Имитационное моделирование прохождения сверхширокополосных сигналов через ионосферу и анализ возникающих искажений

УДК 621.396.983

ХМАРСКИЙ П. А, КОНДРАТЁНОК В. А.[1]

Учреждение образования «Военная академия Республики Беларусь», Минск

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ ЧЕРЕЗ ИОНОСФЕРУ И АНАЛИЗ ВОЗНИКАЮЩИХ ИСКАЖЕНИЙ

Представлены результаты проведенного моделирования прохождения ЛЧМ-радиосигналов через ионосферу и анализа возникающих при этом искажений. Представленные результаты получены на кафедре радиолокации и приемо-передающих устройств Военной академии Республики Беларусь в рамках исследования свойств сверхширокополосных радиосигналов.

Введение

Атмосфера – газовая оболочка, окружающая Землю. Её свойства подробно рассмотрены в [1,2,3], где выделены следующие слои атмосферы: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. На распространение волн радиодиапазона оказывают влияние, в основном, тропосфера и ионосфера.

Тропосфера простирается от земной поверхности до высот 8–18 км в разных широтах и может существенно влиять на распространение волн радио и оптического диапазонов, вызывая их поглощение, рассеяние и рефракцию [1]. К ионосфере же относят часть атмосферы выше 50–60 км, ионизированную излучениями Солнца и дальнего космоса. На распространение электромагнитных волн (ЭМВ) здесь могут оказывать влияние электроны (в основном) и положительные ионы. Электроны, взаимодействуя с волной, испытывают большие механические смещения и оказывают поэтому значительно большее воздействие на ЭМВ, что может привести к значительным искажениям принимаемого отражённого радиосигнала при использовании сложных законов его модуляции, как показано ниже.

Цель статьи – анализ возникающих искажений принимаемого отражённого радиолокационного сигнала со сложным законом модуляции вследствие его прохождения через ионосферу.

1. Особенности распространения ЭМВ в ионосфере

Взаимодействие ЭМВ с ионосферой определяется, в первую очередь, распределением концентрации электронов и числа их соударений с тяжелыми частицами по высоте, а также влиянием на их движение магнитного поля Земли. Не только поглощение и рассеяние волн, как в тропосфере, а и все остальные эффекты взаимодействия в ионосфере существенно зависят от частоты.

Типичное распределение электронной концентрации в ионосфере по высоте для дня и ночи показано на рисунке 1. Буквами с индексами отмечено положение типичных областей ионосферы. Значения характеристик основных слоев ионосферы для средних широт, пересчитанные из [1,2], представлены в таблице 1.

Рис. 1. Распределения электронной концентрации в ионосфере

Т а б л и ц а 1

Характеристики основных слоев ионосферы для средних широт

Слой	Высота максимума, км	День	Ночь , м-3
, м-3	, м-3
D	70	108	2×10 8	107
E	110	1,5×10 11	3×10 11	3×10 9
F1	180	3×10 11	5×10 11	-
F2 (зима)	220-280	6×10 11	25×10 11	10 11
F2 (лето)	250-320	2×10 11	8×10 11	3×10 11

В высокочастотном гармоническом электрическом поле волны с напряженностью на электрон воздействует сила , вызывающая его колебательное движение со скоростью . Соударения электрона с тяжелыми частицами, ведущие к существенным потерям энергии на сравнительно низких частотах, в статье учитываются.

Колебательное движение электронов со скоростью означает появление токов проводимости, реактивных в данном случае, т. е. не приводящих к потерям энергии. Токи проводимости накладываются на токи смещения, изменяя свойства среды.

Относительная диэлектрическая проницаемость ионосферы в этом случае изменяется, принимая комплексный характер, что связано c потерями энергии в среде, и принимает вид [1]:

, (1)

где – плазменная частота ионосферы, без учета соударений электронов с тяжелыми частицами:

. (2)

Размерность []. Для плазменная частота изменяется в пределах 0,3…9 МГц.

Для интересующего нас диапазона частот фазовая скорость волны (скорость распространения фазы гармонической волны, не связанная непосредственно с передачей энергии) в однородной ионосфере:

. (3)

При этом фазовая скорость волны в ионосфере, непосредственно не связанная с передачей энергии, больше скорости света в свободном пространстве.

Фазовое и групповое запаздывание в неоднородной ионосфере без учета рефракции для составит:

, (4)

где – число электронов на пути распространения в изогнутом столбе площадью .

Групповое запаздывание огибающей узкополосного колебания с несущей находится как

. (5)

По сравнению с вакуумом оно изменено на , затрачиваемым на возбуждение электронов среды.

2. Результаты статистического моделирования прохождения сверхширокополосных сигналов через ионосферу и анализа возникающих искажений

Для оценки искажений сигнала с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) [1-4] при его прохождении через ионосферу была разработана статистическая модель, позволившая исследовать особенности данного явления.

Моделирование проводилось для следующих исходных данных:

– длина волны ;

– ширина спектра закона модуляции ЛЧМ радиоимпульса ;

– длительность ЛЧМ радиоимпульса ;

– интегральная электронная концентрация (в ходе дальнейших исследований планировалось величину рассчитывать для конкретных условий наблюдаемой воздушной цели).

Для расчета параметров закона модуляции ЛЧМ радиоимпульса (определения для каждой «оцениваемой» частоты своего запаздывания , вносимого ионосферой) с целью получения временной реализации закона модуляции ЛЧМ радиоимпульса полагалось, что закон модуляции ЛЧМ радиоимпульса одиночной амплитуды описывается в соответствии со следующим выражением:

, (6)

где (первое слагаемое определяет запаздывание отраженного сигнала за счет прохождения до цели о обратно, а второе – за счет влияния ионосферы (различное для каждой частоты)); – дальность до цели.

Для «неискаженного» сигнала считалось, что

, (7)

где – время запаздывания первого отсчета (разницу времени запаздывания для различных частот не учитывали).

Результаты расчета параметров энергетического спектра закона модуляции ЛЧМ радиоимпульса представлены на рисунке 2. Анализ полученных на данном этапе моделирования результатов показал, что «искаженный» за счет влияния ионосферы ЛЧМ радиоимпульс имеет несколько более узкий спектр, чем «неискаженный».

Рис. 2. Энергетический спектр ЗМ ЛЧМ радиоимпульса

На рисунках 3 и 4 представлены изображения сжатых «искаженного» и «неискаженного» ЛЧМ радиоимпульсов, а на рисунке 5 – результат сжатия «искаженного» ЛЧМ радиоимпульса в случае, когда влияние ионосферы учтено.

Рис. 3. Сжатый «искаженный» ЛЧМ радиоимпульс

Рис. 4. Сжатый «неискаженный» ЛЧМ радиоимпульс

Рис. 5. «Оптимально» принятый «искаженный» ЛЧМ радиоимпульс

Влияние на искажения ЛЧМ радиоимпульса проиллюстрировано на примере графиков, представленных на рисунках 6 – 7.

Рис. 6. Искажения принятого ЛЧМ радиоимпульса при (а) и (б)

Рис. 7. Искажения принятого ЛЧМ радиоимпульса при (а) и (б)

Величина , как показано в [1], может составлять . Анализ представленных графиков, а также дополнительно проведенных исследований показывает, что при изменении в интервале вид принятого ЛЧМ радиоимпульса почти не отличается от случая, когда бы мы не учитывали искажения данного сигнала ионосферой. Существенные (заметные) искажения начинают проявляться в интервале изменения , что и проиллюстрировано на графиках. Уже при резко начинает расти «пьедестал», величина максимума уменьшаться, а сам сигнал – смещаться. При уровень максимума сравнивается с уровнем «пьедестала», в дальнейшем на его месте образуется даже провал, смещение импульса продолжается. Следовательно, степень искажения принятого ЛЧМ радиоимпульса существенно зависит от величины .

3. Анализ результатов моделирования

По результатам проведенного моделирования можно сделать следующие выводы:

1. Энергетический спектр закона модуляции ЛЧМ радиоимпульса при прохождении его через ионосферу сужается, что обусловлено уменьшением времени запаздывания частотных составляющих сигнала с ростом номинала их частоты.

2. Временная реализация анализируемого радиоимпульса искажается, амплитуда сжатого импульса уменьшается, а длительность увеличивается, что связано с «неоптимальностью» его приема. Степень искажения принятого радиоимпульса существенно зависит от величины .

3. Для оптимизации параметров принимаемых ЛЧМ радиоимпульсов необходимо учитывать их «искажение» в ионосфере.

Следовательно, в ходе предстоящих исследований необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать модель (программу) по расчету величины для различных условий наблюдения воздушной цели.

2. Оценить количественно степень влияния на параметры сжатого ЛЧМ радиоимпульса.

3. Оценить допустимую величину возможной ошибки расчета в зависимости от допустимой степени увеличения ширины (амплитуды) сжатого ЛЧМ радиоимпульса.

Литература

1. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. Справочник. Под ред. . – М.: Радиотехника, 2007, 512 с.

2. Barton, D. K. Radar equation for Modern Radar. – Boston-London, Artech House, 2013. – 448p.

3. Астанин, сверхширокополосных радиолокационных измерений // , – М.: Радио и связь, 1989. – 318с.

4. Охрименко радиолокации и радиоэлектронная борьба. Часть 1. Основы радиолокации. – М.: Воениздат, 1983. – 462c.

__________________________

[1] Научный руководитель – ктн, доцент, начальник кафедры радиолокации и приемо-передающих устройств Военной академии Республики Беларусь .