Irkutsk, Irkutsk region, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
We propose a new method for analysis of data from Irkutsk Incoherent Scatter Radar. The method allows us to accomplish interferometric observation of discrete cosmic radiosource characteristics. In this study, we analyzed ionospheric scintillations of the radio source Cygnus-A. Observations were made in 2013 during regular radar sessions within 5–15 days for different seasons, and the effective time of observation was 15–30 minutes per day. For interferometric analysis, the properties of correlation (coherence) coefficient of two independent recording channels were used. The statistical analysis of data from independent channels allows us to construct two-dimensional histograms of radiosource brightness distribution with period of 18 s and to determine parameters (the maximum position and the histogram width) representing position and angular size of radiosource for each histogram. It is shown that the change of statistical characteristics does not correlate with fluctuations in power (scintillations) of the signal caused by radiowave propagation through ionospheric irregularities.
Ionospheric irregularities, discrete radiosource scintillations.
ВВЕДЕНИЕ
Мерцания радиосигналов в ионосфере Земли - известное с середины прошлого века [Little, Maxwell, 1951] и достаточно хорошо изученное [Kung Chie Yeh, Chao-Han Liu, 1982] явление. Основные направления человеческой деятельности, в которых влияние ионосферных мерцаний играет значительную роль, - это спутниковые коммуни-кации и радиоастрономия. В настоящее время разработан ряд моделей, которые описывают и в некоторой мере предсказывают поведение ионосферных мерцаний в планетарном масштабе [Priyadarshi, 2015]. Исследование свойств мерцаний в некоторых случаях позволяет определять характеристики ионосферных неоднородностей [Безродный и др., 2010]. Иркутский радар некогерентного рассеяния (ИРНР), работающий в пассивном режиме, также способен наблюдать мерцания радиоволн от дискретных космических радиоисточников (ДКР) в ионосфере [Vasilyev et al., 2013]. Особенности регистрирующей системы ИРНР позволяют выполнять интерферометрические [Лебедев и др., 2013] наблюдения ионосферы и объектов на околоземной орбите. Эти особенности можно задействовать также для наблюдения за ДКР и их характеристиками.
ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ ИОНОСФЕРНЫХ МЕРЦАНИЙ
Эффекты распространения метровых радиоволн в ионосфере, как правило, негативны для работы радиотелескопов-интерферометров. Рефракционные эффекты, возникающие при распространении сигнала в неоднородной среде, искажают истинное положение источника излучения и его размер [Spoelstra, Kelder, 1984]. Вариации характеристик ионосферы имеют различный характер. Существуют сезонные и суточные вариации электронной концентрации, ее эволюция по высоте, а также волновые явления (перемещающиеся ионосферные возмущения), имеющие характерные периоды порядка нескольких часов и размеры от десятков до тысяч километров. Эти относительно плавные вариации характеристик ионосферы играют существенную роль для радиоинтерферометров, обладающих базой порядка нескольких километров и более. Они могут быть учтены при помощи либо существующих моделей ионосферы [Sukumar, 1987], либо вспомогательных наблюдений ионосферы. Ионосферные неоднородности с масштабом порядка одного километра в связи с тем, что их размер приближается к размеру зоны Френеля для метровых волн на высотах ионосферы, будут приводить к дифракционным эффектам, которые выражаются в мерцаниях радиосигнала ДКР. Они регистрируются интерферометром при наблюдении ДКР и могут иметь различный характер: в зависимости от соотношения размеров неоднородностей и базы интерферометра можно различать амплитудные и фазовые мерцания радиосигнала на выходе коррелятора. Если размер базы интерферометра (расстояние между антеннами) будет существенно меньше размера неоднородности, вариации радиосигнала в различных антеннах интерферометра будут синхронными и на выходе коррелятора будут наблюдаться вариации соотношения сигнал/шум, что является проявлением так называемых амплитудных мерцаний. Относительная фаза сигналов при этом будет изменяться медленно в соответствии с перемещением ДКР по небесной сфере вследствие суточного вращения Земли. При увеличении базы интерферометра до размеров, сопоставимых с размерами ионосферных неоднородностей или превы-шающих их, фазовые задержки сигналов в антеннах интерферометра, обусловленные прохождением радиоволны через участки с различной электронной концентрацией, начнут различаться. Это приведет к сложению в корреляторе сигналов с разными задержками, и вариация сигнала на выходе коррелятора уже будет обусловлена как вариацией соотношения сигнал/шум, так и усилением или ослаблением выходного сигнала вследствие синфазного или противофазного суммирования, что является проявлением фазовых мерцаний. В этом случае на плавное изменение фазы сигнала от ДКР за счет вращения Земли будут накладываться быстрые вариации фазы, которые в конечном итоге будут влиять на наблюдаемое положение и размер ДКР. Более подробно этот вопрос был исследован в работе [Spoelstra, Yang Yi-Pei, 1995], в которой показана зависимость ослабления амплитудных мерцаний и увеличения фазовых мерцаний от роста базы интерферометра
1. Bezrodny V.G., Charkina O.V., Yampolsky Yu.M., et al. Research into stimulated ionospheric scintillation and absorption of emission of discrete space sources using panoramic HF riometer. Radiofizika i radioastronomiya [Radio Physics and Radio Astronomy] 2010, vol. 15, no. 2, pp. 151-163 (in Russian).
2. Kung Chie Yeh, Chao-Han Liu. Radio wave scintillations in the ionosphere. Proc. IEEE. 1982, vol. 70, no. 4, pp. 324-360. DOI:https://doi.org/10.1109/PROC.1982.12313.
3. Lebedev V.P., Medvedev A.V., Kushnarev D.S. Method of calibration of the directional pattern of the Irkutsk Incoherent Scatter Radar. Proc. of Baikal Young Scientists’ International School on Fundamental Physics. IX Young Scientists’ Conference “Physical Processes in Outer and Near-Earth Space” XIV Conference “Interaction of Fields and Radiation With Matter”. Irkutsk, 11-16 September 2006. Irkutsk, 2006, pp. 185-188 (in Russian).
4. Lebedev V.P., Medvedev A.V., Tolstikov M.V. Interfeometric measurements of ionospheric disturbances at the Irkutsk Incoherent Scatter Radar. Vestnik Sibirskogo Gosudarstvennogo Aerokosmicheskogo Universiteta Imeni Akademika M.F. Reshetneva [Bull. of Academic M.F. Reshetnev Siberic State University]. 2013, no. 5 (51), pp. 160-163 (in Russian).
5. Little C.G., Maxwell A. Fluctuations of the intensity of radio waves from galactic sources. Philosophical Magazine Series 7. 1951, vol. 42, iss. 326, pp. 267-278. DOI: 10.1080/ 14786445108561264.
6. Priyadarshi S. A Review of ionospheric scintillation models. Surv. Geophys. January 2015, vol. 36, pp. 295-324. DOI:https://doi.org/10.1007/s10712-015-9319-1.
7. Spoelstra T.A.T., Kelder H. Effects produced by the ionosphere on radio interferometry. Radio Sci. 1984, vol. 19, no. 3, pp. 779-788. DOI:https://doi.org/10.1029/RS019i003p00779.
8. Spoelstra T.A.T., Yang Yi-Pei. Ionospheric scintillation observations with radio interferometry. J. Atm. Solar-Terr. Phys. 1995, vol. 57, no. 1, pp. 85-97.
9. Sukumar S. Ionospheric refraction effects on radio interfe-rometer phase. J. Astrophys. Astr. June 1987, vol. 8, pp. 281-294. DOI:https://doi.org/10.1007/BF02714893.
10. Vasilyev R.V., Kushnarev D.S., Lebedev V.P., et al. Perspectives of usage of Irkutsk Incoherent Scatter Radar (IISR) as an imaging riometer and radio heliograph. J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2013, vol. 105/106, pp. 273-280. DOI: 10.1016/ j.jastp.2013.06.012.
