Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Программно-аппаратный ионосферный комплекс «Циклон»
1.1 Сравнительный анализ возможностей аналоговых и цифровых ионосферных комплексов 24
1.2 Технические характеристики цифровых импульсных ионозондов вертикального зондирования «Циклон-GPS» 34
1.3 Программное обеспечение управлением ионозонда «Циклон» 40
1.3.1 Программа «Циклон-Рапид» и ее возможности 43
1.4 Применение ионозонда «Циклон» в качестве КВ-радара для исследований обратного рассеяния радиоволн от искусственных ионосферных неоднородностей 50
1.4.1 Исследования характеристик сигналов обратного рассеяния от области искусственной ионосферной турбулентности при помощи ионозонда «Циклон» 55
1.4.2 Исследование суточной зависимости характерных времен релаксации сигналов ОРР 62
Выводы к главе 1 67
Глава 2 Методы автоматической обработки ионограмм
2.1 Особенности компьютерной обработки ионосферной информации и существующие системы автоматической обработки ионограмм 70
2.2 Методы локальной цифровой фильтрации сигналов 77
2.3 Интерпретация слоев и построение ВЧХ 92
2.3.1 Алгоритм экспресс-анализа ионосферных слоев 92
2.3.2 Проверка методики на ионограммах, полученных другими ионозондами 101
2.4 Методика повышения точности работы алгоритма обработки 108
Выводы к главе 2 109
Глава 3 Применение разработанных методик для исследования пространственно-временных вариаций спорадического слоя Е
3.1 Динамика перемещений среднеширотного спорадического слоя Е 111
3.1.1 Исследование зонального переноса слоя Es 114
3.1.2 Исследование меридионального переноса слоя Es 120
3.1.3 Интерпретация полученных результатов 127
3.2 Эффекты планетарных волн в параметрах среднеширотного спорадического слоя Е 128
3.2.1 Исходные экспериментальные данные и методика обработки 129
3.2.2 Основные результаты и их обсуждение 141
Выводы к главе 3 146
Заключение 148
Литература 151
- Технические характеристики цифровых импульсных ионозондов вертикального зондирования «Циклон-GPS»
- Особенности компьютерной обработки ионосферной информации и существующие системы автоматической обработки ионограмм
- Проверка методики на ионограммах, полученных другими ионозондами
- Исследование меридионального переноса слоя Es
Технические характеристики цифровых импульсных ионозондов вертикального зондирования «Циклон-GPS»
В Казанском университете разработка семейства цифровых ионозондов «Циклон» ведется с 1983 г [1.15, 1.22-1.25]. На разных этапах в создании ионозонда принимали участие сотрудники университета Миннулин Р.Г., Шерстюков О.Н., Акчурин А.Д., Зыков Е.Ю., Назаренко В.И., Сапаев А.Л., Меткий А.И., Уткина А.В. и другие. За это время было разработано несколько вариантов ионозондов соответственно развитию вычислительной техники. Вариант «Циклон-9» («Вертикаль-С») реализован промышленным способом, прошел государственные испытания и сдан на тиражирование. Имеется акт о внедрении.
Последний вариант «Циклон-GPS» (далее - просто «Циклон») включает в себя: IBM-совместимый компьютер, приемное устройство Р-399А («Катран»), импульсный передатчик, GPS систему привязки шкалы времени и блок сопряжения. Обобщенная блок-схема ионозонда показана на рис 1.3.
Ионозонд «Циклон-GPS» (модернизации 2010 г.) имеет следующие характеристики:
диапазон рабочих частот - 1-32 МГц,
длительность импульса, программируемая - 10-800 мкс,
мощность передатчика в импульсе - 3-13 кВт,
частота следования импульсов - 1-100 Гц,
шаг перестройки частоты программируемый - от 1 кГц,
количество высотных отсчетов - произвольное,
дискретность отсчета высоты - 0,8 км, 2,5 км,
количество частот зондирования - произвольное,
полоса пропускания приемного устройства - 40 кГц,
разрядность оцифровки по амплитуде - 14 разрядов АЦП,
тип используемой антенны - две скрещенные «Дельты»,
синхронизация шкал времени - GPS-приемник,
автоматическая обработка сигналов ионосферного зондирования,
оперативное представление данных в интернет,
архивация данных и их последующий анализ.
Мощность передатчика, для сопоставимости данных, выбрана соответствующей энергетике передатчиков, используемых в настоящее время в аналогичных ионозондах, а также для сопоставимости получаемых ионосферных данных с существующим 40-летним рядом наблюдений других станций. Отметим, что по своим техническим характеристикам, функциональным возможностям и гибкости программного обеспечения ионозонд «Циклон» не уступает соответствующим зарубежным образцам типа Digizonde-256, Dinazonde, и IPS-42 [1.6-1.8]. Схемотехника ионозонда «Цикон» и его штатная программа управления зондированием и сохранением данных использовались при модернизации в ИЗМИР АН ионозонда «Базис-МС». Имеется акт о внедрении.
Регистрируемый сигнал снимается со смесителя Р-399А на устройство сбора информации Е1-440 или Е20-10 фирмы L-Card. Оцифрованный сигнал через USB-интерфейс карты поступает в компьютер ионозонда. Полученные ионограммы, содержащие массивы слов амплитуды и фазы в архивированном виде сохраняются на жесткий диск, а также, пройдя предварительную обработку, выводятся на экран для визуального контроля.
Для нахождения амплитуды А и фазы F методом цифрового квадратурного детектирования с переносом на нулевую частоту решается система линейных уравнений
Результаты обработки алгоритма показаны на рис. 1.4, где имитируется детектирование одной частотной реализации зондирующего импульса, прошедшей через приемный тракт Р-399А и содержащей «прямой» импульс, имитирующий импульс от передатчика, и «задержанный», имитирующий импульс, отраженный от ионосферного слоя.
Применение цифровой обработки позволило уменьшить вносимые искажения сигнала и увеличить стабильность и линейность параметров регистрируемого сигнала по сравнению с аналоговым способом.
Предусмотрено сохранение очищенных ионограмм в виде графических jpg-файлов для передачи по ftp протоколу на сервер, хранящий ионосферную базу данных. Предусмотрен резервный канал, работающий по протоколу РОРЗ.
Для изучения динамики ионосферы, спорадических образований типа слоя Es и F-рассеяния, перемещающихся ионосферных возмущений ионозонд «Циклон» может быть переключен на исследовательский режим. В этом случае меняется технология управлением работой ионозондом, увеличивается периодичность снятия ионограмм, повышается дискретность отсчетов по высоте, вводятся нониусные отсчеты в ограниченном высотном интервале, параллельно ведется прием сигналов наклонного зондирования на нескольких фиксированных частотах в виде минутных амплитудно-временных реализаций с предварительным исследованием эфира и автоматическим выбором динамического диапазона приемника. Соответственно меняется и программное обеспечение, управляющее режимом работы ионозонда. Использование в качестве управляющей ЭВМ персонального IBM-совместимого компьютера поставило некоторые технические ограничения, касающиеся в первую очередь быстродействия, размера оперативной памяти и разрядности.
Период дискретизации принимаемого сигнала определяется требуемой точностью отсчета высоты отражения, которая для импульсных ионозондов обычно равна 2-5 км. Диапазон высот, от которых происходит отражение излученного сигнала, находится в пределах 0-800 км. Исходя из этого, можно оценить объем вводимой в ЭВМ информации. При использовании в режиме мониторинга 400 зондирующих частот и снятии 256 отсчетов амплитуды отраженного сигнала на каждой частоте с высотным разрешением 2,5 км, объем памяти, необходимый для хранения одной ио но граммы составляет 400-256-2-2 « 410 Кбайт в случае использования 14-разрядного АЦП. В этом случае в памяти ЭВМ полученный массив данных составляет двумерную матрицу, в узлах которой записаны амплитуды и фазы принимаемого сигнала. В случае переключения режима работы ионозонда в исследовательский, объем хранимых данных может значительно увеличиться, в соответствии с выбранными параметрами.
Особенности компьютерной обработки ионосферной информации и существующие системы автоматической обработки ионограмм
При исследовании ионосферы возникает ряд задач, решение которых невозможно без организации автоматизированной обработки информации о состоянии ионосферы. Ионограмма, или высотно-частотная характеристика, - один из самых распространенных источников информации об ионосфере, представляющий собой набор точек, каждая из которых имеет координаты: частоту и действующую высоту. Ставится задача подбора в отдельные последовательности точек, образующих на ионограмме линии. Очевидным препятствием к этому будут помехи, при которых алгоритм может работать неустойчиво.
По классу задач полная компьютерная обработка ионограмм относится к автоматическому распознаванию зрительных образов. Исследования, проводимые специалистами по искусственному интеллекту, показывают, что создать на ЭВМ полный аналог процесса восприятия человеком визуальной информации невозможно, и речь может идти лишь о создании алгоритмов, которые принципиально отличаются по содержанию от работы глаза и мозга, но дают подобные же результаты - другими словами, осуществляют функционально-адекватное моделирование, не имея структурного подобия.
Применительно к нашим задачам следует отметить значительные успехи в деле создания таких моделей, достигнутые на этапе обнаружения сигнала. С точки зрения разработанного в этой области математического аппарата, поиск отражений на ионофамме осложняется тем, что из-за сканирования по частоте, во-первых, будет наблюдаться весьма значительная изменчивость статистических и энергетических характеристик помех, что необходимо учитывать при разработке алгоритма программы, а во-вторых, время от времени в частотном диапазоне будут встречаться настолько мощные помехи, что нужно будет либо распознавать такие ситуации и вообще отказываться от полученных в таких условиях данных, либо уметь работать на качественно новом уровне: строить решающие правила на статистических различиях помехи и сигнала, а не на энергетических, а также применять специальные меры по селекции помехи.
Учитывая сложность обработки и интерпретируемости ионограмм, а также и разнообразие и специфичность методов цифровой обработки изображений, необходимо иметь некоторые наборы алгоритмов, предназначенные для реализации каждого этапа обработки изображений, и, как следствие, - для каждой конкретной ионограммы выбор оптимальной в каком-то смысле последовательности их выполнения, т.е. необходима предварительная классификация исходной информации для выбора наилучшего (с точки зрения определенного критерия) алгоритма (или нескольких алгоритмов), реализующего данный этап (этапы).
Особо следует остановиться на проблеме выбора информативных признаков как некоторых интегральных характеристик исходной информации. Выбор подобного набора статистических признаков очень плохо поддается формализации и зачастую граничит с искусством. В случае обработки ионограмм можно принимать следующие факторы:
априорная геофизическая информация: время года, время суток, географическое местоположение, солнечная активность т.п.;
общие интегральные характеристики самого изображения: гистограммы, соотношение сигнал-шум, числовые оценки амплитуды;
методы корреляции исходного изображения с определенными эталонами.
Если такие алгоритмы в подавляющем большинстве случаев имеют строгую математическую формулировку и критерием обычно служит минимум среднеквадратичного отклонения, то уже сам термин «улучшение качества» обуславливает нечеткость постановки задач, внесение эвристики и эмпиризма, а также методов экспертных оценок в качестве критерия [2.1].
Таким образом, сложность поставленной задачи, является сдерживающим фактором при практической реализации алгоритмов автоматической интерпретации ионограмм [2.2, 2.3].
Первой системой, работающей в автоматическом режиме и показывающей достаточно высокий процент достоверной обработки ионограмм в условиях средневозмущенной ионосферы, была система обработки ионограмм вертикального зондирования ARTIST на основе исследовательского ионозонда Digizonde-256 [2.4, 2.5]. К сожалению, не все сетевые ионозонды обладают возможностью аппаратной регистрации поляризации, угла прихода и доплеровского смещения частоты отраженного сигнала как у этого дорогостоящего исследовательского ионозонда, что влечет за собой значительное усложнение программ, некоторые потери в качестве и увеличение времени обработки. Однако развитие вычислительной техники позволяет обойти эти трудности; так, например, программно -аппаратный комплекс Digion, базирующийся на системе IPS-42, успешно эксплуатируется на протяжении ряда лет в Оклендском университете [2.6].
В России первые алгоритмы очистки ионограмм, выделения ионосферных следов и автоматической обработки ионограмм, входящие в состав пакета программ ТРАССЕР были разработаны в СибИЗМИРе [2.2, 2.3]. В ИЗМИРАНе был создан подобный по своим функциональным возможностям пакет PACIFIC [2.7].
Работы по автоматической обработке ионограмм программными средствами были начаты в Казанском университете в 1990 г. [2.8-2.11] Последний вариант пакета программ "Циклон-Рапид" в настоящее время позволяет производить традиционную обработку ионограмм в режиме сетевого ионозонда: первичную очистку ионограмм от шумов, архивацию ионограмм для долговременного хранения на магнитном диске, идентификацию ионосффных слоев с отсчетом их высотно-частотных параметров, сохранение результатов обработки в международном формате, рекомендованном Международным союзом исследований радиоволн URSI [2.13].
Обработка ионограмм в ионозонде "Циклон" в последнее время происходит по следующей схеме.
Первичная обработка (см. гл.1): производится сжатие исходной ионограммы с последующей записью на диск для архивного хранения (первичная обработка).
Вторичная обработка и интерпретация:
1) осуществляется выделение сигнала из шумов, включающее в себя:
фильтрацию импульсных помех,
удаление кратных отражений,
очистку от эфирных шумов;
2) ионограмма подвергается гистограммному экспресс-анализу на предмет исследования возможности автоматической обработки, в случае положительного решения вызывается процедура интерпретации ионосферных слоев, в противном случае - процедура интерактивной обработки с привлечением опфатора;
3) для улучшения качества обработки, при необходимости, привлекается эвристический анализатор, осуществляющий проверку интерпретации ионосферных слоев на репрезентативность;
4) формируются выходные файлы отсчетов в табличном виде и/или графическом представлении обработанной ионограммы для качественной оценки ионосферной обстановки.
Основная задача при обработке и очистке ионограммной информации -обнаружение отраженного импульса на фоне помех от мешающих радиопередатчиков и шумов эфира. Для выделения сигнала среди помех необходима априорная информация о статистических свойствах помехи. Однако из-за большого диапазона рабочих частот и высокой динамики изменения ионосферной обстановки параметры помехи заранее неизвестны, а их оценка непосредственно в режиме зондирования приводит к неоправданному усложнению как самого эксперимента, так и обработки полученных данных.
На практике обычно используют эвристические алгоритмы, причем они не должны быть чувствительными к неизвестным параметрам как самого сигнала, так и помехи.
Необходимо выделить частоты, на которых имеются сосредоточенные помехи, и исключить результаты измерений на этих частотах. Однако, если их полностью исключить из рассмотрения, могут возникнуть недопустимые погрешности при дальнейшем построении высотно-частотной характеристики и идентификации слоев по ВЧХ.
Проверка методики на ионограммах, полученных другими ионозондами
Для проверки устойчивости работы алгоритмов автоматической обработки ионограмм было решено применить его к данным, полученных ионозондами семейства «Сойка» и «Базис».
К основным сложностям при переносе алгоритма можно отнести:
отсутствие документированного формата записи выходного файла, содержащего ионограмму;
малая разрядность амплитуды сохраняемого в файле полезного сигнала вышеупомянутого ионосферного комплекса (8 разрядов АЦП), по сравнению с «Циклоном» (14 разрядов АЦП);
предварительная (первичная) обработка ионограммы перед сохранением в файл;
частотно-высотная сетка, отличающаяся от применяющейся в «Циклоне».
Рассмотрим подробнее отличия в работе программ «Циклон-Рапид» и «Сойка».
В штатной программе ионозонда «Сойка» при зондировании перед сохранением ионограммы сначала по некоторому алгоритму выясняется, содержит ли конкретная реализация полезный сигнал, и в случае принятия положительного решения сохраняются отдельные отсчеты данной реализации, судя по всему, обработанные методом пороговой фильтрации. В противном случае вся реализация не сохраняется и в дальнейшей обработке не участвует. В «Циклоне» же сохраняются все частотные реализации без какой-либо обработки и очистки, что в дальнейшем позволяет более качественно проводить анализ, очистку от шумов и автоматическую обработку ионограмм.
При модернизации ионозондов семейства «Сойка» устанавливались АЦП большей разрядности, соответственно антенные усилители перестраивались таким образом, чтобы обеспечить полный динамический диапазон их работы. Но ПО этих ионозондов, к сожалению, оперирует только с 8-ми битными полями для записи амплитудных значений, что приводит к отбрасыванию старших значащих бит. При этом форма импульса искажается, он приобретает прямоугольную форму со «столообразной вершиной», по сравнению с «колоколообразной» формой импульса, сохраняемой ионозондами «Циклон». Это также приводит к потере части полезного сигнала, что может усложнить дальнейшую обработку по алгоритмам, использующимся в программе «Циклон». Для устранения этой проблемы было решено перед обработкой каждую реализацию подвергнуть сглаживанию низкочастотным фильтром, что позволило бы приблизить форму частотной реализации к необработанной. Однако оказалось, что гистограммный метод, работая с интегральными характеристиками высотных и частотных реализаций, не нуждается в подобной предварительной обработке данных, так как полученные гистограммы сами в какой-то мере выступают в роли сглаживающих фильтров. Таким образом, алгоритмы обработки, использующиеся в программе «Циклон-Рапид», не подвергались никаким изменениям даже при смене входных данных, что позволяет судить о достаточной устойчивости применяющихся в них методик.
Большой сложностью явилось и отсутствие информации по формату файла ионограммы. Основные параметры зондирования, как-то: время, дату, место зондирования и значащие частоты, удалось выявить при непосредственном просмотре бинарного файла данных. Алгоритм восстановления высот отчасти был расписан специалистами из ИЗМИР АН (Ким В.Ю.) и КФУ (Насыров И.А.). Но, к сожалению, некоторые поля не удалось идентифицировать и поэтому они не использовались при выводе ионограммы. К таким полям можно отнести слово данных, стоящее перед каждой частотной реализацией и содержащее, скорее всего, коэффициенты аттенюации на данной частоте. Дополнительно выяснилось, что записанные файлы содержат большее количество высотных отсчетов, чем выводит на экран штатное ПО этих ионозондов, что следует учитывать при обработке ионограмм этого формата в будущем.
Также при выводе на экран ионограмм необходимо было откалибровать высотную сетку, в частности, значение начальной высоты и шаг. Эти значения, зависящие от аппаратной части ионозондов, не заносились в файлы ионограммы и поэтому подбирались эмпирическим путем.
В результате работы была написана программа, позволяющая выводить и обрабатывать ионограммы, полученные комплексами «Сойка» или «Базис». Пример исходной и обработанной ионограммы приведен нарис. 2.7. Здесь и далее для простоты восприятия не показаны критические частоты О и X компонент слоя F1 (если он существует), их выделение при известных значениях частотных и высотных параметров остальных ионосферных слоев не вызывает затруднения и детально описано выше.
Хорошо видно, что после обработки достаточно хорошо удалились даже те шумы, которые остались после очистки штатным ПО ионозонда «Сойка». Были обработаны имеющиеся ионограммы за 22 марта 2009 года. Выяснено, что алгоритмы очистки и вьщеления параметров ионосферных слоев работают устойчиво даже без адаптации ко входным ионосферным данным. К сожалению, все эти ионограммы были сняты в момент минимальной солнечной и геомагнитной активности, что не позволяет в полной степени оценить точностные характеристики обработки для всех слоев, поэтому для определения этих параметров работа должна быть продолжена в дальнейшем для более глубокого анализа на основе более длинного ряда данных.
Также устойчивость алгоритма проверялась на пробных ионограммах модернизируемого ионозонда семейства «Базис» («Базис-МС»).
Хотя в ионозондах «Циклон» и «Базис-МС» используется общий формат ионограмм и может применяться один и тот же тип системы сбора данных (Е1-440 или Е20-10 фирмы L-Card), они имеют в своем составе разные антенно-фидерные и радиопередающие устройства, что приводит к различиям в АЧХ их радиотрактов, отношении сигнал/шум и в форме отраженного от ионосферы радиоимпульса.
Также к исторически сложившимся особенностям ионозондов серии «Базис» можно отнести:
выход сигнала с НЧ-выхода РПУ «Р-399»,
использование штатной АРУ РПУ и, как следствие, переусиление сигнала, приводящее к появлению на ионограмме дополнительных шумов,
накопление несколько импульсов на частоте, что может приводить к искажению формы отраженного импульса.
Несмотря на это, алгоритм обработки, также без предварительной адаптации, продемонстрировал устойчивую работу, что показывает рис. 2.8.
В последнее время алгоритм был протестирован на ионограммах, полученных ионозондами CADI. Использовались данные, полученные ионозондами, установленными в НИРФИ (п. Васильсурск) и ИЗМИР АН (г. Троицк). Используемое в ионозондах CADI программное обеспечение осуществляет первичную очистку ионограмм от шума по собственным, гибко настраиваемым алгоритмам, и сохраняет в выходные файлы лишь максимумы отраженного сигнала.
Несмотря на то, что ионозонды имели различную аппаратную конфигурацию (НИРФИ - 2 приемных канала, ИЗМИР АН - 1 приемный канал) и использовали различные программные методы накопления сигнала и первичной обработки ионограмм, выяснилось, что алгоритмы, используемые для обработки данных ионозонда «Циклон» в состоянии справиться и с такими, нестандартными для него, ионограммами, что демонстрирует рис. 2.9. Окружностями показаны шумы, найденные и выделенные алгоритмом очистки программы «Циклон-Рапид».
Исследование меридионального переноса слоя Es
Для исследования меридионального переноса были выделены три цепочки, каждая из которых включает три станции.
Рассмотрим первую из них: Ашхабад (37,9N, 58,3Е), Свердловск (56,4N, 58,6Е), Новоказалинск (45,5N, 62,1Е). Разброс по географической долготе для этих станций составляет 3,8 градуса. Данные о предельной частоте слоя Es для них присутствуют в пределах 13-тилетнего интервала времени: с 1973 по 1986 гг.
Так же, как и в случае изучения зонального переноса, данные анализировались за 5 месяцев: с мая по сентябрь включительно.
Так как суть анализа данных по выявлению преимущественных движений высоко интенсивных слоев Es была подробно описана при рассмотрении зонального переноса, здесь мы просто приведем полученные результаты нарис 3.7.
Здесь по оси X отложены годы, а по оси Y - число случаев движения интенсивных слоев Es в южном и северном направлениях. Видно, что практически во все годы преобладает движение в северном направлении.
На рис. 3.8 показано изменение числа появления интенсивных Es (с foEs более 6 МГц) слоев от года к году, а на рис 3.9 - гистограмма распределения скоростей.
Ниже приведён результаты по второй цепочке станций вертикального зондирования: Новосибирск (54,6N, 83,2Е), Томск (56,5N, 84,9Е), Норильск (69,4N, 88,1Е). Все станции попадают в долготный интервал 83,2-88,1Е. Данные об foEs для них присутствуют в пределах 15-тилетнего интервала времени с 1972 г. по 1986 г., за исключением 1974 года, за который данные о необходимом параметре имеются только для двух станций из трёх, что не помешало исследовать эту временную цепочку как один из наиболее длинных рядов данных о предельной частоте слоя Es.
Изменение числа случаев движений в южном и северном направлениях от года к году представлено на рис. ЗЛО.
Ниже, на рисунках 3.11 и 3.12, показаны изменение числа появления интенсивных Es и результат анализа скоростей движения спорадических Е слоев, соответственно.
И, наконец, третья цепочка станций, расположенных в западном полушарии земного шара: GRAND BAHAMA (26,6N, 281,8Е), WASHINGTON (38,7N, 282,9E), FORT MONMOUTH (40,4N, 285,9E). Данные о предельной частоте спорадического слоя Е для всех трех станций присутствуют в течение 9 лет (с 1957 по 1965 гг.). Особо следует отметить, что при выборе для исследования этой последовательности станций вертикального зондирования было допущено некоторое отступление от поставленных первоначально условий, а именно, одна из станций по своему расположению не попадает в интервал средних широт. Анализ этой цепочки был интересен выявлением сходств и различий с двумя предыдущими.
Ниже, на рис 3.13, приведены графики, иллюстрирующие полученные результаты.
По сравнению с двумя ранее рассмотренными цепочками станций не наблюдается столь ярко выраженного преимущества движения высоко интенсивных Es слоев в северном направлении.
На рис. 3.14 и 3.15 приведены зависимость количества случаев появления высокоинтенсивных Es от года, в течение которого проводились измерения, и гистограмма распределения скоростей соответственно.
