Развитие цифровых методов обработки ионосферных сигналов

• Автор: Ржанов, Алексей Александрович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Калининград
• Количество страниц: 156 с. : ил.

I Введение.

II Глава 1. Методы обработки ионосферных сигналов.

§1.1 Распространение декаметровых волн в ионосфере. Основные оценки, модель сигнала. 7 §1.2 Классический метод доплеровской фильтрации ионосферных сигналов.

§1.3 Основы теории оптимального приёма.

§1.4 Решение задачи разрешения подобных сигналов методом максимального правдоподобия.

§ 1.5 Решение задачи обнаружения сигнала.

§ 1.6 Доплеровская фильтрация методом максимального правдоподобия.

§ 1.7 Доплеровская фильтрация на основе разностного уравнения.

§1.8 Принцип обработки неортогональных сигналов.

Глава 2. Разработка комплекса аппаратуры для приёма ионосферных сигналов.

§2.1 Описание комплекса аппаратуры для приёма ионосферных сигналов.
§2.2 Оценка возможностей комплекса аппаратуры.
§2.3 Исследования возможностей метода доплеровской фильтрации, проведённой с помощью виртуальных генераторов. ,
§2.4 Результаты эксперимента с двумя звуковыми генераторами.
§2.5 Результаты исследований возможностей метода максимального правдоподобия с помощью имитатора сигнала.
§2.6 Структура ионосферного сигнала на интервалах десятков секунд.
Ш Г лава 3. Развитие методов обработки ионосферных сигналов.
§3.1 Модель ионосферного сигнала с мультипликативной помехой.
§3.2 Поляризационные характеристики выделенных во времени мод сигнала.
§3.3 Метод оценки параметров ионосферного сигнала по времени группового запаздывания.

§3.4 Результаты модельных исследований метода оценки параметров по групповому запаздыванию.
§3.5 Оценка параметров ионосферного сигнала.
§3.6 Оценка параметров ионосферного сигнала по экспериментальным данным.
§3.7 Решение проблемы одновременного повышения точности оценки времени приёма радиоимпульса и его частоты.
IV Заключение.
V Список используемой литературы.

Изучение вопросов распространения, приёма и обработки ионосферных сигналов продолжает оставаться актуальной областью исследований. Это обусловлено как научными целями, так и практической необходимостью. Научные цели связаны, в первую очередь, с необходимостью получения информации о сложных и не полностью изученных процессах, происходящих в ионосфере под действием внутренних факторов, а также под действием космического и солнечного излучения. Наклонное зондирование ионосферы с помощью коротких радиоволн позволяет практически мгновенно обнаруживать волнообразные процессы, обусловленные природными (землетрясения, грозы, торнадо и т.д.) и антропогенными (взрывы, запуски ракет) факторами. Оно даёт возможность изучения солнечно-земных связей, влияния космического излучения на атмосферу Земли. Развитие данной тематики даёт возможность решения одной из важнейших задач - задачи мониторинга ионосферы методами наклонного зондирования в коротковолновом диапазоне.
Сложность ионосферных сигналов, обусловленная многолучёвостью, рассеянием, анизотропностью и дисперсионностью среды распространения - ионосферы, неоднородностью и нестационарностью, предопределяет вторую важную научную цель исследований. Она связана с развитием теории и методов обработки ионосферных сигналов с целью получения полной и достоверной информации о процессах, происходящих в ионосфере. В настоящее время с развитием микроэлектроники и вычислительной техники появляются новые возможности обработки ионосферных сигналов. Они связаны с развитием теории обработки сложных сигналов, с разработкой новых методов обработки, отличающихся высокой точностью и достоверностью. Основой при этом являются положения теории оптимального приёма.
Практическая необходимость развития исследований в области приёма и обработки ионосферных сигналов связана с разработкой и модернизацией сложных комплексов аппаратуры, использующих ионосферные сигналы. К ним относятся ионосферные системы связи, пеленгационные комплексы аппаратуры, системы локации в области декаметровых волн, включая загоризонтную локацию, навигационные системы.
Одной из наиболее важных задач в области приёма и обработки ионосферных сигналов является задача разделения лучевой структуры сигнала. При реше-

нии этой задачи исключаются интерференционные изменения сигнала, и появляется возможность получения достоверной информации об отдельных частях ионосферы. В настоящее время задача разделения лучевой структуры сигнала решается методом доплеровской фильтрации. Основой метода доплеровской фильтрации является очень малая ширина спектральных линий ионосферных сигналов. При спокойной ионосфере ширина линии спектра (зеркальное отражение) достигает десятых и сотых долей Гц. В результате относительного перемещения области отражения отдельного луча позволяют осуществить их частотное обнаружение и выделение за счёт эффекта Доплера. Однако ионосферные сигналы в этих случаях должны иметь интервал стационарности —70-^-100 с. В периоды возмущённой ионосферы, наиболее интересные с точки зрения обнаружения, изучения и диагностики ионосферных возмущений, интервал стационарности ионосферных сигналов существенно уменьшается до 5Г20 с и менее. В этих условиях использование цифрового спектрального анализа, основанного на преобразовании Фурье, оказывается неприемлемым. В этом случае разрешающая способность оказывается недостаточной для разрешения лучевой структуры ионосферных сигналов. Таким образом, классический метод доплеровской фильтрации ионосферных сигналов оказывается ограниченным областью стационарных сигналов. При использовании этого метода на интервалах выборки данных больших, чем интервал стационарности возникают искажения доплеровского спектра вплоть до появления ложных спектральных линий. Ионосфера в этом случае осуществляет модуляцию зондирующего сигнала по амплитуде, фазе и частоте.
В работе /1/ рассмотрена возможность доплеровской фильтрации ионосферных сигналов на основании положений теории оптимального приёма /2,3,4,5,6/. Основным результатом этой работы является разработка алгоритма с высокой разрешающей способностью, позволяющего получать доплеровский спектр на интервалах -20 с по сравнении с 80-ю секундами при классической доплеровской фильтрации. Этот результат основан на том, что узкие спектральные линии ионосферного сигнала (доли Гц) дают возможность получения N-1000-^-2000 некоррелированных по шуму отсчётов в выборке данных. В результате чего отношение сигнал/шум относительно выхода приёмника может быть увеличено в л[ы раз, т.е. на -30 дБ. Однако данные исследования нуждаются в экспериментальной проверке. Кроме
ляет определять корреляционную функцию в (1.5.4). Так, например, если изменяемым параметром является частота, то функция д{а>') будет определять частотный спектр

с{(о)') = и0 (Г)ехр(-га)7 )<й. 1.5.5а

Если изменяемым параметром является время приёма радиоимпульса, то функция q{t') будет определять следующую корреляционную функцию

q{t') = ио |5'(0ехр(-г'®(^-/'))й?1, 1.5.

где время приёма копии радиоимпульса.
Данный анализ позволяет изменить структуру оптимального приёмник при решении задачи обнаружения сигнала. В начале принятое сообщение у(1) преобразуется в частотный спектр или корреляционную функцию, максимумы которых определяют q(m' = co) или q(t' = t), являются случайными величинами и сравниваются с пороговым значением. При неизвестной частоте (1.5.4) преобразуется к виду
Т 1 .
д(со) = |у(/)ехр(-/ю7)£Л >—112Т = к. 1.5.

При неизвестном времени приёма (1.5.4) преобразуется к виду

ч(У') = [ КО ехР(—/<»(/ - ^'))А > — и2Т = Ь. 1.5.

Вследствие линейности преобразований случайная величина д(Л) распределена по нормальному закону, как и шумовая составляющая. Вычисляя математическое ожидание М{д{Х)) и дисперсию Оя=М^(А)-Мд(ЛУ)2 можно определить две плотности распределения случайной величины д(Л):
р{ (д) - определяет плотность распределения случайной величины д при отсутствии сигнала в принятой реализации,
р2(д) - определяет плотность распределения случайной величины д при наличии сигнала в принятой реализации. Это даёт возможность оценить вероятность обнаружения сигнала
Рогш = “Рг(я)Лч 1-5.