Евстафьев О. В., Сазанов В. А., Черняков С. М. Модернизация цифрового ионосферного комплекса «Базис». В сб.: Приборы и методика геофизического эксперимента. Мурманск: ООО «МИП-999», 1997, с.35-38.
Evstafjev O. V., Sazanov V. A., Chernyakov S. M. Modernization of a digital ionospheric complex. In proc.: Instruments and methods of a geophysical experiment. Murmansk: MIP-999 Ltd, 1997, pp. 35-38.

МОДЕРНИЗАЦИЯ ЦИФРОВОГО ИОНОСФЕРНОГО КОМПЛЕКСА «БАЗИС»

О. В. Евстафьев, В. А. Сазанов, С. М. Черняков
Полярный геофизический институт КНЦ РАН

Введение

	В середине 80-х годов Полярный геофизический институт получил возможность использовать для исследования ионосферы цифровой ионосферный комплекс "Базис". Это была по тем временам достаточно мощная установка, позволяющая решать задачи наклонного и вертикального зондирования ионосферы. Для регистрации сигналов использовалась система вычислительных машин типа "СМ". В силу различных причин комплекс так и не получил своего развития в полном объеме и со временем прекратил свою работу. Его системы начали приходить в негодность, ввиду морального старения вычислительных машин встал вопрос о полном закрытии комплекса.
	Учитывая важность ионосферных исследований в высоких широтах и наличие аппаратуры с потенциально большими возможностями, в обсерватории Лопарская была выполнена работа по восстановлению комплекса в его минимальном варианте - в качестве цифрового вертикального ионозонда. Регистрация информации на персональном компьютере позволила использовать современные вычислительные средства, как программные, так и аппаратные, для обработки и хранения данных вертикального ионосферного зондирования.

Описание параметров цифрового ионозонда

	Принцип работы цифрового ионозонда достаточно стандартен [1-3]. Импульсный радиосигнал, частота заполнения которого изменяется в диапазоне частот с шагом, определяемым системой управления, формируется в передатчике и излучается передающей антенной. Отраженные ионосферой сигналы принимаются приемной антенной и поступают на вход радиоприемного устройства. Принятые сигналы усиливаются и преобразуются в видеосигнал для регистрации на телевизионном экране и в устройстве отображения информации. Кроме того, с выхода видеодетектора сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и далее на компьютер. Сигналы управления и синхронизации всех функциональных устройств комплекса формируются системой управления комплекса и управляющей программой компьютера.
	Рассмотрим подробнее характеристики полученного цифрового ионозонда. В качестве передающей антенны используется типовая дельта-антенна бегущей волны с высотой подвеса 25 м и стороной 32 м. Антенна нагружена на активное сопротивление 600 Ом, равное волновому. Расчетный коэффициент усиления этой антенны изменяется в диапазоне 1-20 МГц в пределах 10-15 дБ. Антенна подключена непосредственно к согласующему устройству передатчика.
	Для приема отраженных от ионосферы зондирующих сигналов используется антенна, состоящая из двух взаимноперпендикулярных широкополосных вибраторов с длинами плеч 19 и 26 м и широкополосного согласующего устройства, нагруженного на симметричный фидер с волновым сопротивлением 200 Ом. Высота подвеса антенны равна 10 м.
	В качестве приемной антенны также может быть использована короткая дипольная активная антенна. Модуль активной антенны установлен на деревянной мачте высотой 4 м и соединен со входом приемника коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом. По этому же кабелю подается питание на модуль. Модуль активной антенны обеспечивает относительную стабильность ее коэффициента усиления во всем диапазоне рабочих частот. Однако из-за использования короткого диполя ее действующая высота невелика и составляет около 0.5 м.
	Диапазон рабочих частот ионозонда лежит в пределах от 0.3 до 39.999 МГц. Рабочая частота зондирования изменяется автоматически с дискретным шагом, задаваемым заранее. Величина шага может быть выбрана равной 1, 5, 10, 20, 25, 50, 100 кГц. Рабочий цикл зондирования включает в себя 400 последовательных частот, изменяющихся с выбранным шагом. Начальная рабочая частота зондирования может быть задана любой в рабочем диапазоне частот ионозонда. Длительность получаемых импульсов зондирования лежит в диапазоне от 25 мкс до 800 мкс, а частота их повторения может задаваться от 1 до 50 Гц. В зависимости от задачи диапазон высот может быть выбран в пределах от 60 до 1500 км. Импульсная мощность передатчика в рабочем диапазоне частот при скважности импульсов не менее 100 приблизительно равна 15 кВт на резисторном эквиваленте антенны 2x75 Ом. Чувствительность радиоприемного устройства при отношении сигнал/шум равном 3:1 и ширине пропускания 15 кГц - не более 5 мкВ по входу 75 Ом. Ширина полосы пропускания радиоприемного устройства по уровню 0.707 может быть выбрана 1, 3, 6, 15, 30, 60 или 100 кГц. При работе ионозонда можно задавать ступенчатую регулировку усиления на выходе ПЧ радиоприемного устройства: -10, 0, +10 или +20 дБ. Ионозонд имеет возможность работать на фиксированной частоте зондирования.

Измерительно-вычислительный комплекс

	Регистрацию сигнала с выхода ионозонда и его предварительную обработку осуществляет измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), в который входит компьютер IВМ-386DХ и многофункциональное устройство NVL08. Устройство NVL08 предназначено для работы в составе компьютера типа IВМ РС АТ и обеспечивает преобразование внешних аналоговых и цифровых сигналов в форматы данных компьютера. Устройство имеет 16 измерительных каналов для аналоговых сигналов, цифровой ввод и вывод, что делает возможным использовать его параллельно и для других экспериментов. Разрядность используемого в этом устройстве аналого-цифрового преобразователя составляет 12 бит, а минимальный интервал между измерениями для одного канала составляет не более 15 мкс. Применяемая частота оцифровки данных составляет 50 кГц для каждой из 400 последовательных частот во время зондирования ионосферы. Эта частота определяется некоторыми параметрами компьютера, а также используемым устройством типа NVL08 и для данного ИВК может быть увеличена до 70 кГц. Частота оцифровки 50 кГц соответствует шагу по высоте 3 км.
	Регистрация сигнала может осуществляться двумя способами. В ручном режиме оператор запускает управляющую программу, а затем ионозонд, предварительно установив необходимый режим его работы. В автоматическом режиме запуск ионозонда осуществляет программа через определенные промежутки времени либо по заранее составленному расписанию. После окончания регистраций управляющая программа выводит на экран полученную ионограмму, затем при ручном управлении она завершает свою работу, а при автоматическом - переходит в режим ожидания следующей записи. Полученная информация записывается в банк данных для хранения и последующей обработки.
	В настоящее время данная установка неоднократно работала в реальных условиях без существенных нареканий. На рисунке показан пример высокоширотной летней дневной цифровой ионограммы, полученной в обсерватории Лопарская в период наблюдений летом 1996 года (географические координаты обсерватории Лопарская: 68.25 с. ш., 33.08 в. д., исправленные геомагнитные координаты: 64.52 с. ш., 113.9 в. д.; время регистрации ионограммы - 11:16 UТ 21 июня 1996 г.). Цифровая ионограмма, представленная на рисунке, была получена без применения каких-либо методов "очистки" данных. По оси абсцисс отложена частота зондирования f в МГц, по оси ординат - действующая высота h' в км. На ионограмме представлены основные слои в ионосфере, а также спорадический слой Е, обозначаемый как Еs.

Рис. 1. Пример цифровой ионограммы

Буквой Е обозначен регулярный слой Е, образованный солнечным ультрафиолетовым излучением. Его минимальная действующая высота равна 105 км. В районе частот 2.6; 3.2; 3.8 МГц регулярный слой Е показывает небольшие увеличения действующей высоты, что можно интерпретировать как проявление трех магнитоионных компонент зондирующей волны: обыкновенной продольной (или z), обыкновенной и необыкновенной. Продолжением регулярного слоя Е является плоский спорадический слой Е (тип f), обозначенный на рисунке как Еs. Механизм образования спорадического слоя отличен от механизма образования регулярного слоя и может иметь различную природу. В нашем случае предельная частота обыкновенной волны foЕs, соответствующая наибольшей частоте, при которой наблюдается основной непрерывный след отражений от слоя Еs, достаточно высока и равна 8.4 МГц. Разрывы в следе, носящие случайный характер, при интерпретации игнорируются. Слой Еs хорошо выражен, но тем не менее он не экранирует вышележащие слои и они видны достаточно отчетливо. Одним из основных параметров, характеризующих работу ионозонда, является f-min - наименьшая частота, при которой на ионограмме наблюдаются следы отражений от ионосферы: ее величина определяется чувствительностью ионозонда в нижней частотной части. Но при этом надо помнить, что в каждом конкретном случае она также зависит и от состояния ионосферы, прежде всего области D, которая существенно влияет на поглощение зондирующей волны в начальном диапазоне зондирования. В ионосфере также могут существовать условия, при которых f-min существенно увеличивается, например, во время ионосферных бурь, или условия, приводящие к полному отсутствию отражений. На представленной ионограмме f-min равна 0.7 МГц. С точки зрения работоспособности ионозонда - это весьма хороший результат. На ионограммах явно видны ветви обыкновенной и необыкновенной компонент отражения от слоев F1 и F2, критические частоты которых обозначены foF1, fxF1, foF2, fхF2 соответственно. Помимо этих основных отражений на ионограмме видны многократные отражения (или кратники) обыкновенной волны от слоев F1 (в районе f = 3.5 МГц и h' = 410 км) и F2 (в районе f = 4.3 МГц и h' = 820 км). Многократные отражения преобладают в периоды малого поглощения, что и подтверждается малой величиной f-min. Особый интерес представляет наличие на ионограмме z-компоненты отраженной волны, т. к. эта компонента может быть принята только с направления магнитного поля. Такое условие реализуется лишь в высоких широтах, где магнитное поле имеет почти вертикальное положение (для района обсерватории Лопарская магнитное наклонение равно приблизительно 79 градусов). Т. е. для наших условий - это наклонное отражение от направления под углом 11 градусов от зенита. Тем не менее, и в высоких широтах z-компонента не всегда появляется на ионограммах. Если обратиться к нашей ионограмме, то отражения в районе f = 3.1 МГц и h' = 195 км можно интерпретировать как z-компоненту отражения волны от слоя F1, а ветвь в районе f = 3.6 МГц и h' = 390 км как z-компоненту отражения волны от слоя F2. Отражения в районе f = 2.6 МГц и h' = 200 км представляет собой кратник основного отражения z-компоненты от слоя Е. Как правило, наклонные отражения не дают кратников из-за условий отражения, но в данном случае вероятней всего это произошло из-за хорошо развитого регулярного слоя Е и его наклона к более низким широтам. Как видно из приведенной ионограммы, рассматриваемый цифровой ионозонд обладает хорошей разрешающей способностью и информативностъю.

Заключение

	Модернизация ионосферного комплекса "Базис" в режиме вертикального ионозонда с записью данных на персональный компьютер открывает возможность широкого использования данного вида наблюдений в геофизической обсерватории Лопарская для исследования ионосферы и условий распространения радиосигналов в высоких широтах.

Литература

1. Wright J. V., Pitteway M. L. V. Real-time data acquisition and interpretation capabilities of the Dynasonde // Radio Sci. – 1979. – V.14, N 5. – P. 815 - 827.
2. Мирохин А. М., Кольцов В. В., Лобачевский В. А. Цифровой ионосферный комплекс «Сойка- 6000» // Распространение радиоволн в ионосфере - М.: ИЗМИРАН. - 1983. - С. 54-61.
3. Технология обработки данных в цифровых ионозондах / Важеркин В. А., Кольцов В. В., Лобачевский В. А., Мирохин А. М. // Цифровые ионозонды и их применение. - М.: ИЗМИРАН. - 1986. - С. 6-15.