Иркутск, Россия
Иркутск, Россия
Рассматривается моделирование распространения квазимонохроматического радиосигнала, представленного когерентной импульсной последовательностью, в нестационарном многолучевом радиоканале. Распространение сигнала в таком канале приводит к наблюдаемому сдвигу частоты для каждого луча (эффект Доплера). В основе описанного подхода к моделированию лежит предположение о том, что во время распространения одного импульса канал можно считать стационарным. Показано, что к наблюдаемому сдвигу частоты в принятом сигнале приводит изменение фазы передаточной функции канала. Таким образом, измерение доплеровского смещения частоты можно свести к измерению скорости изменения средней фазы одного импульса относительно другого. Само моделирование проводилось в рамках метода нормальных волн. Данный метод позволяет моделировать динамику электромагнитного поля в заданной точке с необходимой точностью. Моделирование показало, что локальное изменение свойств ионосферы сильнее влияет на лучи, область отражения которых лежит в той части ионосферы, где данные изменения имеют место.
эффект Доплера, метод нормальных волн, моделирование, нестационарный радиоканал
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наиболее часто используемым способом измерения доплеровского смещения частоты является спектральный анализ [Baddeley et al., 2005; Bianchi, Altadill, 2005; Petrova et al., 2009]. В рамках данного подхода для квазимонохроматического сигнала в случае стационарной среды и постоянной скорости излучателя или приемника мы получаем ярко выраженный пик, положение которого и определяет сдвиг частоты (классический эффект Доплера).
Для нестационарной среды и меняющейся со временем скорости приемника или излучателя мы получим так называемый доплеровский спектр, потеряв при этом детальное поведение сдвига частоты в зависимости от времени, которое мы далее будем называть тонкой структурой эффекта Доплера. Стоит отметить, что трактовка доплеровского спектра неоднозначна и зависит от условий поставленной задачи.
Примером такой нестационарной среды является ионосфера. При измерении спектральными методами доплеровского смещения частоты квазимонохроматического сигнала, прошедшего нестационарный ионосферный радиоканал, мы ограничены двумя факторами: дисперсия не позволяет сформировать слишком короткий сигнал, а нестационарность не дает анализировать слишком длинные сигналы. Характерные значения доплеровских (параметрических) сдвигов частоты квазимонохроматического радиосигнала в КВ-диапазоне, прошедшего ионосферный радиоканал, составляют герцы или доли герца. Для измерения подобных величин необходимы сигналы длительностью до десятков секунд, но нестационарность радиоканала накладывает ограничения на использование таких сигналов.
Иным подходом, позволяющим измерить тонкую структуру сдвига частоты, является анализ фазы сигнала. В случае однолучевого сигнала это не представляется слишком сложной задачей. Однако при прохождении непрерывного сигнала через многолучевой радиоканал поведение фазы становится довольно сложным, поскольку отражает поведение суммы фаз лучей, а не поведение фазы отдельно взятого луча. Задача разделения лучей такого сигнала является некорректной и в общем случае нерешаемой.
Вместо непрерывного сигнала можно использовать импульсный сигнал, который в точке приема можно разделить на отдельные лучи по задержкам. Дисперсия и нестационарность канала незначительно влияют на импульсы, ширина полосы которых существенно меньше полосы когерентности канала (порядка сотен килогерц [Иванов и др., 2006]), а длительность сравнима со временем распространения и существенно меньше характерного времени изменения параметров канала. Радиоканал можно считать стационарным во время распространения одного такого импульса, но одиночные импульсы не позволяют измерить скорости изменения ионосферных параметров. В этом случае можно регистрировать либо спектр последовательности импульсов [Батухин и др., 2000], который является линейчатым, либо амплитуду и фазу каждого отдельного импульса с последующим анализом их изменений с течением времени.
В общем случае изменение параметров ионосферного радиоканала с течением времени приводит к изменениям характеристик отдельных импульсов. Однако несложно установить, что при спектральных измерениях когерентной последовательности импульсов только вариации фазы передаточной функции канала (которая и определяет среднюю фазу амплитудно-модулированного импульса) приводят к изменению положения центральной спектральной линии в линейчатом спектре. При этом вариации амплитуды или задержки к сдвигам центральной линии не приводят. Вариации амплитуды приводят к деформации спектральных линий, а вариации задержки приводят к малому изменению расстояния между спектральными линиями, не меняя положение и форму центральной линии.
Таким образом, в случае малых вариаций ионосферных параметров фаза и амплитуда сигнала будут непрерывно меняться от импульса к импульсу, при этом изменение амплитуды можно не учитывать. Скорость же изменения фазы можно трактовать как доплеровское смещение частоты [Barnes, 1992; Cohen, 1995].
Исходя из этого, имея модель передаточной функции многолучевого радиоканала, параметры которого медленно и непрерывно меняются с течением времени, мы можем регистрировать фазу отдельных импульсов, соответствующих отдельным лучам. При этом изменение фазы принятого импульса позволяет отслеживать доплеровское смещение частоты для каждого луча в отдельности с помощью когерентной последовательности импульсов.
1. Батухин В.И., Иванов В.А., Колчев А.А., Розанов С.З. Измерение доплеровского смещения частоты отдельных лучей с помощью ЛЧМ-ионозонда // Известия вузов. Радиофизика. 2000. Т. 43, № 12. С. 1044-1054.
2. Иванов Д.В., Егошин А.Б., Иванов В.А., Рябова Н.В. Информационно-аналитическая система для исследования ионосферы и каналов декаметровой радиосвязи. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. 256 с.
3. Куркин В.И., Орлов И.И., Попов В.Н. Метод нормальных волн в проблеме коротковолновой радиосвязи. М.: Наука, 1981. 124 с.
4. Потехин А.П., Орлов И.И. Приближенная формула суммирования ряда нормальных волн // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1981. Вып. 57. С. 135-137.
5. Baddeley L.J., Yeoman T.K., Wright D.M. HF Doppler sounder measurements of the ionospheric signatures of small scale ULF waves // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 1807-1820.
6. Barnes A.E. The calculation of instantaneous frequency and instantaneous bandwidth (Short Note) // Geophysics. 1992. V. 57, N 11. P. 1520-1524.
7. Bianchi C., Altadill D. Ionospheric Doppler measurements by means of HF-radar techniques // Ann. Geophys. 2005. V. 48, N 6. P. 989-993.
8. Cohen L. Time-Frequency Analysis. New Jersey: Prentice Hall PTR, 1995. 206 p.
9. Petrova I.R., Bochkarev V.V., Latipov R.R. Application of HF Doppler measurements for the investigation of internal atmospheric waves in the ionosphere // Adv. Space Res. 2009. V. 44, N 6. P. 685-692.
