RU2749169C1

RU2749169C1 - Method for determining altitude profile of electron concentration in e-region of earth's ionosphere

Info

Publication number: RU2749169C1
Application number: RU2020130094A
Authority: RU
Inventors: Наталия Владимировна Бахметьева; Геннадий Иванович Григорьев; Елена Евгеньевна Калинина; Ариадна Викторовна Толмачева
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2020-09-14
Publication date: 2021-06-07

Abstract

FIELD: geophysics.SUBSTANCE: invention relates to the field of geophysics, concerns a method for determining the altitude profile of the electron concentration in the E-region of the Earth's ionosphere, intended for remote determination of the electron concentration in the altitude range of 90-130 km. The method includes the formation of artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma of two different spatial scales by acting on the ionosphere with disturbing radio emission alternately of the critical frequency of the E-layer and below the critical frequency of the F2-layer at two frequencies above, radiation into the ionosphere of sounding pulses after the end of the disturbing effect alternately at the same frequencies and with the same polarization, reception of signals backscattered by artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma with two different spatial scales, measurement of the amplitude and relaxation time of backscattered signals at each of the radiated frequencies ƒ1and ƒ2, determination of the altitude dependence of the relaxation time of the signal backscattered by the generated disturbing radio emission by periodic plasma irregularities at the investigated heights h, for which the relaxation time of irregularities τ1(h) formed by perturbing radio emission at ƒ1, and the relaxation time of inhomogeneities τ2(h) formed by perturbing radio emission at frequency ƒ2, and the relaxation of which in the lower ionosphere is determined by ambipolar diffusion, the ratio of relaxation times is determinedand in accordance with the formulaand with regard to the following formula. Including the frequencies ƒ1and ƒ2and the longitudinal electron gyrofrequency fL. The value of the electron concentration N is determined at a given height h and the height profile N (h).EFFECT: invention makes it possible to improve the altitude-time resolution and increase the accuracy of determining the electron concentration in the altitude range of 90-130 km.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизики, касается способа определения высотного профиля электронной концентрации в Е-области ионосферы Земли, предназначенного для дистанционного определения электронной концентрации в интервале высот 90–130 км. Предлагаемое изобретение может быть использовано для анализа условий и прогнозирования распространения КВ радиоволн в ионосфере, изучения динамических процессов, происходящих в Е-области ионосферы Земли, анализа воздействия мощного радиоизлучения на ионосферу Земли. The invention relates to the field of geophysics, concerns a method for determining the altitude profile of the electron concentration in the E-region of the Earth's ionosphere, intended for remote determination of the electron concentration in the altitude range of 90-130 km. The proposed invention can be used to analyze the conditions and predict the propagation of HF radio waves in the ionosphere, to study the dynamic processes occurring in the E-region of the Earth's ionosphere, to analyze the impact of powerful radio emission on the Earth's ionosphere.

Существует ряд способов измерения электронной концентрации в ионосфере Земли. Одним из первых являлся способ определения высотного профиля электронной концентрации методом вертикального зондирования ионосферы с помощью ионозонда на основе восстановления профиля по измеряемой (получаемой) ионозондом ионограмме вертикального зондирования, которая представляет собой высотно-частотную характеристику (Альперт Я.Л., Фейнберг Е.Л., Гинзбург В.Л. Распространение радиоволн. – М.: Гостехиздат, 1953, 883 с.; Руководство УРСИ по интерпретации и обработке ионограмм – М.: Наука, 1977, 342 с.; Akchyurin A.D., Minullin R.G., Nazarenko V.I., Sherstyukov O.N., Sapaev A.L., Zykov E.Yu. The Ionospheric Complex «Cyclon» // Ionosonde networks and stations. Proc. of Session G6 at the XXIV General Assembly of the International Union of Radio Science (URSI). Kyoto, Japan: National Geophysical Data Center. 1995. P. 35–36.). С последующим развитием техники были созданы новые устройства и разработаны новые способы измерений электронной концентрации, среди которых измерения с помощью инструментов, размещаемых на ракетах, использование радаров некогерентного рассеяния, метод частичных отражений, прием сигналов спутниковых навигационных систем, радиотомография и др. (Брюнелли Б.Е., Намгаладзе А.А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.). There are a number of ways to measure the electron concentration in the Earth's ionosphere. One of the first was a method for determining the altitude profile of electron concentration by the method of vertical sounding of the ionosphere using an ionosonde based on the reconstruction of the profile from the vertical sounding ionogram measured (obtained) by the ionosonde, which is an altitude-frequency characteristic (Alpert Ya.L., Feinberg E.L. , Ginzburg V.L. Propagation of radio waves. - M .: Gostekhizdat, 1953, 883 p .; URSI manual on the interpretation and processing of ionograms - M .: Nauka, 1977, 342 p .; Akchyurin AD, Minullin RG, Nazarenko VI, Sherstyukov ON, Sapaev AL, Zykov E. Yu. The Ionospheric Complex "Cyclon" // Ionosonde networks and stations. Proc. Of Session G6 at the XXIV General Assembly of the International Union of Radio Science (URSI). Kyoto, Japan: National Geophysical Data Center. 1995. P. 35-36.). With the subsequent development of technology, new devices were created and new methods for measuring electron concentration were developed, including measurements with instruments placed on rockets, the use of incoherent scatter radars, the method of partial reflections, reception of signals from satellite navigation systems, radio tomography, etc. ( Brunelli B. E., Namgaladze A.A. Physics of the ionosphere (Moscow: Nauka, 1988).

Метод вертикального зондирования ионосферы получил новое развитие с появлением цифровых ионозондов (дигизондов). Наиболее распространенным по всему миру является дигизонд DPS-4, обладающий малой мощностью передатчика и высоким соотношением сигнал/шум в результате применения специальных методов обработки (Galkin I.A., Reinisch B.W., Bilitza D. Realistic Ionosphere: real-time ionosonde service for ISWI // Sun and Geosphere. 2018. 13/2: 173–178, ISSN 2367-8852; Reinisch B.W., Galkin I.A., Khmyrov G.M. et al. Advancing digisonde technology: the DPS-4D, in Radio Sounding and Plasma Physics // 2008. AIP Conf. Proc. 974, 127–143; doi:10.1063/1.2885023. Разработан отечественный ионозонд с учащенным режимом снятия ионограмм и автоматической оцифровкой (Зыков Е.Ю., Шерстюков О.Н., Акчурин А.Д. Исследовательский ионозонд "Циклон" Казанского университета и программное обеспечение автоматической обработки ионограмм // Гелиогеофизическик исследования. 2013. № 4. С. 39–46.) The method of vertical sounding of the ionosphere has received a new development with the advent of digital ionosondes (digisondes). The most widespread around the world is the DPS-4 digitizer, which has a low transmitter power and a high signal-to-noise ratio as a result of the use of special processing methods (Galkin IA, Reinisch BW, Bilitza D. Realistic Ionosphere: real-time ionosonde service for ISWI // Sun and Geosphere. 2018.13/2: 173–178, ISSN 2367-8852; Reinisch BW, Galkin IA, Khmyrov GM et al. Advancing digisonde technology: the DPS-4D, in Radio Sounding and Plasma Physics // 2008. AIP Conf Proc. 974, 127-143; doi: 10.1063 / 1.2885023 A domestic ionosonde with an accelerated mode of ionograms and automatic digitization has been developed (Zykov E.Yu., Sherstyukov ON, Akchurin A.D. Research ionosonde "Cyclone" of Kazan University and software for automatic processing of ionograms // Heliogeophysical research. 2013. No. 4. P. 39–46.)

Известен способ радиозондирования ионосферы спиральными электромагнитными волнами RU 2 662 014 C1 (Данилкин Н.П., Журавлев С.В., Котонаева Н.Г., Лапшин В.Б.), который является развитием метода наземного вертикального радиозондирования ионосферы с использованием ионозондов. Восстановление профиля электронной концентрации осуществляется на основе обработки ионограмм. Обработка состоит из выделения треков и построение высотно-частотной характеристики Е-, F1- и F2-слоёв ионосферы с последующим восстановлением профиля электронной концентрации. Технический результат достигается использованием для вертикального радиозондирования современных методов изменения волнового фронта зондирующих ионосферу радиоволн, обладающих различными орбитальными угловыми моментами импульса. Изобретение предполагалось использовать для создания ионозонда нового типа. The known method of radio sounding of the ionosphere with spiral electromagnetic waves RU 2 662 014 C1 (Danilkin N.P., Zhuravlev S.V., Kotonaeva N.G., Lapshin VB), which is a development of the method of ground-based vertical radio sounding of the ionosphere using ionosondes. The electron concentration profile is reconstructed on the basis of ionogram processing. The processing consists of the selection of tracks and the construction of the altitude-frequency characteristics of the E-, F1- and F2-layers of the ionosphere with the subsequent restoration of the electron concentration profile. The technical result is achieved by using modern methods of changing the wavefront of radio waves probing the ionosphere with different orbital angular momenta for vertical radio sounding. The invention was supposed to be used to create a new type of ionosonde.

Общим недостатком метода вертикального зондирования в разных реализациях является невозможность измерения электронной концентрации в «долине» между E- и F-слоями ионосферы, то есть в интервале высот, который характеризуется уменьшением электронной концентрации с высотой, а также ниже 90 км, что обусловлено порогом чувствительности ионозонда.A common disadvantage of the vertical sounding method in different implementations is the impossibility of measuring the electron concentration in the "valley" between the E- and F-layers of the ionosphere, that is, in the altitude interval, which is characterized by a decrease in the electron density with height, as well as below 90 km, which is due to the sensitivity threshold ionosonde.

Известен способ измерения электронной концентрации методом частичных отражений на основе рассеяния радиоволн на естественных ионосферных неоднородностях на высотах 60–90 км D-области ионосферы (Belrose J.S., Burke M.J. Study of the lower ionosphere using partial reflection. I. Experimental technique and methods of analysis // J. Geophys. Res. 1964. V. 69, N 13. Р. 2799–2818; Беликович В.В., Вяхирев В.Д., Калинина Е.Е. Исследование ионосферы методом частичных отражений // Геомагнетизм и аэрономия. 2004. Т. 44. № 2. С. 189–194). Недостатком способа является ограниченность измерений по высоте.A known method for measuring electron concentration by the method of partial reflections based on scattering of radio waves on natural ionospheric irregularities at heights of 60-90 km of the D-region of the ionosphere (Belrose JS, Burke MJ Study of the lower ionosphere using partial reflection. I. Experimental technique and methods of analysis / / J. Geophys. Res. 1964. V. 69, N 13. R. 2799–2818; Belikovich V.V., Vyakhirev V.D., Kalinina E.E. Study of the ionosphere by the method of partial reflections // Geomagnetism and Aeronomy. 2004. T. 44. No. 2. S. 189-194). The disadvantage of this method is the limited height measurements.

Целый ряд способов измерения высотного содержания электронной концентрации основан на приеме сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS.A number of methods for measuring the altitude content of electron concentration are based on the reception of signals from the GLONASS / GPS satellite navigation systems.

Известен способ определения высотного профиля электронной концентрации неоднородной ионосферы с использованием двухчастотного приемника спутниковых навигационных систем RU 2 626 404 C1 (Пашинцев В.П., Смирнов В.М., Чипига А.Ф. и др.). Техническим результатом данного способа является обеспечение возможности одновременного определения высотных профилей средней электронной концентрации и среднеквадратического отклонения мелкомасштабных флуктуаций электронной концентрации в неоднородной ионосфере по принятым радиосигналам от навигационных спутников на двух когерентных частотах. Определяется полное электронное содержание в неоднородной ионосфере, вычисляется его среднее значение и определяется высотный профиль средней электронной концентрации ионосферы путем применения итерационной процедуры решения обратной задачи. Недостатком является необходимость использовании для расчета электронной концентрации априорной информации о фоновом состоянии ионосферы, которое само является предметом исследования.A known method for determining the altitude profile of the electron concentration of an inhomogeneous ionosphere using a two-frequency receiver of satellite navigation systems RU 2 626 404 C1 (Pashintsev V.P., Smirnov V.M., Chipiga A.F., etc.). The technical result of this method is to provide the possibility of simultaneous determination of the altitude profiles of the average electron concentration and the standard deviation of small-scale fluctuations of the electron concentration in the inhomogeneous ionosphere by the received radio signals from navigation satellites at two coherent frequencies. The total electron abundance in the inhomogeneous ionosphere is determined, its average value is calculated, and the altitude profile of the average electron concentration of the ionosphere is determined by applying an iterative procedure for solving the inverse problem. The disadvantage is the need to use a priori information on the background state of the ionosphere for calculating the electron concentration, which itself is the subject of research.

Известен способ определения параметров ионосферы и устройство для его осуществления RU 2 421 753 C1 (Смирнов В. М., Тынянкин С. И.), основанный на приеме радиосигналов от навигационных спутников на двух когерентных частотах. Определяют полную электронную концентрацию (полное электронное содержание) вдоль трассы «спутник - наземный пункт».. Применяют итерационную процедуру решения обратной задачи, основанную на использовании метода сопряженных градиентов и априорной информации о фоновом состоянии ионосферы для определения в области измерения высотного профиля электронной концентрации ионосферы N(h). Техническим результатом является повышение точности и обеспечение возможности автоматизации процесса определения параметров ионосферы. Недостатком данного являются его ограничения при определении высотного профиля электронной концентрации N(h) в условиях возмущений ионосферы, сопровождаемых образованием мелкомасштабных неоднородностей электронной концентрации ΔN(hs).A known method for determining the parameters of the ionosphere and a device for its implementation RU 2 421 753 C1 (Smirnov VM, Tynyankin SI), based on the reception of radio signals from navigation satellites at two coherent frequencies. Determine the total electron concentration (total electron content) along the path "satellite - ground point" .. Apply an iterative procedure for solving the inverse problem, based on the use of the method of conjugate gradients and a priori information about the background state of the ionosphere to determine the altitude profile of the electron concentration of the ionosphere N (h). The technical result is to increase the accuracy and provide the possibility of automating the process of determining the parameters of the ionosphere. The disadvantage of this is its limitations in determining the altitude profile of the electron concentration N (h) under conditions of disturbances in the ionosphere, accompanied by the formation of small-scale inhomogeneities in the electron density ΔN (hs).

Известен способ пассивного определения параметров ионосферы RU 2 604 696 C2 (Сидоренко К.А., Васенина А.А.) на основе двухчастотного приема спутниковых сигналов ГЛОНАСС/GPS. От других способов измерений электронной концентрации с помощью сигналов навигационных спутниковых систем способ отличается тем, что используя значения полного электронного содержания (ПЭС), полученные с использованием данных ГЛОНАСС/GPS, и значения ПЭС, полученные с использованием выбранной модели ионосферы, формируют корреляционные матрицы данных ПЭС и составляют функционал. Минимизируя данный функционал, определяют скорректированное значение ПЭС. Используя полученное значение и выбранную модель ионосферы, формируют распределение электронной концентрации в требуемой области высот. Техническим результатом способа является расширение области действия и повышение быстродействия определения параметров ионосферы при приеме электромагнитных сигналов от нескольких спутников в условиях априорной неопределенности относительно шумов и помех. Недостатком указанного способа является проведение расчетов электронной концентрации с использованием выбранной заранее модели ионосферы, что снижает точность результата определения высотного профиля электронной концентрации.The known method of passive determination of the parameters of the ionosphere RU 2 604 696 C2 (Sidorenko K.A., Vasenina A.A.) based on dual-frequency reception of satellite signals GLONASS / GPS. The method differs from other methods for measuring electron concentration using signals from navigation satellite systems in that using the TEC values obtained using GLONASS / GPS data and TEC values obtained using the selected ionosphere model, TEC data correlation matrices are formed and make up the functional. By minimizing this functional, the corrected TEC value is determined. Using the obtained value and the selected model of the ionosphere, the distribution of the electron concentration in the required region of heights is formed. The technical result of the method is to expand the area of action and increase the speed of determining the parameters of the ionosphere when receiving electromagnetic signals from several satellites in conditions of a priori uncertainty about noise and interference. The disadvantage of this method is the calculation of the electron concentration using a preselected model of the ionosphere, which reduces the accuracy of the result of determining the altitude profile of the electron concentration.

Известен способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы и устройство для его осуществления RU 2 018 872 С1 (Рогожкин Е.В.,Таран В.И., Гетман В.П. и др.) методом некогерентного рассеяния радиоволн с использованием эффекта Фарадея. Способ осуществляется с помощью радара некогерентного рассеяния и основан на том, что распространяющаяся вертикально в ионосфере плоская волна под действием геомагнитного поля испытывает вращение плоскости поляризации, которое вызывает изменение уровня сигнала при приеме его на плоскополяризованную антенну. Для вычисления электронной концентрации используются координаты, соответствующие высотам экстремальных точек уровня мощности принимаемого сигнала, в которых происходит поворот плоскости поляризации на угол, кратный 90 градусам. Недостатком способа является разрешение не более 16 км на высотах ионосферы, превышающих 100 км.A known method for determining the electron concentration in a given area of the ionosphere and a device for its implementation RU 2 018 872 C1 (Rogozhkin E.V., Taran V.I., Getman V.P., etc.) by the method of incoherent scattering of radio waves using the Faraday effect. The method is carried out using an incoherent scattering radar and is based on the fact that a plane wave propagating vertically in the ionosphere under the influence of the geomagnetic field rotates the polarization plane, which causes a change in the signal level when it is received by a plane-polarized antenna. To calculate the electron concentration, coordinates are used that correspond to the heights of the extreme points of the received signal power level, at which the polarization plane is rotated by an angle divisible by 90 degrees. The disadvantage of this method is the resolution of no more than 16 km at ionospheric heights exceeding 100 km.

Метод некогерентного рассеяния, использующий соответствующие радары, представляет собой один из наиболее информативных наземных методов исследования ионосферы. В радарах некогерентного рассеяния применяются частоты, значительно превышающие собственные частоты ионосферы. Распространение метода ограничено вследствие чрезвычайной сложности используемых технических средств, стоимость проведения экспериментов сопоставима с ракетными и спутниковыми экспериментами. В мире существует всего 9 установок этот типа. Значительным недостатком метода некогерентного рассеяния является невысокое разрешение по высоте, которое составляет, как правило, 50–70 км. Кроме того, организация и проведение исследований требуют больших финансовых затрат.The incoherent scatter method, using appropriate radars, is one of the most informative ground-based methods for studying the ionosphere. Incoherent scatter radars use frequencies that are much higher than the natural frequencies of the ionosphere. The spread of the method is limited due to the extreme complexity of the technical means used; the cost of conducting experiments is comparable to rocket and satellite experiments. There are only 9 installations of this type in the world. A significant disadvantage of the incoherent scattering method is the low resolution in height, which is, as a rule, 50–70 km. In addition, the organization and conduct of research requires large financial costs.

Наиболее близким по технической сути к заявленному изобретению является способ определения высотного профиля электронной концентрации в нижней ионосфере SU 1 531 674 С (Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Гончаров Н.П.), основанный на создании в ионосфере искусственной периодической структуры электронной концентрации путем формирования в ионосфере возмущающей стоячей волны, образованной путем интерференции излученной в ионосферу и отраженной от нее радиоволны одной поляризации, излучении зондирующего импульса с другой поляризацией, измерении фазы радиоимпульса, обратно рассеянного искусственной периодической структурой, далее по зависимости производной фазы от высоты рассчитывают электронную концентрацию. Техническим результатом является повышение точности измерения электронной концентрации. Недостатком способа является неучет отличий в показателях преломления радиоволн разной поляризации, формирующих возмущение и зондирующих периодическую структуру. Вследствие этого способ применяется только для высот ниже 90 км. The closest in technical essence to the claimed invention is a method for determining the altitude profile of the electron concentration in the lower ionosphere SU 1 531 674 C (Belikovich V.V., Benediktov E.A., Goncharov N.P.), based on the creation in the ionosphere of an artificial periodic the structure of electron concentration by the formation in the ionosphere of a disturbing standing wave formed by interference of a radio wave of one polarization emitted into the ionosphere and reflected from it, emission of a sounding pulse with a different polarization, measuring the phase of a radio pulse backscattered by an artificial periodic structure, then, from the dependence of the phase derivative on the height, calculate electronic concentration. The technical result is to improve the accuracy of measuring the electron concentration. The disadvantage of this method is the neglect of differences in the refractive indices of radio waves of different polarization, which form a disturbance and probe the periodic structure. As a result, the method is used only for heights below 90 km.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание нового способа определения высотного профиля электронной концентрации в Е-области ионосферы Земли.The problem to be solved by the invention is to create a new method for determining the altitude profile of electron concentration in the E-region of the Earth's ionosphere.

Техническим результатом от использования изобретения является улучшение высотно-временного разрешения и повышение точности определения электронной концентрации в интервале высот 90–130 км.The technical result from the use of the invention is to improve the altitude-time resolution and increase the accuracy of determining the electron concentration in the altitude range of 90-130 km.

Поставленная задача достигается тем, что способ определения высотного профиля электронной концентрации в Е-области ионосферы Земли, включает формирование искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы двух различных пространственных масштабов путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F2-слоя попеременно на двух частотах, излучение в ионосферу зондирующих радиоимпульсов по окончании возмущающего воздействия попеременно на тех же частотах и с той же поляризацией, что и возмущающее радиоизлучение, прием сигналов, обратно рассеянных искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, сформированными возмущающим радиоизлучением, измерение амплитуды и определение времени релаксации обратно рассеянных сигналов на каждой из излучаемых частот, определение высотной зависимости времени релаксации сигнала, обратно рассеянного сформированными возмущающим радиоизлучением периодическими неоднородностями на исследуемых высотах h, для чего по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала на каждой высоте определяют время релаксации неоднородностей τ₁(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₁, и время релаксации неоднородностей τ₂(h), сформированных возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₂, определяют отношение времен релаксации

и по формуле

с учетом выражения

, включающего частоты f ₁, f ₂ и продольную гирочастоту электронов f _L, определяют значение электронной концентрации N на заданной высоте h и высотный профиль N(h). The task is achieved by the fact that the method for determining the height profile of the electron concentration in the E-region of the Earth's ionosphere includes the formation of artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma of two different spatial scales by affecting the ionosphere with disturbing radio emission above the critical frequency of the E-layer and below the critical frequency of the F2-layer alternately at two frequencies, emission of sounding radio pulses into the ionosphere after the end of the disturbance, alternately at the same frequencies and with the same polarization as the disturbing radio emission, reception of signals backscattered by artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma formed by disturbing radio emission, measurement of the amplitude and determination of the relaxation time backscattered signals at each of the radiated frequencies, determination of the altitude dependence of the relaxation time of the signal backscattered by periodic nonuniform at the investigated heights h, for which the relaxation time of the inhomogeneities τ ₁ (h) formed by the disturbing radio emission at a frequency время ₁ and the relaxation time of the inhomogeneities τ ₂ (h) formed by the disturbing radio emission at the frequency are determined by the decrease in the amplitude of the backscattered signal at each height ƒ ₂ , determine the ratio of relaxation times

and by the formula

given the expression

, including the frequencies f ₁ , f ₂ and the longitudinal electron gyrofrequency f _L , determine the value of the electron concentration N at a given height h and the altitude profile N (h).

Время релаксации неоднородностей τ на каждой высоте h определяют по уменьшению амплитуды обратно рассеянного сигнала в е раз, где число е – это основание натурального логарифма или число Эйлера, являющееся математической константой (Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. – М.: Государственное издательство физико- математической литературы. 1962, с. 92; Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и таблицами. – М.: Наука, 1979, с. 13).The relaxation time of inhomogeneities τ at each height h is determined by a decrease in the amplitude of the backscattered signal by a factor of e, where the number e is the base of the natural logarithm or Euler's number, which is a mathematical constant (Bronshtein I.N., Semendyaev K.A. Handbook of mathematics. - M .: State publishing house of physical and mathematical literature. 1962, p. 92; Handbook of special functions with formulas, graphs and tables. - M .: Nauka, 1979, p. 13).

Время релаксации неоднородностей τ(h) на данной высоте h в отсутствие спорадических слоев ионизации и атмосферной турбулентности обусловлено амбиполярной диффузией с характерным диффузионным временем релаксации τ, которое зависит от частоты возмущающей радиоволны и электронной концентрации (Беликович В. В., Бенедиктов Е. А., Толмачева А. В., Бахметьева Н. В. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. – Нижний Новгород. ИПФ РАН. 1999. 155 с.). Измерение времени релаксации обратно рассеянного сигнала при создании искусственных периодических неоднородностей на двух частотах возмущающего радиоизлучения позволяет определить электронную концентрацию с высокой точностью по отношению времен релаксации обратно рассеянного сигнала на этих частотах при дистанционном зондировании с поверхности земли области ионосферы, созданной возмущающим радиоизлучением. При этом никаких дополнительных данных, кроме зависимости от высоты гирочастоты электронов, не требуется, что отличает заявленный способ от прототипа SU 1 531 674 С и рассмотренных способов измерения электронной концентрации. Relaxation time of inhomogeneitiesτ(h) at a given height h in the absence of sporadic layers of ionization and atmospheric turbulence is due to ambipolar diffusion with a characteristic diffusion relaxation timeτ, which depends on the frequency of the disturbing radio wave and the electron concentration (Belikovich V.V., Benediktov E.A., Tolmacheva A.V., Bakhmeteva N.V. Study of the ionosphere using artificial periodic irregularities. - Nizhny Novgorod. IAP RAS. 1999.155 s.). Measurement of the relaxation time of the backscattered signal during the creation of artificial periodic inhomogeneities at two frequencies of the disturbing radio emission makes it possible to determine the electron concentration with high accuracy in relation to the relaxation times of the backscattered signal by these frequencies during remote sensing from the earth's surface of the region of the ionosphere created by disturbing radio emission. In this case, no additional data, except for the dependence on the height of the electron gyrofrequency, is required, which distinguishes the claimed method from the prototype SU 1 531 674 C and the considered methods of measuring the electron concentration.

Способ определения высотного профиля электронной концентрации может быть реализован с помощью устройства, блок-схема которого показана на фиг. 1. Устройство, реализующее способ, содержит задающий генератор 1 для формирования непрерывного синусоидального сигнала на частоте ƒ₁, задающий генератор 2 для формирования непрерывного синусоидального сигнала на частоте ƒ₂, передатчик 3 с антенной 4 для непрерывного излучения в зенит возмущающего ионосферу радиоизлучения с созданием искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы, передатчик 5 с антенной 6 для излучения в зенит радиоимпульсов, зондирующих искусственные периодические неоднородности, приемник 7 с антенной 8 для приема обратно рассеянных периодическими неоднородностями радиоимпульсов на частоте ƒ₁ приемник 9 с антенной 10 для приема обратно рассеянных периодическими неоднородностями радиоимпульсов на частоте ƒ₂, регистратор ПКР 11 с персональным компьютером для измерения амплитуды обратно рассеянных радиоимпульсов с приемников 7 и 9, а также для обработки и хранения измеренных значений амплитуды обратно рассеянных радиоимпульсов, по которым определяются время релаксации τ₁ на частоте ƒ₁ и время релаксации τ₂ на частоте ƒ₂, необходимые для определения электронной концентрации, синхронизатор ПКС 12 с персональным компьютером для обеспечения временных режимов работы передатчиков 3 и 5 и для управления регистратором ПКР 11.The method for determining the height profile of the electron concentration can be implemented using a device, a block diagram of which is shown in FIG. 1. A device that implements the method comprises a master oscillator 1 for generating a continuous sinusoidal signal at a frequency ₁ , a master oscillator 2 for generating a continuous sinusoidal signal at a frequency ƒ ₂ , a transmitter 3 with an antenna 4 for continuous radiation to the zenith of radio emission disturbing the ionosphere with the creation of artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma, transmitter 5 with antenna 6 for emitting radio pulses to the zenith, probing artificial periodic irregularities, receiver 7 with antenna 8 for receiving radio pulses backscattered by periodic irregularities at frequency ƒ ₁ receiver 9 with antenna 10 for receiving radio pulses backscattered by periodic irregularities on frequency ƒ ₂ , a PKR 11 recorder with a personal computer for measuring the amplitude of backscattered radio pulses from receivers 7 and 9, as well as for processing and storing the measured values of the amplitude of backscattered radio pulses, by which I determine There is a relaxation time τ ₁ at a frequency ₁ and a relaxation time τ ₂ at a frequency ₂ , which are necessary to determine the electron concentration, the PKS 12 synchronizer with a personal computer to ensure the temporary operating modes of transmitters 3 and 5 and to control the PKR 11 recorder.

Способ определения электронной концентрации осуществляется следующим образом. Воздействуют на ионосферу возмущающим радиоизлучением попеременно на частотах ƒ₁ и ƒ₂, значения которых выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F2-слоя ионосферы, формируя тем самым в ионосфере искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы с разными пространственными масштабами, определяемыми частотами ƒ₁ и ƒ₂, от основания ионосферы до высоты максимума F2-слоя. Для этого с помощью задающего генератора 1 формируют в диапазоне частот Δf=ƒ ₀ F2–ƒ ₀ E (где ƒ₀E и ƒ₀F2 – критические частоты E-слоя и F2-слоя ионосферы, соответственно) непрерывный синусоидальный сигнал на частоте возмущающего радиоизлучения ƒ₁, а с помощью задающего генератора 2 – непрерывный синусоидальный сигнал на частоте возмущающего радиоизлучения ƒ₂, поступающие на передатчик 3. The method for determining the electron concentration is carried out as follows. Influencing the ionosphere with disturbing radio emission alternately at frequencies ƒ ₁ and ƒ ₂ , the values of which are higher than the critical frequency of the E-layer and below the critical frequency of the F2-layer of the ionosphere, thereby forming artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma in the ionosphere with different spatial scales determined by the frequencies ƒ ₁ and ƒ ₂ , from the base of the ionosphere to the height of the F2-layer maximum. To do this, using the master oscillator 1, a continuous sinusoidal signal is generated in the frequency range Δ f = ƒ ₀ F2 – ƒ ₀ E (where ƒ ₀ E and ƒ ₀ F2 are the critical frequencies of the E-layer and F2-layer of the ionosphere, respectively). radio emission ƒ ₁ , and with the help of master oscillator 2 - a continuous sinusoidal signal at the frequency of disturbing radio emission ƒ ₂ , arriving at transmitter 3.

С помощью управляемых синхронизатором ПКС 12 задающих генераторов 1 и 2 и передатчика 3 с антенной 4 излучают непрерывно в зенит возмущающее радиоизлучение (мощную радиоволну) попеременно на частотах ƒ₁ и ƒ₂. Это означает, что в первом цикле измерений передатчик 3 излучает мощную радиоволну (возмущающее радиоизлучение) частотой ƒ₁, в следующем цикле измерений – мощную радиоволну частотой ƒ₂, затем циклы повторяются. Поскольку частоты ƒ₁ и ƒ₂ возмущающего радиоизлучения ниже критической частоты ƒ₀F2 F2-слоя ионосферы, направленное в зенит возмущающее радиоизлучение частотой ƒ₁ или ƒ₂ отражается от ионосферы и формирует искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы.With the help of 12 master oscillators 1 and 2 controlled by the PKS synchronizer and the transmitter 3 with antenna 4, disturbing radio radiation (a powerful radio wave) is continuously emitted to the zenith, alternately at frequencies ƒ ₁ and ƒ ₂ . This means that in the first measurement cycle transmitter 3 emits a powerful radio wave (disturbing radio emission) with a frequency ƒ ₁ , in the next measurement cycle - a powerful radio wave with a frequency ƒ ₂ , then the cycles are repeated. Since the frequencies ƒ ₁ and ƒ _{2 of the} disturbing radio emission are lower than the critical frequency ƒ _{0 of the} F2-layer of the ionosphere, the disturbing radio emission directed to the zenith with the frequency ƒ ₁ or ƒ _{2 is} reflected from the ionosphere and forms artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma.

После окончания воздействия на ионосферу возмущающего радиоизлучения, т.е. после прекращения работы передатчика 3, излучают в зенит на той же частоте ƒ₁ или ƒ₂ и с той же поляризацией, которую имело возмущающее радиоизлучение, последовательность зондирующих радиоимпульсов. В первом цикле измерений, когда возмущающее радиоизлучение воздействует на ионосферу (излучается) на частоте ƒ₁, зондирующие радиоимпульсы излучаются также на частоте ƒ₁. В следующем цикле измерений, когда возмущающее радиоизлучение воздействует на ионосферу (излучается) на частоте ƒ₂, зондирующие радиоимпульсы излучаются также на частоте ƒ₂. Для этого формируют с помощью синхронизатора ПКС 12 последовательность стробирующих импульсов для управления передатчиком 5. Передатчик 5 с антенной 6 в первом цикле измерений излучает в зенит на частоте ƒ₁ радиоимпульсы, сформированные с помощью задающего генератора 1 и синхронизатора ПКС 12. В следующем цикле измерений передатчик 5 с антенной 6 излучает в зенит на частоте ƒ₂ зондирующие радиоимпульсы, сформированные с помощью задающего генератора 2 и синхронизатора ПКС 12. В качестве передатчика 5 может быть использован передатчик 3, переводимый в импульсный режим излучения. Полный цикл измерений, включающий излучение возмущающего радиоизлучения и зондирующих радиоимпульсов на каждой из частот ƒ₁ и ƒ₂, продолжается 30 секунд – первые 15 секунд на частоте ƒ₁, следующие 15 секунд – на частоте ƒ₂, из них в течение 3 секунд излучается возмущающее ионосферу радиоизлучение, в течение следующих 12 секунд – зондирующие радиоимпульсы.After the end of the impact on the ionosphere of disturbing radio emission, i.e. after the termination of the transmitter 3, a sequence of sounding radio pulses is emitted to the zenith at the same frequency ƒ ₁ or ƒ ₂ and with the same polarization as the disturbing radio emission. In the first measurement cycle, when the disturbing radio emission affects the ionosphere (is emitted) at a frequency ƒ ₁ , sounding radio pulses are also emitted at a frequency ƒ ₁ . In the next measurement cycle, when the disturbing radio emission affects the ionosphere (is emitted) at a frequency ƒ ₂ , sounding radio pulses are also emitted at a frequency ƒ ₂ . To do this, a sequence of strobe pulses is formed using the PKS 12 synchronizer to control the transmitter 5. The transmitter 5 with antenna 6 in the first measurement cycle emits _{radio pulses to the zenith at a frequency ƒ 1} , generated using the master oscillator 1 and the PKS 12 synchronizer. In the next measurement cycle, the transmitter 5 with antenna 6 radiates to the zenith at a frequency ƒ ₂ sounding radio pulses formed with the help of master oscillator 2 and synchronizer PKS 12. Transmitter 3 can be used as transmitter 5, which is converted into pulsed radiation mode. The full cycle of measurements, including the emission of disturbing radio emission and sounding radio pulses at each of the frequencies ƒ ₁ and ƒ ₂ , lasts 30 seconds - the first 15 seconds at frequency ƒ ₁ , the next 15 seconds - at frequency ƒ ₂ , of which the disturbing ionosphere radio emission, during the next 12 seconds - sounding radio pulses.

Принимают с помощью приемника 7 с антенной 8 зондирующие радиоимпульсы на частоте ƒ₁, а с помощью приемника 9 с антенной 10 –зондирующие радиоимпульсы на частоте ƒ₂, обратно рассеянные искусственными периодическими неоднородностями ионосферной плазмы, сформированными возмущающим радиоизлучением на частоте ƒ₁ и на частоте ƒ₂, которые после выключения передатчика 3 существуют в ионосфере в зависимости от частоты возмущающего радиоизлучения и высоты рассеяния в ионосфере зондирующего радиоимпульса в течение времени от долей секунды до нескольких секунд, постепенно разрушаясь (релаксируя). Поскольку частота и поляризация зондирующего радиоимпульса совпадают с частотой и поляризацией возмущающего радиоизлучения, то каждый зондирующий радиоимпульс рассеивается во всем интервале высот от нижней границы ионосферы до высоты его отражения в F2-слое.Using the receiver 7 with antenna 8, sounding radio pulses at frequency ƒ _{1 are} received, and with the help of receiver 9 with antenna 10, sounding radio pulses at frequency ƒ ₂ , backscattered by artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma, formed by disturbing radio emission at frequency ƒ ₁ and at frequency ƒ ₂ , which, after switching off the transmitter 3, exist in the ionosphere, depending on the frequency of the disturbing radio emission and the height of the scattering in the ionosphere of the sounding radio pulse for a time from fractions of a second to several seconds, gradually decaying (relaxing). Since the frequency and polarization of the sounding radio pulse coincide with the frequency and polarization of the disturbing radio emission, each sounding radio pulse is scattered over the entire height interval from the lower boundary of the ionosphere to the height of its reflection in the F2 layer.

При равенстве частот и поляризаций возмущающего и зондирующего радиоизлучений рассеяние от периодических неоднородностей имеет резонансный характер, то есть зондирующие радиоимпульсы (сигналы) рассеиваются всеми неоднородностями синфазно, что увеличивает амплитуду обратно рассеянного сигнала по отношению к естественным помехам и, тем самым, повышает точность измерения электронной концентрации.When the frequencies and polarizations of the disturbing and probing radio emissions are equal, the scattering from periodic irregularities has a resonant character, that is, the sounding radio pulses (signals) are scattered by all irregularities in phase, which increases the amplitude of the backscattered signal in relation to natural noise and, thereby, increases the accuracy of measuring the electron concentration ...

При приеме с помощью регистратора ПКР 11 измеряют высотную зависимость амплитуды сигнала А(h), обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями – амплитуды А₁(h) на частоте ƒ₁ и амплитуды A₂(h) на частоте ƒ₂. Для этого с помощью синхронизатора ПКС 12 формируют последовательность стробирующих импульсов для управления регистратором ПКР 11. С помощью регистратора ПКР 11 измеряют в моменты поступления стробирующего импульса амплитуду обратно рассеянного сигнала, соответствующего высоте h₁ на частоте ƒ₁ и высоте h₂ на частоте ƒ₂. Задержка стробирующего импульса относительно момента излучения зондирующего радиоимпульса определяется высотами рассеянного сигнала h₁ и h₂. Отметим, что эти высоты являются действующими (virtual) высотами. Далее с помощью программы пересчета действующих высот в истинные определяют времена релаксации на одной и той же истинной высоте и находят отношение времен релаксации θ=τ ₁ /τ ₂ на этой высоте (Беликович В.В., Бахметьева Н.В., Калинина Е.Е., Толмачева А.В. Новый способ определения электронной концентрации в E-области ионосферы по временам релаксации искусственных периодических неоднородностей // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т.49. №9. С. 744–750.). Далее по отношению времен релаксации θ на двух частотах f ₁ и f ₂ рассчитывают электронную концентрацию и определяют ее высотный профиль N(h). В процессе зондирования интенсивность искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы, формируемых на частотах ƒ₁и ƒ₂, то есть с разными пространственными масштабами, уменьшается, так как после окончания действия возмущающего излучения они разрушаются (релаксируют), при этом уменьшается и амплитуда зондирующего радиосигнала, обратно рассеянного периодическими неоднородностями.When received using the PKR 11 recorder, the height dependence of the amplitude of the signal A (h), backscattered by artificial periodic inhomogeneities - amplitude A_one(h) at the frequency ƒ_one and amplitudes A₂(h) at the frequency ƒ₂... To do this, using the PKS 12 synchronizer, a sequence of strobe pulses is formed to control the PKR 11 recorder. The PKR 11 recorder is used to measure the amplitude of the backscattered signal corresponding to the height h_one at the frequency ƒ_one and height h₂ at the frequency ƒ₂... The delay of the strobe pulse relative to the moment of emission of the probing radio pulse is determined by the heights of the scattered signal h_one and H₂... Note that these heights are virtual heights. Then, using the program for recalculating the effective heights into true heights, the relaxation times at the same true height are determined and the ratio of the relaxation times is foundθ = τ _one / τ ₂ at this altitude (Belikovich V.V., Bakhmetyeva N.V., Kalinina E.E., Tolmacheva A.V. A new method for determining the electron concentration in the E-region of the ionosphere from the relaxation times of artificial periodic inhomogeneities // Izvestiya vuzov. Radiofizika. 2006. T. 49. No. 9. S. 744-750.). Further, with respect to the relaxation timesθ on two frequenciesf _one andf ₂ count on electron concentration and determine its height profile N (h). In the process of sounding, the intensity of artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma formed at frequencies ƒ_oneand ƒ₂, that is, with different spatial scales, decreases, since after the end of the action of the disturbing radiation, they are destroyed (relax), while the amplitude of the probing radio signal, backscattered by periodic inhomogeneities, also decreases.

Физическая основа предлагаемого способа состоит в следующем. The physical basis of the proposed method is as follows.

Способ определения электронной концентрации основан на формировании искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы путем воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением на частоте, выше критической частоты E-слоя и ниже критической частоты F2-слоя, в результате чего возмущающее радиоизлучение отражается от ионосферы. Вследствие интерференции падающей на ионосферу и отраженной от нее радиоволн во всем пространстве между нижней границей ионосферы (50–60 км) и высотой отражения возмущающего радиоизлучения формируется мощная стоячая радиоволна, возмущающая ионосферную плазму. В периодическом поле мощной стоячей радиоволны происходит неравномерный по высоте нагрев электронной компоненты ионосферной плазмы и ее вытеснение из более нагретых областей в менее нагретые, за счет чего формируются искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы с пониженной концентрацией электронов в пучностях поля стоячей волны и с периодом по высоте, равным L=0,5λ=0,5c/ƒ⋅n, где с – скорость света в вакууме, ƒ – частота возмущающего радиоизлучения, n – показатель преломления возмущающей радиоволны в ионосфере, зависящий от концентрации электронов N (Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. – М.: Наука. 1967. 684 с). Искусственные периодические неоднородности образуются во всем интервале высот от нижней границы ионосферы до высоты максимума F2-слоя. По окончании воздействия на ионосферу возмущающим радиоизлучением сформированные искусственные периодические неоднородности ионосферной плазмы начинают разрушаться (релаксировать).The method for determining the electron concentration is based on the formation of artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma by affecting the ionosphere with disturbing radio emission at a frequency above the critical frequency of the E-layer and below the critical frequency of the F2-layer, as a result of which the disturbing radio emission is reflected from the ionosphere. Due to the interference of radio waves incident on the ionosphere and reflected from it, a powerful standing radio wave is formed in the entire space between the lower boundary of the ionosphere (50–60 km) and the height of the reflection of the disturbing radio emission, which perturbs the ionospheric plasma. In the periodic field of a powerful standing radio wave, the electron component of the ionospheric plasma is non-uniform in height and is displaced from more heated regions to less heated ones, due to which artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma with a reduced concentration of electrons in the antinodes of the standing wave field and with a period in height are formed, equal to L = 0.5λ = 0.5c / ƒ⋅n, where c is the speed of light in vacuum, ƒ is the frequency of the disturbing radio emission, n is the refractive index of the disturbing radio wave in the ionosphere, depending on the concentration of electrons N (Ginzburg V.L. Propagation Electromagnetic Waves in Plasma. - M .: Nauka. 1967. 684 p.). Artificial periodic irregularities are formed in the entire range of heights from the lower boundary of the ionosphere to the height of the F2-layer maximum. After the end of the impact on the ionosphere by disturbing radio emission, the formed artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma begin to disintegrate (relax).

Зондирующий радиоимпульс излучают по окончании возмущающего воздействия на той же частоте радиоволны и с той же поляризацией, что и возмущающее радиоизлучение, в ионосфере происходит его рассеяние на релаксирующей периодической структуре во всем интервале высот образования искусственных периодических неоднородностей. При приеме измеряют амплитуду зондирующего радиосигнала, обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями, сформированными возмущающим радиоизлучением, на исследуемой высоте h. С течением времени амплитуда обратно рассеянного сигнала уменьшается. Время релаксации (разрушения) искусственных периодических неоднородностей τ, равное времени релаксации обратно рассеянного сигнала и зависящее от высоты h, определяют по уменьшению амплитуды рассеянного сигнала в е раз. В нижней ионосфере в интервале высот 90–130 км релаксация искусственных периодических неоднородностей ионосферной плазмы в отсутствие спорадических слоев ионизации и нейтральной атмосферной турбулентности, которые значительно изменяют высотную зависимость времени релаксации τ(h), происходит под действием амбиполярной диффузии, в результате чего диффузионное время релаксации неоднородностей, равное времени релаксации рассеянного ими зондирующего радиосигнала выражается формулой The sounding radio pulse is emitted after the end of the disturbing action at the same frequency of the radio wave and with the same polarization as the disturbing radio emission; in the ionosphere, it is scattered by a relaxing periodic structure in the entire range of heights of formation of artificial periodic irregularities. When receiving, measure the amplitude of the probing radio signal, backscattered by artificial periodic irregularities formed by the disturbing radio emission, at the investigated height h. Over time, the amplitude of the backscattered signal decreases. The relaxation time (destruction) of artificial periodic irregularities τ, equal to the relaxation time of the backscattered signal and depending on the height h, is determined from the decrease in the amplitude of the scattered signal by a factor of e. In the lower ionosphere in the altitude interval 90–130 km, the relaxation of artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma in the absence of sporadic ionization layers and neutral atmospheric turbulence, which significantly change the altitude dependence of the relaxation time τ (h), occurs under the action of ambipolar diffusion, as a result of which the diffusion relaxation time inhomogeneities, equal to the relaxation time of the scattered sounding radio signal, is expressed by the formula

(1)

(one)

где K=4π/λ=4πƒn/с – волновое число возмущающего радиоизлучения, λ=c/ƒ⋅n – длина волны возмущающего радиоизлучения в ионосферной плазме, с – скорость света в вакууме, ƒ – частота возмущающего радиоизлучения, n – показатель преломления возмущающей радиоволны в ионосфере, κ – постоянная Больцмана, М_i – средняя молекулярная масса ионов, ν_im – частота соударений ионов с молекулами, Т_е и T_i – невозмущенные температуры электронов и ионов, равные на указанных высотах температуре нейтральных молекул Т (Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Толмачева А.В., Бахметьева Н.В. Исследование ионосферы с помощью искусственных периодических неоднородностей. – Нижний Новгород. ИПФ РАН. 1999. 155 с.). Из выражения (1) для времени релаксации следует его зависимость от частоты возмущающего радиоизлучения, а отношение времен релаксации рассеянных сигналов θ=τ ₁ /τ ₂ на частотах f ₁ и f ₂ зависит только от этих частот и значения электронной концентрации N на высоте h. where K = 4π / λ = 4πƒn / s is the wave number of the disturbing radio emission, λ = c / ƒ⋅n is the wavelength of the disturbing radio emission in the ionospheric plasma, c is the speed of light in vacuum, ƒ is the frequency of the disturbing radio emission, n is the refractive index of the disturbing radio wave in the ionosphere, κ - Boltzmann constant, M _i - average molecular weight ions, ν _im - the frequency of collisions of ions with molecules, T _e and T _i - unperturbed electron and ion temperatures are equal at these altitudes the temperature T of neutral molecules (Belikovich B. V., Benediktov E.A., Tolmacheva A.V., Bakhmetyeva N.V. Study of the ionosphere using artificial periodic inhomogeneities. - Nizhny Novgorod. IAP RAS. 1999. 155 p.). Expression (1) for the relaxation time implies its dependence on the frequency of the disturbing radio emission, and the ratio of the relaxation times of the scattered signals θ = τ ₁ / τ ₂ at frequencies f ₁ and f ₂ depends only on these frequencies and the value of the electron concentration N at the height h.

Если значения времен релаксации τ ₁ и τ ₂ определяют на одной и той же высоте h, то отношение времен релаксации искусственных периодических неоднородностей на частотах возмущающего радиоизлучения f ₁ и f ₂ равно:If the values of the relaxation timesτ _one andτ ₂ determined at the same heighth, then the ratio of the relaxation times of artificial periodic inhomogeneities at the frequencies of the disturbing radio emission isf _one andf ₂ equally:

При создании искусственных периодических неоднородностей воздействием возмущающего радиоизлучения необыкновенной поляризации (необыкновенной волны) для исключения влияния на периодические неоднородности искусственной ионосферной турбулентности, в квазипродольном приближении коэффициент преломления для необыкновенной волны равен (Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. – М.: Наука. 1967. 684 с):

где f ₀ – плазменная частота на данной высоте, а f _L – продольная гирочастота электронов, равная

, где ϕ - угол между направлением распространения радиоволны возмущающего радиоизлучения и направлением магнитного поля Земли (на высоте 100 км f _H=1,35 МГц, ϕ=19°для Нижнего Новгорода). Плазменная частота f ₀ на данной высоте h связана с электронной концентрацией N выражением

. Таким образом, отношение времен релаксации θ зависит только от используемых частот f ₁и f ₂ возмущающего радиоизлучения для создания искусственных периодических неоднородностей, плазменной частоты f ₀ и, соответственно, электронной концентрации N, продольной гирочастоты электронов f _L на данной высоте h (Беликович В.В., Бахметьева Н.В., Калинина Е.Е., Толмачева А.В. Новый способ определения электронной концентрации в E-области ионосферы по временам релаксации искусственных периодических неоднородностей // Известия вузов. Радиофизика. 2006. Т.49. № 9. С. 744–750.). В результате электронная концентрация N на заданной высоте h определяется выражением When creating artificial periodic irregularities by the action of disturbing radio emission of extraordinary polarization (extraordinary wave) to exclude the effect of artificial ionospheric turbulence on periodic irregularities, in the quasi-longitudinal approximation, the refractive index for an extraordinary wave is (Ginzburg V.L. Propagation of electromagnetic waves in plasma. - M .: Science . 1967.684 s):

where f ₀ is the plasma frequency at a given height, and f _L is the longitudinal gyrofrequency of electrons, equal to

, where ϕ is the angle between the direction of propagation of the radio wave of the disturbing radio emission and the direction of the Earth's magnetic field (at an altitude of 100 km f _H = 1.35 MHz, ϕ = 19 ° for Nizhny Novgorod). The plasma frequency f ₀ at a given height h is related to the electron concentration N by the expression

... Thus, the ratio of relaxation times θ depends only on the frequencies f ₁ and f _{2 of the} disturbing radio emission used to create artificial periodic inhomogeneities, the plasma frequency f ₀ and, accordingly, the electron density N, the longitudinal electron gyrofrequency f _L at a given height h (Belikovich V. V., Bakhmetyeva N.V., Kalinina E.E., Tolmacheva A.V. A new method for determining the electron concentration in the E-region of the ionosphere from the relaxation times of artificial periodic inhomogeneities // Izvestiya vuzov. Radiofizika. 2006. V.49. 9, pp. 744–750.). As a result, the electron concentration N at a given height h is determined by the expression

(2)

где величина α равна

. (3)where the value α is equal to

... (3)

В этом случае точность определения электронной концентрации определяется только точностью измерения времени прихода в пункт приема обратно рассеянного сигнала. In this case, the accuracy of determining the electron concentration is determined only by the accuracy of measuring the time of arrival at the receiving point of the backscattered signal.

Из формулы (1) следует, что для неоднородностей с разными пространственными масштабами, определяемыми длинами волн или частотами возмущающего радиоизлучения, времена релаксации обратно рассеянного сигнала различны. При создании искусственных периодических неоднородностей попеременно на двух частотах ƒ₁ и ƒ₂, измерении амплитуды обратно рассеянного сигнала на этих частотах и определении времени релаксации обратно рассеянного сигнала τ₁ на частоте ƒ₁ и времени релаксации обратно рассеянного сигнала τ₂ на частоте ƒ₂, электронная концентрация N на каждой высоте h будет определяться формулой (2) с учетом соотношения (3). From formula (1) it follows that for inhomogeneities with different spatial scales determined by the wavelengths or frequencies of the disturbing radio emission, the relaxation times of the backscattered signal are different. When creating artificial periodic inhomogeneities alternately at two frequencies ƒ_one and ƒ₂, measuring the amplitude of the backscattered signal at these frequencies and determining the relaxation time of the backscattered signal τ_one at the frequency ƒ_one and the relaxation time of the backscattered signal τ₂ at the frequency ƒ₂, the electron concentration N at each height h will be determined by the formula (2) taking into account the relation (3)...

Таким образом, определяя времена релаксации сигналов τ₁ и τ₂ в заданном интервале высот по уменьшению амплитуд А₁ и А₂ зондирующих радиоимпульсов на частотах ƒ₁ и ƒ₂, обратно рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, созданными возмущающим радиоизлучением попеременно на частотах ƒ₁ и ƒ₂, определяют значение N b высотный профиль электронной концентрации N(h). Thus, by determining the relaxation times of signals τ ₁ and τ ₂ in a predetermined height range on the reduction of the amplitudes A ₁ and A ₂ sounding radio pulses at the frequencies ƒ ₁ and ƒ _2, backscattered artificial periodic irregularities created by perturbing radio waves alternately at frequencies ƒ ₁ and ƒ ₂ , the value of N b is determined, the height profile of the electron concentration N (h).

Реализуемость данного способа определения электронной концентрации подтверждена в серии экспериментов на среднеширотном нагревном стенде СУРА (56,1°с.ш.;46,1°в.д.) в Нижегородской области, проведенных авторами изобретения в 2000-е годы (А.В. Толмачёва, Н.В. Бахметьева, В.Д. Вяхирев, В.Н. Бубукина, Е. Е. Калинина. Высотно-временные вариации электронной концентрации в E-слое ионосферы // Известия вузов. Радиофизика. 2011. Том 54. № 6. С. 403–414.). В качестве возмущающего радиоизлучения, создающего искусственные периодические неоднородности, использовалось радиоизлучение трех синфазно работавших передатчиков стенда СУРА номинальной мощностью 250 кВт каждый, нагруженных на антенну с коэффициентом усиления G=100. Мощные передатчики нагревного стенда СУРА излучали в зенит возмущающее радиоизлучение в виде радиоволны необыкновенной поляризации с эффективной мощностью излучения ~80–100 МВт в режиме непрерывного излучения в течение 3 секунд с образованием искусственных периодических неоднородностей попеременно на частотах f ₁=5,6 МГц и f ₂=4,7 МГц. По окончании возмущающего радиоизлучения в каждом цикле измерений в течение 12 секунд на стадии разрушения (релаксации) искусственных периодических неоднородностей передатчики стенда СУРА излучали в зенит зондирующие радиоимпульсы длительностью 30 мкс и частотой повторения импульсов 50 Гц также попеременно на частотах f ₁=5,6 МГц и f ₂=4,7 МГц. В качестве приемников сигналов, обратно рассеянных искусственными периодическими неоднородностями, создаваемых на двух разных частотах, использовались связные приемники Р-250 с расширенной до 80 кГц полосой пропускания. Регистрация обратно рассеянного искусственными периодическими неоднородностями сигнала производилась с шагом по высоте 0,7 км или 1,4 км и временным разрешением 15 с. The feasibility of this method for determining the electron concentration was confirmed in a series of experiments on the mid-latitude heating bench SURA (56.1 ° N; 46.1 ° E) in the Nizhny Novgorod region, carried out by the authors of the invention in the 2000s (A.V. Tolmacheva, NV Bakhmetyeva, VD Vyakhirev, VN Bubukina, EE Kalinina Altitude-temporal variations of the electron concentration in the E-layer of the ionosphere // Izvestiya vuzov. Radiophysics. 2011. Vol. 54. No. 6. P. 403–414.). As a disturbing radio emission, creating artificial periodic inhomogeneities, the radio emission of three in-phase transmitters of the SURA stand with a nominal power of 250 kW each, loaded onto an antenna with a gain of G = 100, was used. Powerful transmitters of the SURA heating stand radiated into the zenith a disturbing radio emission in the form of a radio wave of extraordinary polarization with an effective radiation power of ~ 80–100 MW in continuous radiation mode for 3 seconds with the formation of artificial periodic irregularities alternately at frequencies f ₁ = 5.6 MHz and f ₂ = 4.7 MHz. After the end of the disturbing radio emission in each measurement cycle for 12 seconds at the stage of destruction (relaxation) of artificial periodic inhomogeneities, the transmitters of the SURA stand radiated sounding radio pulses with a duration of 30 μs and a pulse repetition rate of 50 Hz to the zenith, also alternately at frequencies f ₁ = 5.6 MHz and f ₂ = 4.7 MHz. As receivers of signals backscattered by artificial periodic inhomogeneities created at two different frequencies, we used P-250 communication receivers with a bandwidth extended to 80 kHz. The signal backscattered by artificial periodic irregularities was recorded with an altitude step of 0.7 km or 1.4 km and a temporal resolution of 15 s.

На фиг. 2 показаны примеры полученных N(h)-профилей с регулярными 2а) и 2б) и нерегулярными 2в) изменениями электронной концентрации N по высоте. На фиг. 2а) даны обычные гладкие N(h)-профили без особенностей, чаще всего наблюдавшиеся в околополуденные часы. Для них характерна плавная высотная зависимость N(h), близкая к моделям регулярного Е-слоя. На фиг. 2б) показаны профили электронной концентрации с ярко выраженными спорадическими слоями Е (E_s). На профиле N(h) в 13:55 на фиг. 2б виден спорадический слой E_s на высоте 101 км с концентрацией в максимуме слоя N =1,39·10⁵ см^-3. На фиг. 2в) приведены профили N(h) с нерегулярными изменениями электронной концентрации. Примеры N(h)-профилей, приведенные на фиг. 2, показывает высокую изменчивость электронной концентрации в Е-области ионосферы. Возможность исследования нерегулярных явлений в нижней ионосфере Земли, проявляющихся в высотных и временных вариациях электронной концентрации, является одним из преимуществ предлагаемого способа определения электронной концентрации.FIG. 2 shows examples of the obtained N (h) -profiles with regular 2a) and 2b) and irregular 2c) changes in the electron concentration N over height. FIG. 2a) shows the usual smooth N (h) -profiles without features, most often observed in the midday hours. They are characterized by a smooth altitude dependenceN(h), which is close to the models of the regular E-layer. FIG. 2b) shows electron density profiles with pronounced sporadic E (E_s). On the N (h) profile at 13:55 in FIG. 2b shows a sporadic layer E_s at an altitude of 101 km with a concentration at the maximum of the layerN = 1.39 10^fivecm^-3... FIG. 2c) shows the N (h) profiles with irregular changes in the electron density. Examples of N (h) profiles shown in FIG. 2, shows a high variability of the electron concentration inE-areas of the ionosphere. The possibility of studying irregular phenomena in the Earth's lower ionosphere, manifested in altitude and time variations of the electron concentration, is one of the advantages of the proposed method for determining the electron concentration.

Claims

The method for determining the altitude profile of the electron concentration in the E-region of the Earth's ionosphere includes the formation of artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma of two different spatial scales by affecting the ionosphere with disturbing radio emission above the critical frequency of the E-layer and below the critical frequency of the F2-layer alternately at two frequencies, radiation into the ionosphere sounding radio pulses after the end of the disturbance, alternately at the same frequencies and with the same polarization as the disturbing radio emission, reception of signals backscattered by artificial periodic irregularities of the ionospheric plasma formed by the disturbing radio emission, measurement of the amplitude and determination of the relaxation time of backscattered signals on each of the emitted frequencies, determination of the altitude dependence of the relaxation time of the signal backscattered by periodic irregularities formed by the disturbing radio emission at the investigated heights h, for which o from the decrease in the amplitude of the backscattered signal at each height, the relaxation time of the inhomogeneities τ ₁ (h) formed by the disturbing radio emission at a frequency ƒ ₁ , and the relaxation time of the inhomogeneities τ ₂ (h) formed by the disturbing radio emission at the frequency ƒ ₂ , determine the ratio of the relaxation times

and by the formula

given the expression,

including the frequencies f ₁ , f ₂ and the longitudinal gyrofrequency of the electrons f _L , the value of the electron concentration N at a given height h and the altitude profile N (h) are determined.