Media-security

СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ПОМЕХ В ЛЧМ - ИОНОЗОНДЕ

О.И. Бернгардт, В.Е. Носов, Т.Ю. Рудых

Институт Солнечно-Земной Физики, Иркутск

В работе представлена оригинальная методика подавления сосредоточенных помех в ЛЧМ-ионозонде. Методика основана на корреляционных свойствах сосредоточенных помех при ЛЧМ-зондировании. Предварительная проверка методики на основе данных иркутского ЛЧМ-зонда показала её эффективность.

Введение.

В последние годы в практике ионосферных исследований широко используются ЛЧМ - ионозонды [1-4], в основу которых положен метод сжатия сигнала по частоте [5,6]. Данные об ионосфере (распределение электронной концентрации по высоте) извлекаются из дистанционно-частотной характеристики, или ионограммы. Опыт эксплуатации ЛЧМ - ионозондов показывает, что в условиях наличия сосредоточенных помех (сигналов радиовещательных и связных станций), происходит значительное ухудшение качества ионограмм, приводящее к ошибкам при вычислении параметров ионосферы. ЛЧМ-зонд изначально был спроектирован для подавления таких помех, поскольку хорошо известно, что корреляционный приём увеличивает соотношение сигнал/шум. Однако, появление множества мощных КВ радиостанций привело к тому, что даже в случае ЛЧМ-приёма их сигналы искажают ионограмму. Традиционно эффект влияния сосредоточенных помех пытаются устранить, анализируя ионограмму [7-10]. В данной работе представлена оригинальная методика определения и удаления мощных помех непосредственно из выходного сигнала, то есть до вычисления ионограммы.

1. Описание методики поиска и подавления помех.

Функциональная схема ионозонда представлена на рис. 1. Передатчик излучает сигнал с частотой, линейно возрастающей со временем так, что при этом сканируется диапазон от 1 до 30 мгц:

U(t) = sin ( f₀ + b t²/2 ), 0<t<T_C (1)

где f₀–начальная частота, b –скорость изменения частоты, Т_С– длительность сеанса зондирования.

Рис. 1. Схема ЛЧМ-зондирования ионосферы.

После отражения от ионосферы он приобретает задержку t , зависящую от высоты отражающей области. Далее, в приёмнике происходит перемножение принятого сигнала с точной копией излученного сигнала U(t), а фильтром нижних частот (ФНЧ) выделяется результат перемножения – разностное биение:

U_С(t)=sin(b t t ), (2)

частота которого пропорциональна задержке t (а значит, и высоте отражающей области). Коэффициент пропорциональности b является величиной известной, поэтому определение задержки сводится к определению частоты сигнала U_С(t). Для этого сигнал с выхода ФНЧ подаётся на спектроанализатор, который непрерывно производит оценку скользящего спектра мощности. Последовательность таких спектров образует ионограмму, связывающую задержку t (высоту отражающего ионосферного слоя) с частотой излучаемого сигнала.

Рассмотрим теперь эффект влияния сосредоточенной помехи на принимаемый сигнал. В качестве модели помехи выберем гармонический сигнал на частоте fп, действующий на антенну приёмника. Модель соответствует узкополосному сигналу, который излучается большинством радиостанций. В таком случае сигнал на выходе ФНЧ, обусловленный помехой этого типа, будет описываться выражением:

U_П(t)=sin(b t²/2), T₀<t<T₀+T_П (3)

Фактически, он представляет из себя ЛЧМ-сигнал с известной скоростью изменения частоты, совпадающей со скоростью сканирования опорного генератора. Продолжительность этого импульса T_Попределяется характе-ристиками ФНЧ, а именно полосой пропускания П. Время появления этого ЛЧМ-импульса T₀ определяется частотой помехи Fп и, опять таки, скоростью сканирования гетеродина приёмника b . Процесс приёма помехи проиллюстрирован на рис. 2.

Рис. 2. График, поясняющий процесс обработки ионосферного сигнала и сосредоточенной помехи в приёмнике ЛЧМ-ионозонда. Разность частот опорного сигнала и помехи, сосредоточенной на частоте f_П, увеличивается со скоростью b . Поэтому время T_П влияния помехи на сигнал ограничено полосой пропускания НЧ фильтра П.

Таким образом, на выходе ФНЧ, на фоне информационного сигнала ЛЧМ-зондирования сосредоточенная помеха будет представляться в виде короткого ЛЧМ-импульса. Поэтому задача детектирования сосредоточенной помехи и её удаления сводится к стандартной радиолокационной задаче определения задержки сигнала заранее известной формы [11]. Наиболее эффективным методом определения положения ЛЧМ-импульса, с нашей точки зрения, является корреляционный анализ. Это связано с хорошо известными корреляционными свойствами ЛЧМ-импульса, повышающими точность определения задержки. Наличие помехи определялось путем сравнения функции корреляции с пороговым значением. В качестве порога выбиралось превышение функцией среднего значения в три раза. В качестве метода точного определения положения помехи использовался поиск максимума корреляционной функции. После определения положения помехи она удалялась из сигнала бланкированием. Влияние удаление помехи на спектр сигнала определяется отношением длительности вырезанного участка и длительности окна спектрального анализа. Энергетика той части спектра, которая появилась в результате бланкирования, может быть оценена по формуле:

Р_БЛАНК~Р_{СИГНАЛ´}Т_П/Т_С. (4).

Принципиальная схема методики представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема обнаружения и удаления помехи, имеющей структуру ЛЧМ-сигнала.

2. Экспериментальная проверка методики.

Экспериментальная проверка методики проводилась на основе данных иркутского ЛЧМ-зонда. При этом система имела следующие характеристики: скорость сканирования b =100 кгц/с, полоса ФНЧ П=1000 Гц. Это соответствует длительности ЛЧМ-импульса помехи Т_П=10мс. Длительность окна скользящего спектра при этом составляла Т_С=1с. Пример сигнала на выходе ФНЧ с помехой и без приведен на рис. 4.а. На этом же рисунке (рис. 4.б) приведена модельная форма импульса помехи, определенная из приведенных выше теоретических предпосылок. Видно, что реальная и теоретическая помеха хорошо коррелируют между собой (рис. 4.в). Из рисунка видно, что корреляционная функция действительно имеет острый максимум, что позволяет применять приближение сосредоточенной помехи гармонической функцией, хотя сигналы связных и радиовещательных станций имеют более сложный спектр.

Ионограммы полученные после применения описанной методики деления сосредоточенных помех и без её применения представлены на рис. 5, 6. Видно, что после подавления сосредоточенных помех ионограмма становится визуально лучше. Это позволяет рекомендовать использование данной методики при регулярных измерениях ЛЧМ-зондом.

Искажения спектров, вызванные бланкированием сосредоточенных помех и оценивающиеся из (4) при этом, имеют порядок 1% на каждую помеху.

Рис. 4. Пример удаления помехи из реального сигнала.

Рис. 5. Ионограмма, рассчитанная по необработанным данным.

Заключение.

В работе представлена оригинальная методика подавления сосредоточенных помех в ЛЧМ-зонде. Методика основана на корреляционных свойствах сосредоточенной помехи после ЛЧМ-приёма: сосредоточенная помеха на выходе НЧ фильтра имеет вид короткого ЛЧМ-импульса с известной скоростью изменения частоты (3). После определения положения помехи она подавляется бланкированием. Предварительное тестирование методики показало возможность её применения при ЛЧМ-зондировании.

Предложенная методика может быть использована в любом режиме ЛЧМ-зондирования (вертикального, наклонного и возвратно-наклонного). Также методика может быть использована для непрерывной диагностики наличия сосредоточенных помех и определения их частот.

Рис. 6. Та же ионограмма, рассчитанная по данным с удаленными помехами.

Литература

G.H. Barry and R.B. Fenwick. Extraterrestrial and ionospheric sounding with synthesized frequency sweeps. Hewlett-Packard J., 16, 8-12, 1965.

K.J.W. Lynn. Oblique Sounding in Australia. Ionosonde network advisory group (INAG), Ionospheric Station Information, Bulletin N 62, pp. 14 - 18.

I.G. Brynko, I.A. Galkin, V.P. Grozov, N.I. Dvinskikh, S.M. Matyushonok and V.E. Nosov. An Automatically Controlled Data Gathering and Processing System Using an FMCW Ionosonde.Adv. Space Res., v.4, N4, pp(4) 121-124, 1988.

В.А. Иванов, Ю.Б. Малышев, Ю.Г. Нога, С.А. Терехов, В.П. Урядов, В.В. Шумаев. Автоматизированный ЛЧМ комплекс для ионосферных исследований. Радиотехника, N 4, 1991, с. 69 -72.
Д.Е. Вакман. Сложные сигналы и принцип неопределенности в радиолокации. М.: Сов. Радио, 1965, 304 с.
А.С. Виницкий. Очерки основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М.: Сов. Радио, 1971, 495 с.
В.П. Грозов, В.Е. Носов, Г.А. Ососков. Вопросы обработки изображений применительно к задачам автоматической обработки ионограмм. Оптика атмосферы и океана. 11, N 5, 1998, c. 543 - 547.

G.F. Earl. An algorithm for the removal of radio frequency interference in ionospheric backscatter sounding. Radio Science, Vol. 26, N 3, p.661-670, 1991.

Н.В. Ильин, В.И. Куркин, В.Е. Носов, И.И. Орлов, С.Н. Пономарчук, В.В. Хахинов. Моделирование характеристик ЛЧМ - сигналов ппри наклонном зондировании ионосферы. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Новосибирск: Наука, 1995, вып. 103, с. 149 - 157.

Paul C.Arthur and Paul S. Cannon. ROSE: a high performance oblique ionosonde providing new opportunities for ionosphearic research. Annali Di Geofisica, Vol. XXXVII, N. 2, May 1994. c. 139.

Современная радиолокация. Пер. с англ. под. ред. Кобзарева Ю. Б. М.: Сов. Радио, 1969, 704с.