des vents et
de la diffraction des ondes radioelectriques dans l'ionosphere.— Ann. geophys.r
1966, v. 22, N 3.
187. Hedlund D. A, a.o. Some ionospheric scatter techniques.— Trans. IRE, 1956, v. 4,
N 1.
188. Hess Я. A. Untersuchungen des Kurzwellenecho.—Z. Naturforsch., 1946, T. lr
499; 1947, T. 2a, 528.
189. Hewish A. The diffraction of galactic radio waves as a method of investigating the*
irregular structure of ionosphere.— Proc. Roy. Soc. A, 1952, v. 214.
190. Hugill /., Field M. J. Resonance relaxation sounder for the multiple ionospheric
probe.— Rev. Scient. Instrum., 1967, v. 38, N 12.
191. Ingvesson К. О., Perkins F. W. Radar Thomson scatter studies of photoelectrons in
the ionosphere and Landau damping.— J. Geophys. Res., 1968, v. 73.
192. Instruction Manual, N 5. The Ionosphere, v. II. The measurements of ionospheric
absorption. London, 1956.
193. Jackson /. E. The reduction of topside ionograms to electron-density profiles.— Proc
IEEE, 1969, v. 57, v. № 6.
194. Jackson J. E, Comparisons between topside and ground-based soundings.— Proc.
IEEE. 1969, v. 57, N 6.
195. Kenneth D. The use of topside sounders in ionospheric research Telecommuns J.»
1965, v. 32, N 3. . •
196. Kelso J. M. A procedure for determination of the vertical distribution of the electron
density in the ionosphere,— J. Geophys. Res., 1952, v. 57, 357.
197. Lundquist R. B. The recording of ionospheric sounding data in a digital format.
Radiolocat. Res. Lab. Univ. Illinois, 1965.
198. Lockwood G. E. K. A computer — aided system for scaling topside ionograms.—
Proc. IEEE, 1969, v. 57, N 6.
199. Mar /., Garrett T. Mechanical Design and Dynamics of the Alouette Spacecraft.—-
Proc. IEEE, 1969, v. 57, N 6.
200. Mac Dougall I. W. The interpretation of ionospheric drift measurements.— J.
Atmos. and Terr. Phys., 1966, v. 28, 1053.
201. McNicol R. W. E., Webster H. C, Bowman G. G. A study of spread — F ionospheric
echoes at night at Brisbane.— Austral. J. Phys., 1956, v. 9.
202. Michio 0., Fumio 0., Nobuo O., Koichi A. Automatic ionogram scaler.— J. Radia
Res. Labs. 1961, v. 8, N 35.
203. Mitra S. N., Ivengar V. C. Observations of scatter echoes on high power pulsed
transmissions.— Indian J. Phys., 1954, N 4, 147.
204. Moorcroft D. R. On the determination of temperature and Ionic composition by
electron backscattering from the ionosphere and magnetosphere.— J. Geophys. Res.,.
1964, v. 69, 955. (Русский перевод в сб. «Некогерентное рассеяние радиоволн».
М., «Мир», 1965).
205. Nakata У., Кап М., Uyeda H. Simultaneous measurement of sweep frequency
h(t) and fc (t) of the ionosphere.— Rept Ionosphere Res. Japan, 1953, v 7.
206. Penndorf R. A. A spread-F index.— J. Atmos. and Terr. Phys., 1962, v. 24, 543.
207. Phillips G. /. A wide-band aerial system for circularey polarized waves suitable for
ionospheric research.— Proc. IRR, 1951, Pt III, 237.
208. Ranzi I., Dominici P. Back scatter sounding during ionospheric storms, Effect
disturbances solar origin commens. Oxford — London — N. Y.— Paris, Pergamon
Press, 1963, 143.
209. Rassel £. //., Zimmer F. С Development of the fixed-frequency topside-sounder
satellite.— Proc. IEEE, 1969, v. 57, N 6.
210. Rastogi R. G., Deshpande M. i?., Harishandra H. Elongation of irregularities in
ionospheric F-region over the magnetic equator in India.— J. Atmos. and Terr.
Phys., 1968, v. 30, N 8.
211. Ratcliffe G. A. Some aspects of diffraction theory and their application to the
ionosphere.— Repts. Progr. Phys., 1956, v. 19, 188.
212. Rawer K. Focusing on a «rippled» ionosphere.— J. Atmos. and Terr. Phys., 1956,.
v. 8, N 4.
172

213. Rawer К., Suchy К. Radio-observations of the ionosphere.— In: Encyclopedia of
Physics, v. XLIX/2 Geophysics III, pt II. Berlin, Heidelberg, N. Y., 1967.
214. Reception a distance des emissions de television etrangers on Tchecoslovaquie.—
Bull, docum. et inform, organis. internet, radio, diff., 1954, v. 49, 216.
215. Renau /., Camnitz ilf., Flood W. The spectrum and the total intensity of
electromagnetic waves scattered from an ionized gas in thermal equilibrium in the presence of
static quasi-uniform magnetic field.— J. Geophys. Res., 1961, v. 66, 2703. (Русский
перевод в сб. «Некогерентное рассеяние радиоволн». М., «Мир», 1965).
216. Revah J. Etude des vents de petite cehelle observees en moyen des trainees meteori-
ques.— Ann. geophys., 1969, v. 25, N 1.
217. Schmerling E. R. An easily applied method for the reduction of h'(f) records to
N (h) profiles including the effects of the earth's magnetic fields.— J. Atmos. and
Terr. Phys., 1958, v. 12, 8.
218. Shearman E. D. i?., Harwood /., Sporadic E as observed by back-scatter techniques
in United Kingdom.— J. Atmos. and Terr. Phys., 1960, v. 18, 29.
219. Silberstein I. The use of sweep-frequency back-scatter data for determinating
oblique-incidence ionospheric characteristics.— J. Geophys. Res., 1958, v. 63, N 2.
220. Steele T. G. The effect of the ground back-scatter coefficient on observations of
sporadic E over sea, land and mountains.— J. Atmos. and Terr. Phys., 1964, v. 26, N 2.
221. Steele I. G. Backscatter of 16 mc/s radio waves from land and sea.— Austral. J.
Phys., 1965, v. 18, N 4.
222. Thomson J. J. Conduction of electricity through gases. London, Cambridge Univ.
Press, 1906, p. 321.
223. Titheridge J. E. A new method for the analysis of ionospheric h'(f) records.— J.
Atmos. and Terr. Phys., 1961, v. 2, 1, № 1.
224. Titheridge /. E. The calculation of real and virtual heights of reflection in the
ionosphere.— J. Atmos. and Terr. Phys., 1959, v. 17, 96.
225. Wadehra N. S., Tantry B. A. R. Audio frequency spectrum of a radio atmospneric
at large distances.— J. Atmos. and Terr. Phys., 1966, v. 28, N 12.
226. Wright R. W., Knecht R. W., Davies K. Ann. IGY, 1957, v. 3, Pt. 1.
227. Wright R. W., Koster Y. R., Skinner N. Y. Spread-F layer echoes and radio star
scintillation.— J. Atmos. and Terr., Phys., 1956, v. 8, 240.
228. Wright J. W. Some current developments in radio systems for sounding ionospheric
structure and motions.— Proc. IEEE, 1969, v. 57, N 4.
229. Villard О. С, Peterson A. M. Slatter-sounding: a new technique in ionospheric
research.— Science, 1952, v. 116, N 300.
230. Radio Science, 1968, v. 3, N 1.

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие «£
Введение 5
Часть первая
Измерение характеристик ионосферной плазмы
1.1 Метод импульсного радиозондирования 14
1.1.1. Зондирование на переменной частоте 15
1.1.2. Физическая интерпретация высотно-частотных характеристик . . 42
1.1.3. Измерение параметров неоднородной структуры 60
1.2. Метод когерентных частот 73
1.3. Метод некогерентного рассеяния радиоволн в ионосфере 80
1.3.1. Теоретические предпосылки 80
1.3.2. Аппаратура и методика 92
1.4. Методы разнесенного приема 101
1.5. Радиолокация метеорных следов -. 115
1.6. F-рассеяние как метод изученпя ионосферных неоднородиостей 120>
Часть вторая
Измерения при ионосферном распространении радиоволн
2.1. Измерение коэффициентов поглощения при вертикальном зондировании
ионосферы 124
2.2. Измерение поглощения методом регистрации внеземных источников . . . 134
2.3. Измерение поглощения по данным напряженности поля сигналов
принимаемых станций 142
2.4. Метод наклонного и возвратно-наклонного зондирования 148
2.5. Кругосветное распространение радиосигналов 154
2.6. Измерение параметров ионосферы по характеристикам УНЧ излучения . . 155
2.7. Использование ионосферных данных в практике радиосвязи 160
Литература
166.