ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2024, № 4

Две методики измерения амплитудно-частотных характеристик многолучевых ионосферных коротковолновых радиолиний по данным наклонного радиозондирования ионосферы

А.О. Щирый1

1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова РАН, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2024.4.1 УДК 621.3.09 EDN FTNQAN

Аннотация

Представлены две методики измерения амплитудно-частотных характеристик многолучевых ионосферных коротковолновых радиолиний с высоким разрешением по частоте (десятки - сотни герц). Поскольку традиционные узкополосные каналы не позволяют разделить интерферирующие между собой различные моды ионосферного распространения коротких волн, то в данной работе предложено использовать широкополосные сигналы, что позволяет разделить принимаемые моды ионосферного распространения радиосигнала, а также отличить сигнал от помех. Преимущество первой методики в том, что вместе с амплитудно-частотной характеристикой радиолинии в результате становится известна и модовая картина многолучевого распространения коротких волн, что позволяет делать качественные выводы о распространении радиоволн, а также применять классификации по эмпирическим моделям многолучевости. Недостатки первой методики: ручной этап выделения треков мод на ионограммах наклонного зондирования, а также потеря части информации об энергии треков мод вследствие диффузности (размытости) следов треков мод на ионограмме. Вторая методика, наоборот, даёт только оценку амплитудно-частотных характеристик многолучевой коротковолновой радиолинии без раскрытия модовой картины многолучёвости, но делает это автоматически и без потери информации об энергетике размытых треков. Представление обеих методик в одной статье позволяет указать достоинства и недостатки каждой из них, и соответственно, предпочтительные области применения. Поскольку при комплексном системном подходе к исследованию и измерению характеристик ионосферы и ионосферных радиолиний важно иметь набор инструментов (методик).

  • амплитудно-частотные характеристики многолучевых радиолиний
  • ионосфера
  • наклонное радиозондирование ионосферы
  • ионограммы
  • обработка ионограмм
  • многолучевое распространение коротких радиоволн
  • автоматизация измерений
Abstract (in English)

Two methods for measuring the amplitude-frequency characteristics of multipath ionospheric short-wave radio channels based on the data of oblique ionospheric radiosonding

Two methods of measuring the amplitude-frequency characteristics of multipath ionospheric shortwave radio channels with high frequency resolution (tens-hundreds of hertz) are presented. Since traditional narrow-band channels do not allow to separate the various modes of ionospheric propagation of short waves interfering with each other, it is proposed in this paper to use broadband signals, which makes it possible to separate the received modes of ionospheric propagation of a radio signal, as well as to distinguish the signal from interference. The advantage of the first technique is that, together with the amplitude-frequency characteristic of the radio line, as a result, the mode pattern of multipath propagation of short waves becomes known, which allows us to draw qualitative conclusions about the propagation of radio waves, as well as to apply classifications according to empirical multipath models. Disadvantages of the first technique: the manual stage of the selection of mode tracks on the ionograms of oblique sensing, as well as the loss of some information about the energy of the mode tracks due to the diffuseness (blurring) of the traces of mode tracks on the ionogram. The second method, on the contrary, gives only an estimate of the amplitude-frequency characteristics of a multipath shortwave radio line without revealing the mode pattern of multipath, but does it automatically and without losing information about the energy of diffuse tracks. The presentation of both methods in one article allows you to indicate the advantages and disadvantages of each of them, and, accordingly, the preferred areas of application. Since it is important to have a set of techniques with an integrated system approach to the study and measurement of the characteristics of the ionosphere and ionospheric radio channels.

Для цитирования

Щирый А.О. Две методики измерения амплитудно-частотных характеристик многолучевых ионосферных коротковолновых радиолиний по данным наклонного радиозондирования ионосферы // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – № 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.4.1

Литература

  1. Кеннеди Р. Каналы связи с замираниями и рассеянием. М.: Советское радио, 1973. 304 с.
  2. Fabrizio G.A. High frequency over-the-horizon radar: fundamental principles, signal processing, and practical applications. McGraw-Hill Education, 2013.
  3. А.с. 1305880 СССР, МПК Н 04 В 3/46. Способ измерения характеристики группового времени замедления и амплитудно-частотной характеристики канала связи / А.Д. Зорьев (СССР). - 4475118/24-09; Заявлено 08.08.88; Опубл. 07.10.90; Бюл. № 37.
  4. А.с. 1305880 СССР, МПК Н 04 В 3/46. Способ контроля канала связи / Т.А. Золотухина, Крютченко Т.В. (СССР). 4481081/00-09; Заявлено 17.06.88; Опубл. 23.06.91; Бюл. № 23.
  5. Вовк В.Я., Шумилов И.А. Измерение амплитудных характеристик многомодового сигнала при НЗ на субавроральной радиолинии // Тр. Аркт. и Антаркт. НИИ. 1991, №427. С.131-138.
  6. Брянцев В.Ф., Стародубровский А.С. Измерения АЧХ при наклонном зондировании ионосферы широкополосными сигналами // Труды всероссийской научной конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике". Муром, 2003. С. 263-266.
  7. Михайлов С.Я. Моделирование отклика анализатора спектров вертикального ЛЧМ-ионозонда и восстановление передаточной функции в области полупрозрачности Е-слоя ионосферы // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 44, 2001, №8, С.641-652.
  8. Куницин В.Е., Усачев А.Б. Амплитудно- и фазочастотные характеристики вертикального радиозондирования магнитоактивной ионосферы // Радиотехника. 1991, № 1. C. 8-10.
  9. Куркин В.И. Моделирование, диагностика и прогнозирование характеристик КВ сигналов на основе метода нормальных волн: Дис. … докт. физ.-мат. наук / ИСЗФ СО РАН. Иркутск, 1999.
  10. Терехов Л.С., Шапцев В.А. Повышение точности радиозондирования ионосферы. Новосибирск: Изд. СО РАН, 1997. 131с.
  11. Колчев А.А. Исследование ионосферных каналов распространения ДКМВ для сигналов с расширенным спектром: Дис. … канд. физ.-мат. наук / КГУ. Казань, 1996.
  12. Иванов В.А., Колчев А.А., Шумаев В.В. Аппаратно-программный комплекс для определения передаточной функции широкополосного КВ - радиоканала // Проблемы дифракции и распространения волн: Межвед. сб. М.: МФТИ, 1995. С.103-109.
  13. Филипп Н.Д., Блаунштейн Н.Ш., Ерухимов Л.М., Иванов В.А., Урядов В.П. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере. Кишинев: Штиинца, 1991. 286 с.
  14. Колчев А.А., Щирый А.О. Режекция сосредоточенных по спектру помех при ЛЧМ зондировании ионосферы. Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2006, т.XLIX, № 9. С.751-759.
  15. Щирый А.О. Разработка и моделирование алгоритмов автоматического измерения характеристик ионосферных коротковолновых радиолиний: Дис. канд. техн. наук. Санкт-Петербургский гос. университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, СПб, 2007.
  16. Shiriy A.O. HF channel transmit function module measurement // Proceedings of 5th International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering, APEDE2002. 5. 2002. pp. 365-369.
  17. Колчев А.А., Щирый А.О. Восстановление частотной зависимости комплексного коэффициента отражения по данным наклонного ЛЧМ-ионозонда. Оптика атмосферы и океана. 2007. Т.20. № 7. С. 627-630.
  18. Щирый А.О. Алгоритмы и программное обеспечение автоматизации процессов измерений и обработки данных оперативной диагностики ионосферы и ионосферных радиолиний. Журнал радиоэлектроники. - 2022. №10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.10.4
  19. Колчев А.А., Щирый А.О., Недопекин А.Е. Математические модели и методики измерения АЧХ многолучевых ионосферных коротковолновых радиолиний: монография / Марийский гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2013. 147 с.
  20. Колчев А.А., Щирый А.О. Измерение АЧХ ионосферной КВ радиолинии с целью компенсации искажений, вносимых средой распространения // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2009. Т.9. №4. C.23-26.
  21. Долгачева С.А., Макарова Л.Н., Николаев А.В. Обработка ионограмм высокоширотных станций вертикального зондирования с использованием нейронных сетей: ЕС и Ф2 слои // Physics of Auroral Phenomena. 2020. Т.43. №1. - С.105-108.
  22. Патент РФ №2697433 С1. Цыбуля К.Г. Способ автоматического определения параметров ионосферных слоев по ионограммам. Дата заявки: 26.10.2018. Дата публикации: 14.08.2019.
  23. Пономарчук С.Н., Грозов В.П., Котович Г.В., Михайлов С.Я. Обработка и интерпретация ионограмм вертикального и наклонного зондирования для диагностики ионосферы на базе ЛЧМ-ионозонда. Вестник СибГАУ им. акад. М.Ф. Решетнева. 2013. № 5(51). С. 163-166.
  24. Зыков Е.Ю., Акчурин А.Д., Сапаев А.Л., Шерстюков О.Н., Автоматическая интерпретация ионограмм вертикального зондирования // Учён. зап. Казан. гос. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки, т.150, № 3, Изд-во Казанского ун-та, Казань, 2008, С.36-45.
  25. Мочалов В.А., Мочалова А.В. Применение глубокого обучения для распознавания ионограмм // Труды XXVI Всероссийской научной конференции "Распространение радиоволн" (РРВ-26), 2019, Казань, Том II, С. 413-417.
  26. Егошин А. Б. Автоматизированная система адаптивной обработки сигналов со сверхбольшой базой для радиозондирования ионосферных радиолиний: Дис. … канд. техн. наук / МарГТУ. Йошкар-Ола, 2003.
  27. Pulinets S.A. Automating vertical ionogram collection, processing and interpretation // Ionosonde networks and stations. Proceeding of Session G6 at the XXIV General Assembly of the International Union of Radio Science (URSI). Kyoto, Japan, National Geophysical Data Center, 1995. pp.37-43.
  28. Galkin I.A., Reinisch B.W. The new ARTIST 5 for all digisondes // Ionosonde Network Advisory Group Bulletin. 2008. vol.69. №8. pp.1-8.
  29. Fagre M., Prados J.A., Scandaliaris J., Zossi B.S., Cabrera M.A., Ezquer R.G. Elias A.G. Algorithm for automatic scaling of the F-layer using image processing of ionograms // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2020. vol.59. №1. pp.220-227. https://doi.org/10.1109/tgrs.2020.2996405
  30. Thanakulketsarat T., Sopon T., Phakphisut W., Hozumi K., Wongtrairat W. Ionograms scaling by using the convolutional neural network // 9th International Electrical Engineering Congress (iEECON). IEEE, 2021. pp.245-248.
  31. Guo L., Xiong J. Multi-Scale Attention-Enhanced Deep Learning Model for Ionogram Automatic Scaling // Radio Science. 2023. vol.58. №3. p.e2022RS007566. https://doi.org/10.1029/2022RS007566
  32. Lu Z., Hua C., Wei N., Feng J., Lou P., Liu W. Research on classification of vertical ionogram based on deep convolution neural network // Progress in Geophysics. 2022. vol.37. №5. pp.1834-1839. https://doi.org/10.6038/pg2022GG0073
  33. Xiao Z., Wang J., Li J., Zhao B., Hu L., Liu L. Deep-learning for ionogram automatic scaling // Advances in Space Research. 2020. vol.66. №4. pp.942-950. https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.05.009
  34. Li H., Zhang C., Yin B., Jia X., Xu J., Xue J., Ma M. A Method for Separating the O/X Mode Signals in Vertical Ionograms Based on Improved U-Shaped Encoder-Decoder Network // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2023. vol.61. pp.1-13.
  35. De la Jara C., Olivares C. Ionospheric echo detection in digital ionograms using convolutional neural networks // Radio Science. 2021. vol.56. №8. pp.1-15.
  36. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. 304 с.
  37. Щирый А.О. Проблемы создания комплексного испытательного моделирующего стенда загоризонтных радиолокационных станций декаметрового диапазона, включая адаптацию к геофизической обстановке // Труды IX Всероссийской научно-технической конференции "Дальняя радиолокация на службе Отечеству" / НИИДАР, РТИ им.акад.А.Л.Минца. М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2023. С.182-193.
  38. Арутюнян А.А., Конопелькин М.Ю., Щирый А.О. Уровни и этапы проектирования и исследования перспективных радиолокационных станций в отечественной специализированной САПР // Журнал радиоэлектроники. 2022. №5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.5.3