CC BY
19
В качестве индикатора использовалась лампочка ТН-0,3, которая горела при напряжении Uc=U0=3,92 ... 4,06 В. Устройство контролирует напряжение с точностью до 2 %. Данное устройство можно применять для контроля напряжения на отдельных механизмах или участках сети. Применение подобных устройств на ответственных механизмах может привести к существенному уменьшению ущерба электрическим цепям и самим механизмам в случае возникновения аварийных ситуаций. Избежать негативных последствий можно при установке данного устройства на различные узлы и ежедневного мониторинга узлов, к которым оно подключено.
Благодаря данному устройству возможно своевременное обнаружение проблемных узлов или механизмов, скорейшее устранение дефекта и продление времени работы механизмов и электрических цепей.
Рассмотренное параметрическое электронное устройство для контроля уровня напряжения имеет простые конструкцию и регулировку, экономично относительно потребления энергии, может контролировать в широком диапазоне уровни постоянного и переменного напряжений с высокими точностью и надежностью.
Список литературы
1. Каханович В.С., Вершинин А. С. Контроль и поддержание качества электроэнергии — важный фактор экономии топливно-энергетических ресурсов // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений). 1984. № 11. С. 7-11.
2. Каханович В.С., Вершинин А.С. Методика оценки погрешности устройств численного определения показателей качества электроэнергии // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений). 1990. № 1. С. 48-52.
3. Алгоритмы вычислительного метода определения показателей качества электроэнергии / В.С. Каханович, В.Е. Ткаченко, Н.И. Тюшкевич, А.С. Вершинин // Системы управления в энергетике. М.: ЭНИН, 1980.
Придворов Богдан Николаевич, аспирант, [email protected], Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет,
Бордюг Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
УДК 621.3.09
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-297-315
ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЙ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ ИОНОСФЕРЫ И ИОНОСФЕРНЫХ РАДИОЛИНИЙ
А.О. Щирый
Представлены основные архитектурные принципы и технические решения, принятые при разработке аппаратно-программного комплекса оперативной диагностики ионосферы и ионосферных радиолиний. Приведено краткое описание методик измерений и измерительной аппаратуры. Решены задачи автоматизации самого процесса измерений и регистрации данных, позволяющих организовать работу комплекса по заданному расписанию без непосредственного участия человека. Также решены задачи извлечения информации из полученных экспериментальных данных, включая работу с иерархией экспериментальных данных, в т. ч. возможности перегенерации производных данных, а также возможности пакетной обработки больших массивов данных для исследования их статистических характеристик.
Ключевые слова: ионосфера, радиозондирование ионосферы, ионограммы, обработка ионо-грамм, многолучевое распространение коротких радиоволн, характеристики многолучевых радиолиний, автоматизация измерений.
По данным радиозондирования ионосферы коротковолновыми (КВ) сигналами можно получить информацию о процессах в ионосферной плазме, о ее структуре и состоянии [1-5]. Данные радиозондирования ионосферы также крайне важны для систем КВ связи и загоризонтной (ЗГ) радиолокации [2,3]. Работа этих радиотехнических систем (РТС) основана на способности КВ многократно отражаться от ионосферы и земной поверхности. Важнейшей задачей для обеспечения корректного функционирования таких РТС является адаптация к ионосферным условиям, для чего в составе этих РТС содержится
система частотного обеспечения, включающая аппаратуру радиозондирования ионосферы и анализатор загруженности радиоканала. При этом возможна адаптация РТС КВ диапазона по рабочей частоте, мощности излучения, скорости передачи информации. Также и наземная инфраструктура ГЛОНАСС включает в себя средства автоматической диагностики состояния ионосферы.
Наиболее предпочтительным является выбор линейно-частотно модулированного (ЛЧМ) сигнала в качестве зондирующего [1,4,5]. Разработанная в том числе при непосредственном участии автора, аппаратура комплекса диагностики ионосферы и ионосферных радиолиний [5] позволяет осуществлять измерения в режимах наклонного зондирования ионосферы (НЗИ) [1,4,5], вертикального зондирования ионосферы (ВЗИ) [1] и панорамного измерения помех КВ диапазона [5].
В статье представлены результаты многолетних работ автора по автоматизации процессов измерений и обработки данных диагностики ионосферы и ионосферных радиолиний [4-19]. Этой тематикой, разумеется, занимались также другие разработчики и исследователи (например [3, 20-35]), включая такие отечественные организации как ИСЗФ СО РАН, НИИДАР, ИНГ, НИРФИ, ААНИИ, однако по степени комплексности и охвату измерительных методик и алгоритмов обработки данных полных аналогов нет, тем более что часть работ [20,21,25,26,28-30] посвящена вопросам только вертикального зондирования (которое значительно проще и в аппаратной реализации, и при обработке и интерпретации результатов). Как можно судить по косвенным признакам, значительные усилия по релевантной тематике приложены австралийскими исследователями в ходе работ над системами частотного обеспечения ЗГ радиолокаторов в проектах Jindalee и JORN [3], однако подробных сведений об устройстве аппаратно-программных комплексов в открытых изданиях не приводится. В еще большей степени это относится к работам в США (например, проект HAARP).
Интересным перспективным направлением является использование технологий «программно определяемых радиосистем» (Software-defined radio, SDR), наиболее популярны для данных задач изделия линейки USRP компании Ettus Research, имеется немало реализаций комплексов радиозондирования ионосферы на их основе [32-35]. Этому подходу присущи свои достоинства (гибкость алгоритмов обработки, поскольку почти весь приемник реализован программно) и недостатки (например подверженность влиянию мощных помех вследствие отсутствия аппаратных преселекторов в приемном устройстве), по сравнению с использованием классическим схем приемников (с корреляционной обработкой сигнала), на которых основана настоящая работа.
Что касается задач обработки ионограмм НЗИ, то они если и решались ранее, то делалось это на основе метода трафаретных масок [24,28], когда для выделения сигнальных компонент на ионограм-мах применяются маски, полученные путем синтеза искусственных ионограмм на основе математических моделей распространения декаметровых радиоволн в ионосферной плазме, и подгоняемые под исследуемую экспериментальную ионограмму какими-либо алгоритмами; такой метод обладает рядом недостатков: применяемые математические модели зачастую не обеспечивают приемлемую точность, особенно в условиях геомагнитных и солнечных возмущений, особенно в верхних широтах; также при таком подходе невозможно выделение сигнальных компонент аномальных мод распространения. Либо применяются еще более примитивные пороговые методы [22], существенно зависящие от отношения сигнал/шум (или «качества ионограммы», другими словами).
Значительно более удачными стоит признать методы, основанные на статистических критериях обнаружения резко выделяющихся значений выборки (т.н. «грубых промахов») [36-38]; однако статистические характеристики сигнала в случае пересечения треков сигнала с сосредоточенными помехами, и в случае диффузности (размытости) сигнала существенно отличаются от характеристик сигнала сильных мод, что может приводить к ошибкам; также при этом не используется информация о протяженной по частоте зондирования структуре трека (из-за обработки ионограммы блоками, равными одной вертикальной линии ионограммы).
Также ни в одной из работ-аналогов не реализуется измерение помех в сеансах между радиозондированиями, а также не извлекается информация о помехах из данных самих сеансов радиозондирования (из ионограмм).
1. Методики измерений и аппаратура комплекса. Приведем краткое описание методик измерений (разработанных, в том числе, при непосредственном участии автора) и измерительной аппаратуры.
1.1. Методики измерений. Основная идея НЗИ заключается в следующем [1,4,5]. При НЗИ передатчик излучает непрерывный ЛЧМ сигнал (т.е. как следствие частота линейно зависит от времени) во всем КВ диапазоне (например, от 2 до 30 МГц). Сигнал распространяется в ионосферной радиолинии и поступает на вход приемника. При НЗИ расстояние между преемником и передатчиком обычно составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, поэтому время распространения меняется от единиц до десятков миллисекунд. Обработка принятого сигнала методом сжатия в частотной области состоит в умножении его на сигнал гетеродина приемника, комплексно-сопряженный излучаемому сигналу; после чего происходит прохождение сигнала через фильтр нижних частот, оцифровка «разностного сигнала» (термин получается вследствие перемножения на сигнал гетеродина), и спектральный анализ. Из-за частотной дисперсии волны разной частоты после прохождения ионосферной радиолинии имеют разные коэффициенты отражения и время фазового запаздывания.
Результатом работы наклонного ионозонда является ионограмма, характеризующая зависимости времени группового запаздывания и амплитуды каждой моды распространения от частоты излучения (см. Рис.1).
Режим ВЗИ отличается тем, что приемник и передатчик находятся, в общем, в одном пункте. Ионограмма ВЗИ имеет иной физический смысл. Имеется задача коммутации антенн (в случае полного, а не «квази» однопозиционного приема). Однако сбор и накопление данных во многом подобны режиму НЗИ, хотя в части вторичной обработки, а уж тем более интерпретации результатов есть своя специфика.
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 рр, МГц
Рис. 1. Пример ионограммы наклонного зондирования ионосферы
В измерительном комплексе предусмотрен режим калибровки амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) радиоприемного устройства (РПУ). В этом режиме на вход РПУ подается гармонический сигнал известного уровня и частоты; в файле сохраняется частотно-зависимый коэффициент усиления РПУ (отношение уровня выходного сигнала к уровню эталонного сигнала), используемый для коррекции АЧХ РПУ на этой частоте. Процедура повторяется для заданного частотного диапазона с заданным шагом.
С учетом последующей обработки, по данным НЗИ одновременно измеряются характеристики и сигнала, и помех [5], в частности могут быть выделены и исследованы сосредоточенные помехи (помехи от работающих радиостанций) [5,9] - доминирующий вид помех почти во всем диапазоне [40]. Однако, если исследователя подробно интересуют характеристики только помех, то целесообразно разработать специальный алгоритм измерения помех не в режиме ЛЧМ, а в режиме обычного "классического" приема. Поэтому разработан гибкоперестраиваемый алгоритм измерения панорамы спектра помех ДКМ диапазона, позволяющий в широких пределах варьировать параметры обработки, благодаря чему может быть использован как для изучения "мгновенной" тонкой структуры помех, так и для исследования вариаций характеристик помех всего ДКМ диапазона на основе сбора обширной статистики [5,12,39]. Основная идея алгоритма заключается в том, что последовательно с заданным шагом происходит перестройка РПУ в заданном диапазоне, РПУ "стоит" на текущей частоте заданное время, данные с низкочастотного выхода РПУ оцифровываются, над ними выполняется БПФ. Полученные спектры, выстроенные последовательно, в общем, и представляют собой панораму спектра помех.
Из полученной панорамы спектра помех возможно выделения фонового шума. Здесь под фоновым шумом [40] понимается шум природного происхождения с медленно меняющимися характеристиками, т.е. без атмосферных импульсных помех, без станционных и индустриальных, другими словами под фоновым шумом понимается сумма помех (атмосферный флуктуационный, тепловой, галактический шумы), уровни которых на порядки меньше уровней (и медленнее меняются во времени) мощных помех природного (атмосферный импульсный шум - ближние грозы) и антропогенного (станционные и индустриальные помехи) происхождения. Вообще, измерение фонового шума - отдельное направление, важное для геофизики. Применяемая методика основана на гипотезе, что минимальный уровень помех в диапазоне определяется фоновым шумом (что конечно не будет соответствовать действительности для диапазона, полностью забитого помехами «не-фоновых» видов). Для оценки уровня фонового шума по панораме спектра помех на выбранной частоте в заданном частотном интервале (10 кГц - 1 МГц) выбираются частотные элементы с минимальным уровнем помехи, который принимается за уровень фонового шума на этом интервале.
Подчеркнем, что методика [5,9] позволяет извлекать информацию о станционных помехах из данных радиозондирования ионосферы ЛЧМ сигналами, таким образом могут быть одновременно измерены характеристики и сигнала, и помех. В то время как методика [5,12] представляет собой универсальную гибкоперестраиваемую методику измерения панорам спектра помех различных видов, её гибкость заключается в возможностях широкого варьирования параметров измерений помех (в то время как, в
первой методике гибкости меньше, поскольку параметры измерений привязаны к параметрам сеансов зондирования, хотя при вторичной обработке оцифрованный сигнал, конечно, может быть обработан с разными параметрами, например блоками разного размера и с разным частотным разрешением).
Можно задать расписание автоматической работы измерительного комплекса таким образом, чтобы между сеансами радиозондирования проводилось измерение помех. Полученные данные могут не только дополнять «картину» обстановки радиолинии, но и в режиме реального времени использоваться для корректировки расписания, например, реализуя радиозондирование только в незанятых помехах поддиапазонах.
1.2. Аппаратура комплекса. Автоматизированная цифровая аппаратура зондирования ионосферы (АЗИ, далее Комплекс) сложными сигналами предназначена для измерения методами вертикального (ВЗ) и наклонного (НЗ) зондирования радиофизических характеристик ионосферы, ионосферных радиолиний, и получения цифровых ионограмм. Применение сложных сигналов позволяет эффективно использовать оптимальные методы приёма и обработки и получить следующие преимущества по сравнению с традиционными импульсными ионозондами:
минимальные габариты, массу и энергопотребление комплекса (примерно в 10 раз меньшие); низкая излучаемая мощность (примерно в 1000 раз меньше); высокая энергетическая и структурная скрытность;
возможность зондирования сверхдальних трасс вплоть до кругосветных; высокая разрешающая способность и помехозащищенность;
возможность изменения полосы зондирующего сигнала (при обработке) без изменения структуры зондирующего сигнала и аппаратных средств.
АЗИ представляет собой приемо-передающую радиотехническую систему, которая обеспечивает выполнение следующих основных функциональных задач: диагностику (зондирование) ионосферы и радиолиний:
- измерение и отображение высотно-частотной (ВЧХ) и дистанционно-частотной (ДЧХ, ионо-грамм) характеристик;
- измерение и отображение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ);
- построения профиля электронной концентрации; хранение данных зондирования и результатов их обработки.
Далее представлено техническое описание автоматизированной цифровой аппаратуры зондирования ионосферы сигналами с ЛЧМ, построенного на базе профессионального КВ радиооборудования (производства фирмы «Icom», Япония), обладающего преимуществами комплекса с ЛЧМ по сравнению с ионозондами, использующими простые импульсные и фазо-кодо-манипулированные сигналы.
1.2.1. Состав аппаратуры. В состав АЗИ входят:
Первый приемо-передающий канал (Блок №1, ПРД), в состав которого входят: модернизированный трансивер IC-718, блок питания PS-125, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) Е20-10, блок управления и синтеза АДИ-718 (БУС1), включающий в свой состав: субблок программно-управляемого цифрового синтезатора (ПУЦС), микропроцессорный субблок управления (МБУ), субблок высокостабильного опорного генератора (ОГ);
Второй приемный канал (Блок №2, ПРМ), в состав которого входят: модернизированный приемник IC-R75, адаптер переменного тока AD-55/A/V, АЦП Е20-10, блок управления и синтеза АДИ-Я75 (БУС2), включающий в свой состав субблоки ПУЦС, МБУ, ОГ;
Персональный компьютер CF-52RENBVF1 (ноутбук, Блок №3, ПК);
Источник бесперебойного питания Smart Prof 1100 (Блок №4, ИБП);
GPS приемник ALPHA-G3 (Блок №5, GPS);
Преобразователь TCC-100 (Блок №6, ПР);
Блок питания ПК CF-AA5713A (адаптер, Блок №7, БППК);
Блок питания GPS приемника AC110-240 (адаптер, Блок №8, БПGPS);
Антенна GPS приемника External GNSS (Блок №9, ANTGPS);
Антенна ПРД для приема НЗ и передачи ВЗ (Блок №10, ANTI1РД);
Антенна ПРМ для приема ВЗ (Блок №11, ANTOTM);
Специализированное программное обеспечение (СПО).
В АЗИ первый приемо-передающий канал (Блок №1, ПРД) работает на передачу в режимах ВЗ ионосферы и НЗ радиолиний и на прием в режиме НЗ ионосферных радиолиний непрерывным ЛЧМ сигналом, а также может работать в штатных режимах трансивера как на прием, так и на передачу. Технические характеристики блока №1 в штатном режиме соответствуют характеристикам, приведенным в инструкции по эксплуатации (ИЭ) трансивера IC-718. Второй приемный канал (Блок №2, ПРМ) работает только на прием ЛЧМ сигнала в режиме ВЗ ионосферы.
1.2.2. Устройство и работа АЗИ. АЗИ представляет собой двухканальную приемопередающую радиотехническую систему (РТС). На Рис.2 приведена упрошенная общая структурная схема АЗИ, в которой можно выделить следующие основные функционально-законченные блоки:
TABLE I. антенно-фидерные устройства (АФУ, Ант1 и Ант2); TABLE II. радио приемо-передающее устройство (ПРД, блок №1);
TABLE III. радиоприемное устройство (ПРМ, блок №2);
TABLE IV. автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора на базе персонального компьютера CF-52RENBVF1 (ПК, ноутбук, блок №3);
• источник бесперебойного питания Smart Prof 1100 (ИБП, блок №4);
• GPS приемник ALPHA-G3 (GPS, блок №5);
• преобразователь TCC-100 (ПР, блок №6).
Рис. 2. Упрощенная общая структурная схема АЗИ Обозначения блоков, их наименования и межблочные электрические соединения указаны в
табл. 1.
Антенно-фидерное устройство (АФУ) предназначено для приема и (или) передачи широкополосных КВ радиосигналов приемником (ПРМ, блок №2) и передатчиком (ПРД, блок №1) АЗИ.
Блок первого приемо-передающего канала (Блок №1, ПРД) предназначен для приема в режиме НЗ ионосферы и передачи в режиме ВЗ ионосферы зондирующего непрерывного широкополосного ЛЧМ сигнала, а также для приема и передачи информационных сигналов (СИ). В состав ПРД входят: модернизированный КВ трансивер 1С-718 (РПДУ); источник питания постоянного тока (ИП1); аналого-цифровой преобразователь (АЦП1); блок управления и синтеза (БУС1).
Таблица 1
Таблица обозначений блоков_
GPS GPS приемник (Блок №5)
ПР Преобразователь (Блок №6)
ИП1 Источник питания (в составе Блока №1 (ПРД))
ПРД Модернизированный трансивер IC-718 (в составе Блока №1, РПДУ)
АЦП1 Аналого-цифровой преобразователь (в составе Блока №1)
БУС1 Блок управления и синтеза (в составе Блока №1)
ИП2 Источник питания (в составе Блока №2 (ПРМ))
ПРМ Модернизированный приемник IC-R75 (в составе Блока №2, РПУ)
АЦП2 Аналого-цифровой преобразователь (в составе Блока №2)
БУС2 Блок управления и синтеза (в составе Блока №2)
ПК Персональный компьютер (Блок №3)
ИБП Источник бесперебойного питания (Блок №4)
X1 Выходной сигнал ПЧ трансивера
X2 Выходной сигнал ПЧ приемника
X3 НЧ и ВЧ электрические линии связи БУС1 с РПДУ
X4 НЧ и ВЧ электрические линии связи БУС2 с РПУ
X5 НЧ электрические линии связи GPS приемника БУС1 и БУС2
X6 USB электрические линии связи АЦП1 с ПК
X7 USB электрические линии связи АЦП2 с ПК
X8 USB электрические линии связи БУС1 с ПК
X9 USB электрические линии связи БУС2 с ПК
X10 Сигнала «Пуск» БУС1
X11 Сигнала «Пуск» БУС2
X12 Электрическая связь ИП1 с трансивером, АЦП1 и БУС1 (+13,8 В)
X13 Электрическая связь ИП2 с трансивером, АЦП2 и БУС2 (+13,8 В)
X14 Электрическая связь ИБП с ИП1 Блока №1 (~220 В)
X15 Электрическая связь ИБП с ИП2 Блока №2 (~220 В)
X16 Электрическая связь ИБП с ПК (~220 В)
X17 Сетевой кабель (~220 В)
РПДУ представляет модернизированное стандартное изделие IC-718 (фирма «Icom» Япония), которое построено по модульному принципу с встроенным микроконтроллером (МК) со своим программным обеспечением. МК РПДУ через стандартный последовательный двунаправленный интерфейс CI-V соединяется с МК БУС1, предусматривающий возможность работы блока в составе АЗИ в режимах излучения (ВЗ) и приема (НЗ) зондирующего ЛЧМ сигнала, увеличения количества выполняемых задач и адаптацию к изменяющемуся составу технических средств Комплекса.
Блок второго приемного канала (Блок №2, ПРМ) предназначен для приема в режиме ВЗ ионосферы зондирующего широкополосного ЛЧМ сигнала. В состав ПРМ входят: модернизированный КВ приемник IC-R75 (РПУ); источник питания постоянного тока (ИП2); аналого-цифровой преобразователь (АЦП2); блок управления и синтеза (БУС2).
РПУ представляет модернизированное стандартное изделие IC-R75 (фирма «Icom» Япония), которое построено по модульному принципу с встроенным МК со своим программным обеспечением. МК РПУ через стандартный последовательный двунаправленный интерфейс CI-V соединяется с МК БУС2, предусматривающий возможность работы блока в составе АЗИ в режиме приема (ВЗ) зондирующего ЛЧМ сигнала, увеличения количества выполняемых задач и адаптацию к изменяющемуся составу технических средств Комплекса.
АРМ предназначено для контроля и управления работой всех технических средств Комплекса, а также для обработки сигналов зондирования ионосферы, хранения данных и результатов обработки.
АРМ реализован на базе ПК CF-52RENBVF1 (фирма "Panasonic") и представляет собой многоканальное устройство управления с прямым доступом к памяти. ПК с разработанным специализированным программным продуктом обеспечивает централизованное управление радиооборудования (блоки №№ 1 - 5), входящего в состав АЗИ, и его адаптацию к режимам работы АЗИ. ПК взаимодействует с МК БУС1, БУС2, АЦП1 и АЦП2 через стандартные порты последовательного типа USB. Все сопряжения технических средств рассчитаны на обеспечение «свободной» связи между ними и в результате на принцип иерархического представления всей структуры построения АЗИ.
ИБП обеспечивает защиту блоков Комплекса от всех существующих помех в электросети: импульсных высоковольтных бросков, длительного или кратковременного повышения или понижения напряжения изменении частоты, интерференции, нестабильности формы, полного отключения электропитания.
GPS приемник ALPHA-G3 (фирма "JAVAD") совместно с ПК и МК БУС предназначен для формирования сигналов точного времени («привязка» к мировому времени), временного режима работы АЗИ и сигнала «Пуск».
ч/
Блок Блок
№6 ! №5
h
■ ■ ■ Блок №2
X1 ■ ■ ■ ■
I
X3 X4 ! Блок №3
X -4 X 00 X9 ! ■
^
Рис. 3. Общая схема межблочных соединений АЗИ
Обозначения блоков, их наименования и межблочные электрические соединения
Таблица 2
Блок №1 Первый приемо-передающий канал (ПРД)
Блок №2 Второй приемный канал (ПРМ)
Блок №3 Персональный компьютер CF-52RENBVF1 (ПК)
Блок №4 Источник бесперебойного питания Smart Prof 1100 (ИБП)
Блок №5 GPS приемник ALPHA-G3 (GPS)
Блок №6 Преобразователь TCC-100 (ПР)
X1
X2 НЧ электрические линии связи ПР приемника и блока №2
X3 USB электрические линии связи блока №1 (БУС2) с ПК
X4 USB электрические линии связи блока №1 (АЦП2) с ПК
X5 НЧ электрические линии связи блока №1 и блока №2 (GPS)
X6 Электрическая связь ИБП с блоком №2 (~220 В)
X7 Электрическая связь ИБП с ПК (~220 В)
X8 USB электрические линии связи блока №1 (БУС1-1) с ПК
X9 USB электрические линии связи блока №1 (АЦП1) с ПК
X10 Электрическая связь ИБП с блоком №1 (~220 В)
X11 Сетевой кабель (~220 В)
ПР TCC-100 (фирма "MOXA") предназначен для преобразования сигналов интерфейса RS-232C, поступающих от приемника GPS, в сигналы интерфейса RS-422 на блоки ПРД и ПРМ.
Все блоки, входящие в Комплекс, разделяются на передающую, приемную и управляющую радиотехнические системы (РТС), управляемые встроенными МК, которые через последовательные интерфейсы связаны с ПК. Вся информация, обеспечивающая функционирование отдельных РТС и Комплекса в целом, выводится для контроля на рабочее место оператора ПК. При необходимости она может выводиться на внешние устройства и сети связи. Так как отдельные РТС Комплекса могут выполнять свои функции самостоятельно, то в них предусмотрена возможность ручного управления. Взаимодействие РТС, входящих в состав Комплекса, строится на основе локальной электрической связи МК БУС с МК РПДУ, МК РПУ и с процессором ПК через стандартные последовательные порты.
Блоки АЗИ являются функционально законченными РТС и объединены соответствующими функциональными связями. Общая упрощенная структурная схема межблочных соединений АЗИ представлена на рис.3, а обозначения блоков, их наименования и межблочные электрические соединения указаны в табл. 2.
Модульный принцип построения АЗИ позволяет в процессе эксплуатации производить её дальнейшее совершенствование в направлениях: передовой технологии электронных комплектующих изделий и приборов, адаптивного подавления помех и коррекции искажений в радиоканале, а также совершенствование потоков управления каналами передачи данных. Достижения в двух первых направлениях обеспечат повышение надежности работы и обработки сигналов, а достижения в третьем направлении, имеющем исключительную важность для сети, придадут ей дополнительную гибкость и живучесть.
АЗИ работает в режимах ВЗ ионосферы и НЗ радиолиний. Рассмотрим состав и работу РТС АЗИ в этих режимах.
Режим ВЗ ионосферы. В этом режиме блок №1 (ПРД) излучает непрерывный зондирующий ЛЧМ сигнал с жестко установленными параметрами: начальная частота fH=1,8 МГц, конечная частота fK=16 МГц, скорость изменения частоты df/dt=80 кГц/с (или 100 кГц/с). Блок №2 (ПРМ) принимает отраженные от ионосферы ЛЧМ сигналы в этом же (1,8 - 16 МГц) диапазоне частот.
АРМ в этом режиме совместно с МК БУС1 ПРД и МК БУС2 ПРМ выполняет функции контроля и управления РПДУ, входящего в состав ПРД (блок №1) и РПУ, входящего в состав ПРМ (блок №2) соответственно. С ПК на МК БУС1 и БУС2 поступают данные о времени зондирования и о параметрах ЛЧМ сигнала. Рассмотрим функционирование ПРД и ПРМ в этом режиме по отдельности.
Функционирование ПРД (блок №1). По команде с ПК функции управления ПРД передаются МК БУС1. МК диагностирует технические средства ПРД на работоспособность (исправность) и в заданное в расписании ПК время по сигналам точного времени БУС1 формирует стартовый импульс. При этом субблок ПУЦС БУС1 совместно с возбудителем РПДУ начинает формировать зондирующий непрерывный ЛЧМ сигнал в диапазоне 1,8 - 16 МГц. Этот сигнал усиливается по мощности в широкополосном усилителе мощности (ШУМ) и поступает на передающую антенну для ВЗ ионосферы. В случае возникновения рассогласования и перегрузок выходных каскадов ШУМ, происходит их отключение с помощью МК и в ПК передается сообщение о неисправности. При этом формирование ЛЧМ сигнала в субблоке ПУЦС БУС1 не прерывается и в случае восстановления согласования возобновляется режим излучения. МК БУС1 по последовательному интерфейсу CI-V обеспечивает автоматическую работу ПРД в режиме ВЗ ионосферы. По окончании режима излучения зондирующего ЛЧМ сигнала БУС1 совместно с передатчиком РПДУ переходит в дежурный режим ожидания команды с ПК. Прерывание режима зондирования возможно только при поступлении команды с ПК АРМ о передаче СИ.
Функционирование ПРМ (блок №2). По команде с ПК функции управления ПРМ передаются МК БУС2. МК диагностирует технические средства ПРМ на работоспособность (исправность) и в заданное в расписании ПК время по сигналам точного времени БУС2 формирует стартовый импульс, который поступает на АЦП2. При этом субблок ПУЦС БУС2 начинает формировать непрерывный ЛЧМ сигнал первого гетеродина РПУ в диапазоне частот 10,8106 - 25,0106 МГц. Отраженный от ионосферы ЛЧМ сигнал принимается антенной ВЗ и через антенный вход ПРМ поступает на вход РПУ, в котором происходит его корреляционная обработка, т.е. ЛЧМ сигнал «сжимается» по спектру. Преобразованный сигнал с выхода второй ПЧ РПУ поступает на аналоговый вход АЦП2, в котором происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. Цифровой сигнал через USB электрическую линию связи поступает в ПК, в котором по стандартным (Фурье анализ, БПФ) и специализированным программам происходит цифровая обработка сигнала. Далее ПК выводит обработанные данные на дисплей ПК в виде графических картинок высотно-частотной (ВЧХ) и амплитудно-частотной (АЧХ) характеристик (ионо-грамма ВЗ), рассчитанный профиль электронной концентрации по данным зондирования, а также табличные данные основных характеристик ионосферы, которые также сохраняются в файле.
Режим НЗ радиолиний (передача). В этом режиме блок №1 (ПРД) излучает непрерывный зондирующий ЛЧМ сигнал с заданными в расписании параметрами: начальная частота fH, конечная частота fK, скорость изменения частоты df/dt. Блок №2 (ПРМ) не работает.
АРМ в этом режиме совместно с МК БУС1 ПРД выполняет функции контроля и управления РПДУ. С ПК на МК БУС1 поступают данные о времени зондирования и о параметрах ЛЧМ сигнала.
По команде с ПК функции управления ПРД передаются МК БУС1. МК диагностирует технические средства ПРД на работоспособность (исправность) и в заданное в расписании ПК время по сигналам точного времени БУС1 формирует стартовый импульс. При этом субблок ПУЦС БУС1 совместно с возбудителем РПДУ начинает формировать зондирующий непрерывный ЛЧМ сигнал в заданном диапазоне частот (Af=fK-fH). Этот сигнал усиливается по мощности в широкополосном усилителе мощности (ШУМ) и поступает на передающую антенну для НЗ ионосферы. В случае возникновения рассогласования и перегрузок выходных каскадов ШУМ, происходит их отключение с помощью МК и в ПК передается сообщение о неисправности. При этом формирование ЛЧМ сигнала в субблоке ПУЦС БУС1 не прерывается и в случае восстановления согласования возобновляется режим излучения. МК БУС1 по последовательному интерфейсу CI-V обеспечивает автоматическую работу ПРД в режиме излучения непре-
рывного ЛЧМ сигнала при НЗ ионосферных радиолиний. По окончании режима излучения зондирующего ЛЧМ сигнала БУС1 совместно с передатчиком РПДУ переходит в дежурный режим ожидания команды с ПК. Прерывание режима зондирования возможно только при поступлении команды с ПК.
Режим НЗ радиолиний (приём). В этом режиме блок №1 (ПРД) функционирует в режиме приема непрерывного ЛЧМ сигнала с заданными в расписании параметрами: начальная частота £н, конечная частота скорость изменения частоты df/dt. Блок №2 (ПРМ) не работает.
АРМ в этом режиме совместно с МК БУС1 выполняет функции контроля и управления РПДУ, входящего в состав ПРД (блок №1). С ПК на МК БУС1 поступают данные о времени зондирования и о параметрах ЛЧМ сигнала. По команде с ПК функции управления ПРД передаются МК БСУ1. МК диагностирует технические средства ПРД на работоспособность (исправность) и в заданное ПК время по сигналам точного времени субблок БУС1 формирует стартовый импульс, который поступает на АЦП1. При этом субблок ПУЦС БУС1 начинает формировать непрерывный ЛЧМ сигнал первого гетеродина РПУ в диапазоне частот (М=64+(£к...£н) МГц). Распространяющейся в ионосферной радиолинии непрерывный ЛЧМ сигнал принимается антенной НЗ и через антенный вход ПРД поступает на вход РПДУ, в котором происходит его корреляционная обработка, т.е. ЛЧМ сигнал «сжимается» по спектру. Преобразованный сигнал с выхода второй ПЧ РПДУ поступает на аналоговый вход АЦП1, в котором происходит преобразование аналогового сигнала в цифровую форму. Цифровой сигнал через ^В электрическую линию связи поступает в ПК, в котором по стандартным (Фурье анализ, БПФ) и специализированным программам происходит цифровая обработка сигнала. Далее ПК выводит обработанные данные на дисплей ПК в виде графических картинок дальностно-частотной (ДЧХ) и амплитудно-частотной (АЧХ) характеристик (ионограмма НЗ), рассчитанную электронную концентрацию в области отражения сигнала максимально наблюдаемой для данной радиолинии частоте по данным зондирования, а также табличные данные основных характеристик ионосферной радиолинии, которые также сохраняются в файле. Возможны и другие режимы функционирования АЗИ при использовании двух радиоприёмных каналов в составе АЗИ.
2. Типы и форматы данных. Экспериментальные данные комплекса образуют иерархию, для пояснения этого факта введем понятие уровня экспериментальных данных [5,41]. Данные большего по номеру уровня получаются из данных меньшего уровня; данные меньшего по номеру уровня не могут быть получены из данных большего по номеру уровня. Имеются следующие данные (по уровням): 1 -оцифрованный сигнал (отсчеты) с выхода РПУ; 2 - ионограммы, спектры помех; 3 - треки мод, спектр фонового шума, характеристики станционных помех; 4 -АЧХ КВ радиолиний, модели многолучевости, оптимальные рабочие частоты, отношение сигнал/шум и др.; 5 - статистика вариаций данных уровня 4.
Основным типом исходных данных, которые подвергаются вторичной обработке, являются оцифрованные отсчеты сигнала с выхода РПУ (сигнала разностной частоты ЛЧМ-ионозонда или сигнала уровня помех КВ диапазона), т.е. данные уровня 1. Вообще же, исходными данными могут быть данные уровней 1.4 для получения данных большего по номеру уровня.
Необходимо различать организацию хранения данных в памяти и формат файлов на внешних устройствах. Так, в файлах не хранятся избыточные данные, то есть те данные которые можно вычислить на основе имеющихся ("базовых"), а в памяти эти избыточные ("вычислимые") данные могут храниться для увеличения скорости доступа к этим "вычислимым" данным (при этом надо обеспечивать механизмы синхронного пересчета вычислимых данных при изменении базовых). С другой стороны, файлы очень большого размера (десятки-сотни мегабайт) обычно не загружаются в память целиком, а обрабатываются блоками. Так что организация хранения данных в памяти и на внешних устройствах может сильно различаться.
При разработке и программной реализации хранения данных в оперативной памяти использовалось ООП (объектно-ориентированное проектирование) - каждый тип данных был представлен классом, объединяющим в себе поля для хранения данных и методы, реализующие операции над этими данными.
Поскольку, как было сказано, файлы не содержат избыточных полей данных, рассмотрение основных типов данных проведем на основе форматов файлов. Каждый из перечисленных ниже форматов включают заголовок, расположенный в самом начале файла. В начале заголовка содержится некоторая сигнатура, позволяющая идентифицировать тип файла (хотя для каждого типа файлов расширение имени специфично, идентификация типа файла по расширению имени очень ненадежна). Также в заголовках всех типов имеются поля, хранящие дату и время, соответствующие началу сеанса получения данных 1-го уровня (оцифрованных отсчетов сигнала с выхода РПУ). Данные более высоких уровней "наследуют" значения этих полей (кроме данных 5-го уровня, так как они получены на основе обработки больших массивов данных нижних уровней). Например, четыре файла (1,2,3,4 уровней соответственно) - файл отсчетов, файл ионограммы НЗИ (построенной по этому файлу отсчетов), файл треков ионограммы (выделенных на этой ионограмме) и файл АЧХ многолучевой КВ радиолинии (АЧХ, вычисленной по этому файлу треков) - будут иметь в заголовках равные поля даты и времени (и равные дате и времени начала сеанса НЗИ). Естественно, что поля даты и времени в заголовках никак не связаны с атрибутами даты и времени создания (модификации, и др.) файла, хранящимися в файловой системе ОС.
305
Надо отметить, что существует множество форматов хранения данных радиозондирования, которые создавались разработчиками соответствующих программно-аппаратных средств (в основном это касается ионограмм вертикального зондирования). Например, в [23] описаны форматы данных ионозон-дов (разных поколений), созданных в ИСЗФ СО РАН (Иркутск). Известны форматы ионограмм ("IG2") и оцифрованных отсчетов ("SEQ"), разработанные в МарГТУ Егошиным А.Б. [22] и Батухтиным В.И. под руководством Шумаева В.В. Существуют и другие форматы.
Общим недостатком всех этих форматов является неуниверсальность, т.е. ориентация на конкретное программное (а иногда и аппаратное) обеспечение, выражающаяся в невозможности использования этих данных в существующем "стандартном" ПО обработки данных (ПО обработки сигналов, математическом ПО, и т.п.); а также затруднении интеграции научного ПО, разработанного в разных научных коллективах (и использующего несовместимые форматы данных). С целью преодоления последнего недостатка, предпринимаются попытки использования формата XML. Что нельзя признать хорошим решением, так как, во-первых, все-таки не решаются проблемы со "стандартным" ПО, и, во-вторых, формат XML является текстовым и не приспособлен для хранения бинарных данных (хранение бинарных данных в формате XML, вообще, возможно - например путем преобразования в печатные символы посредством схемы base64; но это приводит к увеличению размеров файлов в разы по сравнению с бинарными).
Поэтому для файлов отсчетов и ионограмм (наиболее важные типы данных) были выбраны универсальные бинарные форматы, позволяющие устранить указанные недостатки - WAV и PNG соответственно. При этом пришлось решать задачи приспособления этих форматов для реализации некоторых несвойственных им функций.
Рассмотрим форматы файлов основных типов данных.
1. Оцифрованные отсчеты сигнала с выхода РПУ. Данные 1-го уровня. В заголовке хранятся параметры временного ряда отсчетов (частота дискретизации, число отсчетов, разрядность отсчетов), режим (НЗИ, измерение помех, АЧХ РПУ), в котором получены эти отсчеты, и параметры режима (радиолиния, диапазон частот, скорость перестройки и др.).
Все данные 2-го уровня могут быть получены только из файлов отсчетов.
Для сохранения данных этого вида был выбран формат WAV. Такой выбор был сделан для облегчения использования существующих программ цифровой обработки сигналов (например, SpectraLAB) и программ для цифровой обработки звука (например, SoundForge). Стоит также отметить, что популярный математический пакет MATLab позволяет работать с WAV файлами, равно как и его свободно доступные аналоги, а также средства анализа данных на основе многочисленных библиотек Python.
Формат WAV (являющийся частным случаем формата RIFF) допускает создание в файле различных дополнительных ("информационных") секций. Эти секции можно использовать в т.ч. для хранения информации о параметрах сеанса зондирования.
Основной концепцией RIFF-формата является т.н. chunk — порция данных с заголовком; заголовок состоит из сигнатуры, указывающей на содержимое chunks, и размера данных chunks [42].
"Основные данные", т.е. оцифрованный сигнал с выхода РПУ хранится аналогично звуковым данным (т.е. последовательность двух chunks: "fmt " и "data" — как принято в "обычном" WAV файле для хранения звука).
После этих данных находится chunk с "нашим" заголовком. Это реализовано в виде стандартного chunks INFO, включающего стандартные chunks ICMT, INAM, ISBJ, ISFT, ISRF.
В chunk ICMT помещается поясняющая информация (комментарий) из одноименной колонки расписания ("Поясняющая информация").
В chunk ISRF помещается заголовок с параметрами сеанса. Заголовок преобразован из бинарного вида в печатные символы. Это (преобразование) сделано потому, что программы редактирования звуковых файлов ожидают увидеть в chunks ISRF именно текстовую информацию, так что могут отказаться открывать файл с бинарным содержимым chunks ISRF или могут его испортить. В chunk ISRF помещается структура c параметрами сеанса, предварительно преобразованная в печатные символы.
В chunk ISBJ помещается полное строковое наименование трассы. Хотя это название можно сформировать (по координатам пунктов, хранящимся в заголовке в ISRF и названиям пунктов, хранящимся в файле описания приемных/передающих пунктов), это сделано на случай потери файла пунктов.
Chunk INAM зарезервирован для будущего использования.
2. Ионограммы. Данные 2-го уровня. Получаются в режиме НЗИ. В начале файла ионограммы - заголовок с параметрами НЗИ: частотным диапазоном и скоростью зондирования, идентификатором радиолинии, положением полосы анализа НЗИ. За заголовком - спектры разностного сигнала, из которых и состоит ионограмма. Обычно записывается не весь спектр разностного сигнала, а в полосе анализа НЗИ, выровненной по границам спектральных элементов.
Для хранения ионограмм выбран формат PNG.
Интересно отметить, что рассматривался также формат GIF, показавший лучшие результаты (меньший размер файла) при сохранении ионограммы с точностью 4 бита на пиксель (16 цветов), чем PNG при идентичных условиях. Однако, GIF "проиграл" при сохранении ионограммы с точностью 8 бит на пиксель (256 цветов), а именно такую точность решено было использовать.
Формат JPG не рассматривался, т.к. это формат с потерей данных. Случай сохранения ионо-граммы с точностью 4 бита на пиксель (16 цветов) проверялся потому, что, как правило, ионограмма представляется в определенной 11-цветной палитре (и только при создании картинок для печати требуется серая палитра). Однако, было принято решение для повышения точности представления амплитуды сигнала использовать 8 бит на пиксель. Поэтому, для сохранения видимости тех же 11 цветов (ставшими стандартом де-факто в определенном кругу специалистов) приходится формировать 256-цветную палитру с 11-ю диапазонами одинаковых цветов, т.е. количество одинаковых цветов в каждом диапазоне палитры примерно равно 256/11, а точнее: все диапазоны палитры, кроме последнего, имеют размер по 23 цвета, последний имеет размер 26 цветов. При использовании такой палитры остается возможность легко перейти к серой 256-цветной палитре, и, что важно, не менять при этом значения самих пикселей — достаточно только смены палитры.
Основные данные ионограммы (спектрограмма спектров мощности сигнала с выхода приемника ионозонда — зависимость амплитуды сигнала от частоты зондирования и времени группового запаздывания радиоволн) помещены в виде, "готовом для просмотра" стандартными программами просмотра картинок, т.е. имеются оси, надписи и пр. Поэтому для получения программного доступа к основным данным ионограммы, в заголовке записываются параметры, означающие сдвиг информационного поля основных данных ионограммы относительно верхнего левого угла изображения; учет этих сдвигов позволяет работать с данными ионограммы как с двумерным массивом.
Для хранения параметров сеанса измерения используется опциональная секция файла PNG, называющаяся zTXt (подробнее о секции zTXt см. стандарт PNG: "11.3.4.4 zTXt Compressed textual data" [43]). В эту секцию помещается структура с параметрами сеанса, предварительно преобразованная в печатные символы. Такое преобразование делается потому, что стандартная программа просмотра изображений Windows не поддерживает PNG формат полностью, т.е. считает ошибочными дополнительные бинарные секции, несмотря на то, что они валидны с точки зрения стандарта PNG [43] (создание дополнительных бинарных секций было опробовано и такие PNG файлы просматриваются большинством программ просмотра и обработки изображений, к каковым не относится упомянутая стандартная программа просмотра изображений Windows; так что от такого - самого естественного - пути пришлось отказаться и помещать параметры сеанса в секцию zTXt преобразованными в печатные символы, как это сказано выше).
3. Панорама спектра помех. Данные 2-го уровня. Получаются в режиме измерения помех. В начале файла - заголовок с параметрами измерения помех [5,12]. После заголовка - один или несколько массивов спектра мощности помех. Массивов больше одного, если было произведено несколько сканирований частотного диапазона (n > 1). Один массив может быть либо, если было проведено одно сканирование (n = 1), либо если все сканирования были усреднены (этот факт отмечается в специальном поле заголовка).
4. Панорама спектра фонового шума. Данные 3-го уровня. Получаются из панорамы спектра помех. После заголовка - два массива: массив спектра мощности фонового шума и массив частот (равный по размерности массиву спектра), на которых соответствующие элементы спектра фоновых помех были получены [5,12].
5. Характеристики сосредоточенных помех. Данные 3-го уровня. Получаются из панорамы спектра помех. После заголовка - три массива: массив - распределение ширин сосредоточенных помех; массив с числами сосредоточенных помех на частотных интервалах; массив с частотными интервалами (пары чисел в виде структуры), занятыми сосредоточенными помехами, превышающими заданный уровень.
6. Треки (траектории мод). Данные 3-го уровня. Получаются по ионограмме. В начале - заголовок, содержащий информацию о радиолинии и параметрах ее зондирования (как в ионограмме), а также некоторые дополнительные служебные атрибуты. Затем - массив областей ионограммы (прямоугольных и непрямоугольных). Область характеризуется своими границами (структура с четырьмя полями для прямоугольных, массив структур для непрямоугольных). Есть два варианта этого файла: для выделенных треков с апроксимацией следа трека полиномами и вариант выделенных компонент полезного сигнала. Соответственно, для первого из этих вариантов далее в файле трека, после массива областей, располагаются два массива (и поля, хранящие число их элементов): массив для хранения коэффициентов аппроксимирующего полинома траектории трека моды и массив с АЧХ парциальной моды (АЧХ моды обычно сглажена медианным фильтром). Для второго варианта файла, после массива областей, располагаются массивы битовых масок сигнальных компонент, выделенных на ионограмме.
7. Файлы АЧХ КВ радиолинии. Данные 4-го уровня. Получаются по трекам ионограммы НЗИ [4,5]. В начале - заголовок, содержащий информацию о радиолинии и параметрах ее зондирования (как в ионограмме), а также параметры вычисления АЧХ. Затем собственно АЧХ КВ радиолинии - массив коэффициентов.
8. Файлы АЧХ РПУ. Данные 2-го уровня. Получаются в режиме калибровки РПУ. За заголовком - массив коэффициентов (АЧХ РПУ) - зависящий от частоты коэффициент усиления РПУ.
9. Файлы выделенных моделей многолучевости. Данные 4-го уровня. Получаются с использованием информации о треках ионограммы НЗИ. За заголовком - массив структур, имеющих три поля: начальную и конечную частоты диапазона многолучевости и номер модели многолучевости [4,5].
Следует упомянуть также о формате файла расписания. Это не файл экспериментальных данных, но расписание работы является важнейшим элементом разработанного измерительного комплекса, обеспечивающим работу в автоматическом режиме. В начале файла - заголовок. За заголовком - массив строк расписания (строка здесь - не в смысле последовательность символов). Строка расписания -структура с полями: время; режим; параметры обработки, которые будут установлены при активации этой строки. Эти параметры делятся на: не зависящие от режима и зависящие от режима. Параметры, не зависящие от режима: нужно ли ожидать стартовый импульс, нужно ли сохранять файл оцифрованных отсчетов, уровень "громкости" звуковой карты и др. Параметры, зависящие от режима для режима НЗИ: начальная и конечная частоты зондирования, скорость зондирования, ширина спектра, полоса анализа по задержке разностного сигнала, весовая оконная функция, параметры сглаживания спектров по Уэлчу.
3. Архитектура программного обеспечения измерительного комплекса. Разработанное автором ПО комплекса радиозондирования состоит из подсистем первичной и вторичной обработки [5,13,16]. Под первичной обработкой понимается автоматическая регистрация и сохранение полученных данных в реальном времени; возможна также индикация получаемых данных. Вторичная обработка заключается в анализе полученных данных с удобной для человека скоростью (включая пакетную обработку большого массива данных с целью вычисления статистических характеристик).
Рис. 4. Общая схема ПО комплекса
На Рис.4 показана информационная схема ПО измерительного комплекса с встроенными в него подсистемами измерения помех и подавления (режектирования) сосредоточенных помех.
ПО первичной обработки было реализовано для двух операционных систем (ОС) : Linux и MS Windows (ОС выбирается в зависимости от состава аппаратуры и требований конкретного исполнения).
ПО вторичной обработки реализовано для ОС MS Windows. Так как оно работает с файлами данных, то является общим для всех реализаций комплекса поскольку соблюдается совместимость форматов данных.
3.1. ПО первичной обработки. ПО первичной обработки состоит из двух основных подсистем: подсистемы управления и подсистемы регистрации данных. Подсистема регистрации (оцифровки) может быть реализована как на основе стандартной звуковой карте ПЭВМ, так и на основе различных специализированных АЦП. Подсистема управления является общей, независимо от используемых устройств оцифровки. Подсистема регистрации (оцифровки) ниже описана для случая использования звуковой карты.
Для обеспечения гибкости, переносимости и расширяемости подсистема управления разделена на следующие слои:
1. низкоуровневые ОС-зависимые процедуры доступа к портам ПЭВМ;
2. классы для работы с субблоками комплекса низкоуровневыми командами субблоков;
3. классы для работы с функциональностью субблоков комплекса в терминах их функций (классы "виртуальных устройств");
4. сеансы режимов измерений.
Характер комплекса предполагает работу в автоматическом режиме (без непосредственного участия человека), когда по заданному расписанию происходит автоматическая смена рабочего режима и его параметров. После запуска работы по расписанию (нажатия на кнопку Старт или автозапуска) выбирается ближайший к текущему времени сеанс среди всех сеансов работы указанных в расписании.
Например, для режима НЗИ-приема, в строке расписании указывается название передающего пункта (приемный пункт - текущий, определяется или задается при старте программы); время запуска tпуска с точностью до секунд; задержка Лт, относительно старта, компенсирующая время распространения сигнала в ионосфере; начальная, конечная частота и скорость ЛЧМ сигнала и др. За несколько секунд (задается; как правило, равно 5 сек) Л^одг до времени запуска сеанса tPacn в синтезатор отправляется команда запуска режима и параметры режима. С наступлением заданного времени tnycKa (равное tVacn плюс заданная задержка Лт) от синтезатора на правый канал звуковой карты (или на особый вход специализированного АЦП) поступает сигнал запуска сеанса (см. рис. 5). Длительность пускового сигнала - 50 мс. Если в заданный период (задается; как правило, равен 5 сек; на рис.5 не показан) пусковой сигнал не был получен, программа уточняет время от синтезатора и переходит к следующему по расписанию режиму.
^подг Lрас}} ^пуска.
At-поог Лт
Рис. 5. Временная диаграмма запуска сеанса
Для программного управления работой по расписанию предназначен отдельный программный поток (thread), вычисляющий по расписанию время ближайшего старта tpacn (среди всех строк загруженного расписания выбирается ближайшая по времени) и засыпающий до момента времени 4одг. После пробуждения в tnодг, этот поток создает объект сеанса, заданного в расписании (и с параметрами заданными в расписании). Объект сеанса, в соответствии с заданными в расписании параметрами и спецификой заданного режима измерений, управляет объектами виртуальных устройств, которые, в свою очередь, через 2 и 1 слои управляют соответствующими субблоками комплекса.
В варианте комплекса с АЦП звуковой карты, из-за специфики ожидания стартового импульса, далее происходит следующее. Если в параметрах выбранной строки расписания (сеанса) задано ожидание стартового импульса, то производиться ожидание момента времени 4одг, по наступлении этого момента времени запускается оцифровка, далее происходит ожидание стартового импульса как это описано выше. Если в параметрах выбранной строки расписания (сеанса) не задано ожидание стартового импульса, то производиться ожидание момента времени, tpacn, затем запуск оцифровки без ожидания стартового импульса.
LKi Расписание работы Я - О |х|
■ J Время J Режим | Трасса Начал^ Конеик] Скорое] Шири(-| Диапа] 1 Спектр HepeKf Полос
* 12 00 |НЗИ j-j Хабаровск - Йошкар-Ола 1 30 100 100 20 1 50
в 27 оо нзи Хабаровск - Йошкар-Ола А 30 100 100 20 А 50
гт-з ■ : л —; 42 00 Помехи Неопределенная трасса г 32 10000
— 57 00 Помехи Неопределенная трасса 2 32 10000
* 02 00 НЗИ Магадан - Йошкар-Ола 5.9 29 99.3531 ion го 1 50
s 17: 00 НЗИ Магадан - Йошкар-Ола 5.9 28 99.9531 100 20 1 50
32 00 Доплер Магадан - Йошкар-Ола
Z 47 00 Доплер Магадан - Йошкар-Ола
— 07 00 НЗИ 1п£к]р (Великобритания V А, 1 30 100 100 20 А 50
я 37 00 НЗИ 1пвк|р (Великобритания г>' 1.1 30 100 100 20 1 50
ж _ г\ 00 НЗИ ^уЫЬтлН (Шпицберген НГ- 3.7 30 100 100 20 1 50
* _ 51 00 нзи З^аПзагс! (Шпицберген 781ч 3.7 30 100 100 го 1 50
Jj
Добавить I Дублер. | 17 Парам, поумолч. Полн.шир. | Заг.шир. | Ср.шир. | Удалить I Мин.эапр. | Сод.шир. | Мин.шир. |
Рис. 6. Пример расписания работы, показанного в табличном виде
Расписание может быть показано в табличном виде (рис.6 и 7). При этом сеансу работы соответствует строка в таблице. Каждому задаваемому параметру соответствует столбец. Задание и редактирование параметров удобнее осуществлять прямо в таблице.
Пользовательский интерфейс разработан на основе библиотеки Qt, имеющей реализации как для ОС Linux, так и Microsoft Windows. ОС-зависимые процедуры управления аппаратурой реализованы для каждой из ОС раздельно.
Во время сеанса происходит отображение текущих получаемых данных. Так в режиме НЗИ-приема в окне программы первичной обработки выводится спектр мощности текущего блока данных, выводится ионограмма — в уменьшенном масштабе ионограмма по всей полосе частот разностного сигнала (т.е. по всему диапазону межмодовых задержек) и в масштабе 1:1 ионограмма в заданной полосе частот разностного сигнала (см. рис. 7).
Наклонное зондирование КВ - приемный пункт: Йошкар-Ола
И
2009.05,25 13:15 Кипр (35М34Е) - Йошкар-Ола (56,63М47,87Е)
I
Частота дискретизации, Гц: 11025 Время сбора 1 блока данных, сек: 1 Число блоков данных: 249 Спектральный анализ:
Усреднений по Уэлчу (на весь блок данных): 2 Число точек БПФ, оно же размер подблока: 8192
Перекрытие подблоков; %: 65 Весовое окно (на каждый подблок): Окно Кьмминга
Полное число спектральных элементов ("большой" ионограммы): 4097 Полный диапазон задержек ("большой" ионограммы); мс: 55,125
л]
Идет сеанс оцифровки 1
Рис. 7. Главное окно ПО первичной обработки во время измерений
3.2. ПО вторичной обработки. Вторичная обработка экспериментальных данных подразумевает обработку после эксперимента, в отличие от первичной обработки, проводящейся во время эксперимента в реальном масштабе времени.
ПО вторичной обработки включает (но не ограничивается):
ПО построения ионограмм НЗИ и ВЗИ с заданными параметрами спектральной обработки (весовые окна, перекрытие спектров, число точек БПФ и др.), а также с возможностью предварительного подавления сосредоточенных помех;
ПО построения панорамы и оценки характеристик различных видов помех КВ диапазона;
ПО оценки тонкой структуры АЧХ и ее характеристик.
ПО вторичной обработки предоставляет также возможности просмотра полученных данных, поиска, группировки. Это необходимо для просмотра сохраненных данных, причем с удобной для человека скоростью, используя функции навигации по выбранному файлу данных (прокрутка вперед, назад, в начало, в конец, изменить масштаб и др.).
ПО вторичной обработки предназначено для работы с иерархией экспериментальных данных, включая возможности перегенерации производных данных и возможности просмотра имеющихся данных. Кроме того, оно обеспечивает программную инфраструктуру для реализации, отладки и апробации новых алгоритмов обработки данных зондирования.
Связь ключевых характеристик АЧХ
КВ-радиолипии е параметрами модели^
Рис. 8. Диаграмма исследования характеристик моделей МЛ
В качестве примера рассмотрим функционирование ПО вторичной обработки при сборе статистики вариаций межмодовых задержек (разностей времен группового запаздывания различных мод распространения КВ), АЧХ парциальных мод и АЧХ радиолинии в целом [4-6,8], а также классификации этих данных по т.н. эмпирическим моделям многолучевости (МЛ); основные этапы этого процесса показаны на рис.8. Ионограмма, извлекаемая из банка данных (БнД) НЗИ, может предварительно обрабатываться по алгоритму подавления сосредоточенных помех [5,7,11] (на диаграмме не показано). Далее происходит выделение треков мод полезного сигнала.
Н
¡1
IV
тТ тПт •
т т "ПтТ иШ [1()| 111 ,1 [П11 Т I I Ь I И1
|1 Ж11 ШИ ИШ 11 ЩИ [И1
ЛГ=1005 N=996 ^=871
IV
п
И
И
1.'
¡¥=880
2
Время, часы
ОТ
тГ
^' "
- 1 т!
.111 II ш± [1111
ттП( пУ' '1'
-■'.тД' ¡Ш- ...о,11
11
Щ I
468
Время, часы
2-1 3-1 4-1
Рис. 9. Суточные вариации межмодовых задержек
Время, часы
Один из результатов такой обработки массива ионограмм - суточные вариации межмодовых задержек (разностей времен группового запаздывания) - показан на рис.9 [5]. Радиолинии обозначены 21 - Хабаровск - Йошкар-Ола (5700 км), 3-1 - Великобритания - Йошкар-Ола (3100 км) и 4-1 - Кипр -Йошкар-Ола (2600 км). Римскими цифрами обозначены эмпирические модели многолучевости - сочетания определенных типов мод радиосигнала: (в скобках даны обозначения для двухскачковой радиолинии 2-1): II - №2, №2п ^2, 2F2п); IV - №2, 2F2 ^2, 3F2); X - №2, 2F2, 3F2 ^2, 3F2, 4F2); в названиях мод подстрочными "п" обозначены Педерсеновские моды. Для трехмодовой модели X приведено по два графика (разности второй и третей задержек относительно первой). Буквой N обозначено число ионо-грамм по которым получен каждый график (и на которых присутствовала данная модель многолучево-сти).
Разумеется, возможности вторичной обработки далеко не ограничиваются представленными в примере; ПО может быть использовано для получения новых радиофизических данных, в том числе для исследования диффузной многолучевости, эффектов магнитоионного расщепления КВ радиоволн, рассеяния КВ радиоволн на ионосферных неоднородностях, обнаружении искусственных неоднородностей в нагревных экспериментах и других исследований, требующих, подобно перечисленным исследованиям, достижения высокого разрешения по частоте и времени группового запаздывания радиоволн, а также требующих возможностей оперирования большими объемами разнообразных экспериментальных данных.
Разработанные средства просмотра ионограмм включают возможности как быстрого просмотра большого массива ионограмм со "стандартным" разрешением, так и средства детального просмотра выбранной ионограммы с возможностью задания разрешений по частоте зондирования и времени группового запаздывания, что достигается путем перестройки ионограммы по оцифрованному сигналу сеанса с выхода ионозонда.
При задании размеров (а значит и разрешений) возможны следующие случаи.
1. Задание размера ионограммы "по горизонтали" (т.е. по частоте зондирования).
Разрешение по частоте зондирования определяется числом N блоков ("спектров", вертикальных линий ионограммы), это число может быть задано напрямую или может вычисляться в ответ на события соответствующего визуального элемента управления разрешением (механизм зумирования по-
средством мыши). При разбиении отсчетов сеанса на эти блоки и выполнения над ними БПФ, может потребоваться либо дополнение нулями до ближайшего 2к (к - целое), если отсчетов брать M/N штук (где M - общее количество отсчетов сеанса); либо брать блоки с перекрытием, что задается опционально. Тогда разрешение "по вертикали" (т.е. по времени группового запаздывания) в этом случае определяется по размерам m блока отсчетов для БПФ, и равно (m/2 + 1).
2. Задание размера ионограммы "по вертикали" (по времени группового запаздывания).
Исходя из заданного размера ионограммы "по вертикали" (фактически соответствующему числу спектральных элементов в спектре, который требуется получить) определяется размер блока отсчетов ("число точек БПФ"). Тогда из размера блока отсчетов определяется число таких блоков и отсюда определяется размер ионограммы "по горизонтали" (по частоте зондирования).
3. Случай изменения разрешения по обеим осям.
Требование определенного "числа пикселей" по вертикали (числа элементов спектра) определяет соответственный выбор размера блока. В то же время, должно выполняться требование определенного "числа пикселей" по горизонтали (числа блоков, числа спектров). Очевидно, что оба требования одновременно невозможно выполнить без перекрытий блоков.
Случаи 1 и 2 демонстрируют своего рода принцип неопределенности при построении ионо-граммы, когда улучшение разрешения по одному параметру достигается за счет ухудшения разрешения по другому параметру. Причем, надо отметить, что речь идет о разрешениях только процесса обработки, не учитывая аппаратурные разрешения ионозонда.
Случай 3 также не позволяет обойти данный принцип неопределенности, хотя это не так очевидно. Кажущееся увеличение "числа точек" одновременно по обеим осям, способно дать новую информацию только за счет преодоления некоторых побочных эффектов оконного периодограммного спектрального анализа, а именно в случае более удачного попадания локализованного по времени процесса в одно из окон (блоков) и, соответственно, более точного определения характеристик этого процесса при этом.
Программно реализованы также возможности гибкой настройки отображения амплитуды. Поскольку человеческий глаз способен различать весьма небольшое число оттенков одного цвета (или градаций яркости), а применение различных цветов не позволяет интуитивно воспринимать величину амплитуды по цвету (без специальных тренировок), то имеется проблема отображения амплитуды "без потери разрешения". Основная идея предложенного решения заключается в том, чтоб поместить в диапазон яркостей, воспринимаемых человеческим глазом, интересующий диапазон амплитуд. Например, диапазон наибольших изменений амплитуды сигнала (что позволяет детальнее видеть эти изменения). Или, другой пример, путем отнесения к такому диапазону всех точек полезного сигнала (алгоритм выделения точек полезного сигнала приводился в [5]), достигается ситуация, когда полезный сигнал ионограммы занимает больший интервал яркостей, чем фоновый шум ионограммы.
Заключение. Представленное в статье ПО состоит из двух больших частей. Первая - это ПО первичной обработки, предназначенной для автоматизации измерений в реальном времени, индикации, регистрации данных и управления аппаратурой радиозондирования, первичной обработки результатов. Вторая - ПО вторичной обработки, предназначенное для извлечения самой разнообразной информации из сохраненных данных. Показано, что разработанное ПО первичной обработки позволяет производить регистрацию и первичную обработку в реальном времени автоматически без непосредственного постоянного участия человека, а ПО вторичной обработки включает возможности для работы с иерархией экспериментальных данных, в т.ч. возможности перегенерации производных данных и возможности просмотра имеющихся, а также пакетной обработки больших массивов данных для исследования их статистических характеристик. Всё представленное ПО разработано автором лично, включая общую концепцию и архитектуру ПО. Описанные методики измерений и алгоритмы разработаны при непосредственном участии автора в сотрудничестве с А.А.Колчевым, В.В.Шумаевым и А.Е.Недопекиным [4,7-12]. Аппаратура комплекса разработана В.В.Шумаевым и А.Г.Черновым.
Важной отличительной чертой представленного программного комплекса является использование стандартных (но доработанных в пределах их стандартов) форматов файлов данных для сохранения результатов радиозондирования; это радикально расширяет доступный спектр стороннего ПО для дальнейшей обработки этих данных.
Дальнейшее развитие представленного ПО планируется в направлении использования достижений теории обучения машин в целях автоматизации обработки данных радиозондирования. Планируется создание функционала обработки данных радиозондирования в интересах адаптации ЗГ радиолокационных станций КВ диапазона к ионосферной обстановке [2,3,18,19]. Также планируется проработка возможностей интеграции представленного комплекса с комплексами имитационного моделирования радиотехнических систем (причем в полунатурном варианте комплексов возможна интеграция не только вторичной, но и первичной обработки).
Список литературы
1. Филипп Н.Д., Блаунштейн Н.Ш., Ерухимов Л.М., Иванов В.А., Урядов В.П. Современные методы исследования динамических процессов в ионосфере. Кишинев: Штиинца, 1991. 286 с.
2. Акимов В.Ф., Калинин Ю.К. Введение в проектирование ионосферных загоризонтных радиолокаторов. М.: Техносфера, 2017. 492 с.
3. Giuseppe Fabrizio. High Frequency Over-the-Horizon Radar: Fundamental Principles, Signal Processing, and Practical Applications. McGraw-Hill Education, 2013.
4. Колчев А.А., Щирый А.О., Недопекин А.Е. Математические модели и методики измерения АЧХ многолучевых ионосферных коротковолновых радиолиний: монография. Мар. гос. ун-т. Йошкар-Ола, 2013. 147 с.
5. Щирый А.О. Разработка и моделирование алгоритмов автоматического измерения характеристик ионосферных коротковолновых радиолиний: Дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Санкт-Петербургский гос. университет телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича. 2007. 199 c.
6. Shiriy A.O. HF channel transmit function module measurement. Proceedings of 5th International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering, APEDE2002. 5. 2002. P.365-369.
7. Патент РФ № 2290756. Колчев А.А., Щирый А.О. Способ подавления сосредоточенных помех при приеме непрерывного линейно-частотно-модулированного сигнала. Дата заявки: 23.05.2005. Дата публикации: 27.12.2006 (Исправл. опубл. 10.06.2007). 5 c.
8. Колчев А.А., Щирый А.О. Восстановление частотной зависимости комплексного коэффициента отражения по данным наклонного ЛЧМ-ионозонда. Оптика атмосферы и океана. 2007. Т.20. № 7. С. 627-630.
9. Колчев А.А., Щирый А.О. Оценивание параметров сосредоточенных по спектру помех на выходе приемника ЛЧМ ионозонда. Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2007, № 5. c.54-61.
10. Колчев А.А., Шумаев В.В., Щирый А.О. Измерительный комплекс для исследования эффектов многолучевого ионосферного распространения коротких волн. Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2008. Т. 51. № 12. С. 73-79.
11. Колчев А.А., Щирый А.О. Режекция сосредоточенных по спектру помех при ЛЧМ зондировании ионосферы. Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2006, т.ХЫХ, № 9. с.751-759.
12. Колчев А.А., Шумаев В.В., Щирый А.О. Гибкоперестраиваемая методика измерения радиопомех. Технологии электромагнитной совместимости. 2007, № 1. с. 50-54.
13. Щирый А.О. Программное обеспечение управления базовой станцией ионосферного мониторинга. Инженерный вестник: Информатика, радиофизика, управление. 2005. №2. с.204-207.
14. Щирый А.О. Гибкая перестройка ионограмм наклонного радиозондирования ионосферы в процессе вторичной обработки. Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2011. №14. с.138-140.
15. Щирый А.О. Развитие средств автоматизации наземного радиозондирования ионосферы. Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2014. Т.14. №5. c.170-173.
16. Щирый А.О. Архитектура программной части аппаратно-программного комплекса дистанционного наземного радиозондирования ионосферы. Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2015. №18. с.144-152.
17. Щирый А.О. Развитие программного обеспечения вторичной обработки данных дистанционного наземного радиозондирования ионосферы. Вестник Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". Сер.: Радиофизика и Ионосфера. Харьков: НТУ "ХПИ". 2016. № 34 (1206). с.78-83.
18. Щирый А.О. О перспективах использования некоторых современных достижений ионосферного радиозондирования при воссоздании ЗГ РЛС эшелона СПРН. XXV Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC2019). Воронеж, 16-18 апреля 2019. Воронеж: Изд. дом ВГУ, 2019. Т.3. c.226-234.
19. Щирый А.О. Перспективы применения машинного обучения для адаптации загоризонтных радиолокационных станций декаметрового диапазона к геофизическим условиям. Постановка задач и возможные подходы. V Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем» («Радиоинфоком-2021»). М.: РТУ МИРЭА, 2021. c.781-786.
20. Галкин И. А. Программное обеспечение системы автоматической обработки ионограмм вертикального зондирования. I. Первичная обработка ионограммы. Препринт СибИЗМИР СО АН СССР, №20-87. Иркутск,1987.17с.
21. Галкин И. А. Программное обеспечение системы автоматической обработки ионограмм вертикального зондирования. II. Интерпретация высотно-частотной характеристики. Препринт СибИЗ-МИР СО АН СССР, № 22-88. Иркутск, 1988. 13 с.
22. Егошин А.Б. Автоматизированная система адаптивной обработки сигналов со сверхбольшой базой для радиозондирования ионосферных радиолиний. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Марийский гос. техн. ун-т. Йошкар-Ола, 2003. 25 c.
23. Ким А.Г., Матюшонок С.М. Структура и формат данных ЛЧМ-ионозонда ИСЗФ СО РАН: Препринт ИСЗФ СО РАН №8-06. Иркутск: Институт солнечно-земной физики СО РАН, 2006. 12 с.
24. Пономарчук С.Н., Грозов В.П., Котович Г.В., Михайлов С.Я. Обработка и интерпретация ионограмм вертикального и наклонного зондирования для диагностики ионосферы на базе ЛЧМ-ионозонда. Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М.Ф. Ре-шетнева. 2013. № 5(51). С. 163-166.
25. Зыков Е.Ю., Минуллин Р.Г., Шерстюков О.Н., Акчурин А.Д. Автоматическая обработка ионограмм в ионосферном комплексе "Циклон-10". Ионосферные исследования. №50. Казань: Изд. Каз-ГУ, 1997. с.232-243.
26. Зазнобина Е.Г., Ососков Г.А. Применение нейронных сетей в анализе данных вертикального зондирования ионосферы. Препринт ОИЯИ Р10-93-404, Дубна, ОИЯИ, 1993. 10 с.
27. Piggot W. R., Rawer K. URSI hand book of ionogram interpretation and reducion. World Data Centre A. Rep. UAG-23A. Boulder, 1978, 206 p.
28. Патент РФ №2697433. Цыбуля К.Г. Способ автоматического определения параметров ионосферных слоев по ионограммам. Дата заявки: 26.10.2018. Дата публикации: 14.08.2019. 9 с.
29. Гивишвили Г.В., Крашенинников И.В., Лещенко Л.Н. Ионозонд "Парус-А": новый измерительный комплекс ИЗМИРАН // Электромагнитные и плазменные процессы от недр Солнца до недр Земли: Юбилейный сборник ИЗМИРАН-75. Москва: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, 2015. С. 150-159.
30. Reinisch B.W., Galkin I.A. New Digisonde for research and monitoring applications. Radio Science. 2009; 44. doi: 10.1029/2008RS004115.
31. Bamford, Ruth. D42-1 Oblique ionospheric sounding final report. November 2000. Radiocommunications Agency, DTI, Ofcom, RCRU.
32. Juha Vierinen. GNU Chirp Sounder [web]. Sodankylâ Geophysical Observatory. [Электронный ресурс] URL: https://www.sgo.fi/~j/gnu_chirp_sounder (дата обращения: 17.09.2022).
33. Daniel Estévez. Using CODAR for ionospheric sounding [web]. Scientific & Technical Amateur Radio — Home of EA4GPZ/M0HXM. [Электронный ресурс] URL: https://destevez.net/2017/12/using-codar-for-ionospheric-sounding (дата обращения: 17.09.2022).
34. D. Joshi, N. Frissell, W. Liles, J. Vierinen and E. S. Miller. Early Results from the Ionospheric Sounding Mode Using Chirp Ionosondes of Opportunity for the HamSCI Personal Space Weather Station. 2021 XXXIVth General Assembly and Scientific Symposium of the International Union of Radio Science (URSI GASS), 2021. P. 1-3. DOI: 10.23919/URSIGASS51995.2021.9560441.
35. Barona Mendoza, Jhon Jairo and Quiroga Ruiz, Carlos Fernando and Pinedo Jaramillo, Carlos Rafael. Implementation of an Electronic Ionosonde to Monitor the Earth's Ionosphere via a Projected Column through USRP. Sensors. Vol.17. 5. ARTICLE-NUMBER 946.
36. Колчев А.А., Щирый А.О. Алгоритм автоматического выделения спектральных компонентов сигнала на ионограмме. Материалы десятого научно-практического семинара "Новые информационные технологии". М.: Московский гос. ин-т электроники и математики, 2007. С. 102-107.
37. Недопекин А.Е. Адаптация стандартных критериев тестирования статистических выбросов для выделения сигнала ЛЧМ-ионозонда. Журнал Радиоэлектроники: электронный журнал. 2013. №9. [Электронный ресурс] URL: http://irc.cplire.ru/ire/sep13/5/text.pdf (дата обращения: 17.09.2022).
38. Недопекин А.Е. Метод обнаружения сигнала ЛЧМ-ионозонда в частотной области с учетом уширения принимаемых мод ионосферного распространения. Журнал Радиоэлектроники: электронный журнал. 2015. №10. [Электронный ресурс] URL: http://ire.cplire.ru/ire/oct 15/5/text.pdf (дата обращения: 17.09.2022).
39. Щирый А.О. Методики измерения помех ДКМ диапазона в интересах адаптации загори-зонтных РЛС к ионосферной обстановке // Материалы VII Всероссийской научной конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды». - СПб.: ВКА имени А. Ф. Можайского, 2022. С.174-179.
40. Максимов М.В., Бобнев М.П., Кривицкий Б.Х., Горгонов Г.И., Степанов Б.М., Шустов Л.Н., Ильин В.А. Защита от радиопомех. Под ред. М.В.Максимова. М.: Сов. радио, 1976. 496 с.
41. Щирый А.О. Алгоритмы и программное обеспечение автоматизации процессов измерений и обработки данных оперативной диагностики ионосферы и ионосферных радиолиний // Журнал радиоэлектроники. - 2022. №10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.10.4
42. RIFF (Resource Interchange File Format) [web]. Wikipedia. [Электронный ресурс] URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/RIFF (дата обращения: 22.06.2022)
43. Portable Network Graphics (PNG) Specification (Second Edition) - ISO/IEC 15948:2003 [web]. W3C. [Электронный ресурс] URL: http://www.w3.org/TR/PNG (дата обращения: 22.06.2022).
Щирый Андрей Олегович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, АО «НПК «НИИДАР», доцент, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, научный сотрудник НИУ ВШЭ, [email protected], Россия, Москва, НИУ ВШЭ
HARD WARE AND SOFTWARE PROBLEM-ORIENTED MEASURING EQUIPMENT FOR OPERATIONAL DIAGNOSTICS IONOSPHERES AND IONOSPHERIC RADIO LINES
A.O. Schiriy 314
The main architectural principles and technical solutions adopted during the development of the hardware and software complex for operational diagnostics of the ionosphere and ionospheric radio lines are presented. A brief description of measurement techniques and measuring equipment is given. The problems of automation of the measurement process itself and data registration have been solved, allowing to organize the work of the complex according to a given schedule without direct human participation. The problems of extracting information from the obtained experimental data, including working with the hierarchy of experimental data, including the possibilities of degeneration of derived data, as well as the possibilities of batch processing of large data arrays for the study of their statistical characteristics.
Key words: ionosphere, ionosphere radiosonding, ionograms, ionogram processing, multipath propagation of short radio waves, measurement automation.
Schiriy Andrey Olegovich, candidate of technical sciences, senior scientist, NIIDAR, docent, Timirya-zev RGAU-MSHA, scientist, [email protected], Russia, Moscow, HSE university
УДК 534.26:539.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-315-325
РАССЕЯНИЕ ЗВУКА НА УПРУГОМ СЛОИСТОМ ШАРЕ С НЕКОНЦЕНТРИЧЕСКОЙ
СФЕРИЧЕСКОЙ ПОЛОСТЬЮ
М.В. Окороков
Получено аналитическое решение задачи дифракции плоских звуковых волн на упругом, находящемся в идеальной жидкости, слоистом шаре с произвольно расположенной сферической полостью, в которой вакуум. На основе аналитического решения задачи в дальней зоне акустического поля были построены диаграммы направленности рассеянного поля для разных случаев расположения полости в теле. Проанализировано изменение отражения звука во всех направлениях при изменении расположения полости в шаре.
Ключевые слова: дифракция звука, упругий шар, неконцентрическая полость, диаграммы направленности.
В настоящее время известны решения широкого круга задач дифракции акустических волн на упругих однородных сферических телах и сферических оболочках. Работа [1] посвящена изучению обратного рассеяния плоской звуковой волны на металлической сфере, помещенной в жидкость. В работе [2] анализируется акустическое поле, рассеянное алюминиевой сферической оболочкой, наполненной воздухом и находящейся в воде. В [3] изучена возможность моделирования непрерывно-неоднородного покрытия упругого однородного шара системой однородных упругих слоев. Отражение звука от полых упругих сфер, находящихся в воде и в воздухе, исследовано в [4, 5]. В [6] проведено сравнение численных и экспериментальных результатов исследования эхо-сигналов от полых алюминиевых сфер в воде.
Дифракция звука на упругих однородных телах с произвольно расположенными полостями изучена недостаточно. С математической точки зрения такие задачи являются более сложными. Известно лишь небольшое число работ по этой тематике, например [7]. Рассеяние звука на упругих слоистых телах с произвольно расположенными полостями ранее не исследовалось.
Данная статья посвящена изучению звукоотражающих свойств слоистых упругих сферических тел с произвольно расположенными полостями. Ниже приведено аналитическое решение задачи о рассеянии плоской звуковой волны упругим шаром, покрытом слоем материала (далее «упругим слоистым шаром») и имеющем неконцентрическую полость, и представлены диаграммы направленности рассеянного поля, построенные на основе полученного решения.
Рассмотрим однородный упругий шар радиуса Rl. Пусть он имеет произвольно расположенную сферическую полость радиуса Ro, в которой находится вакуум. Материал упругого шара имеет плотность р1 и модули упругости А.1 и ц^. Шар покрыт однородным упругим слоем радиусом R2, плотность слоя - р2, модули упругости - X2 и ц2. Сферическое тело окружает идеальная жидкость плотностью р. Скорость звука в жидкости равна c. Свяжем со сферическим телом и его полостью прямоугольные системы координат Х1, У1, ^ и д^, У2, Z2 так, чтобы соответствующие оси обеих систем координат были одинаково ориентированы, а начала координат находились в центрах шара и полости соответственно. Пусть из внешнего пространства на упругое тело падает плоская гармоническая звуковая волна, которая распространяется в направлении оси Zl.
