Исследовательский ионозонд «Циклон»

Внедрение: 2008-2013 г.

В Казанском университете разработка семейства цифровых ионозондов «Циклон» ведется с 1983 г. [1]. 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. В качестве АЦП сбора информации использован модуль E20‑10 ([1], [2]). 

Обобщенная блок-схема ионозонда показана на рисунке 1.
 

Рисунок 1. Структурная схема ионозонда «Циклон» [1] (см. примечание ниже).

Ионозонд «Циклон» (модернизации 2010 г.) имеет следующие характеристики:

• диапазон рабочих частот – от 1 до 32 МГц;
• длительность импульса, программируемая – от 10 до 800 мкс;
• мощность передатчика в импульсе – от 3 до 13 кВт;
• частота следования импульсов – от 1 до 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.

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 амплитудновременных реализаций с предварительным исследованием эфира и автоматическим выбором динамического диапазона приемника.

Пакет программ «Циклон-Рапид» реализован в виде многооконного дружественного интерфейса, объединяет ряд отдельных модулей, доступ к которым достигается через его основное меню. Общая структура программы «Циклон-Рапид» представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема программного обеспечения ионозондов «Циклон».

Рисунок 3. Цифровое квадратурное детектирование в ионозонде «Циклон» [2].

Рисунок 4. Программа «Циклон» во время зондирования и типичная ионограмма вертикального зондирования [2].

Заключение (по материалам презентации [2]):

• Разработанный алгоритм обработки ионограмм вертикального зондирования при применении созданных конверторов форматов может применяться для обработки данных, полученными различными ионозондами вертикального зондирования, что позволяет упростить процесс создания единых ионосферных баз данных.
• Созданное программное обеспечение позволяет корректно обрабатывать около 80 % ионограмм. Коэффициент ранговой корреляции по Кендаллу при этом между рядами данных, полученных автоматической и ручной обработкой, колеблется в диапазоне 0,8‑0,84. Метод гистограммных распределений позволил на порядок увеличить скорость обработки ионограмм, не ухудшая качество конечного результата.
• Созданная система устойчиво обрабатывает ионограммы, полученные в условиях средневозмущенной ионосферы. Исследования работоспособности программы показали, что в сложных ионосферных условиях она все же может давать недостоверные отсчеты ионосферных параметров. Для повышения точности работы в таких случаях рекомендуется использовать дополнительный логический анализатор.

Источники:
1. Зыков Е.Ю., Шерстюков О.Н., Акчурин А.Д. Исследовательский ионозонд «Циклон» Казанского университета и программное обеспечение автоматической обработки ионограмм // Гелиогеофизические исследования. – 2013. – Вып. 4. – С. 39‑46.

2. Зыков Е.Ю., Шерстюков О.Н., Акчурин А.Д. Исследовательский ионозонд «Циклон» Казанского университета и программное обеспечение автоматической обработки ионограмм: презентация: [Электронный ресурс] // Электронный научный журнал "Гелиогеофизические исследования". – 2013. – URL: http://vestnik.geospace.ru/present/iss4/pres39-46.pdf (Дата обращения: 24.11.2018).

Примечание от L‑Card: Как следует из рисунка 1, модуль E20‑10 с максимальной частотой преобразования 10 МГц оцифровывает сигнал промежуточной частоты 215 кГц с выхода приёмника Р‑399А. По всей видимости, показанный на рисунке альтернативный вариант модуля E14‑440 с максимальной частотой преобразования 0,4 МГц применялся для оцифровки сигнала с низкочастотного выхода данного приёмника. 

Разработчик: Зыков Е.Ю., Шерстюков