Ионозонды — испытательные приборы, используемые для получения ионограмм и помогающие определять состояние ионосферы и выбирать оптимальные частоты для КВ-радиосвязи.
Чтобы получить представление о состоянии ионосферы для различных видов радиосвязи, используется испытательный прибор, известный как ионозонд. Испытательный прибор иногда также называют эхолотом вертикального падения, VIS, и это название дает представление о работе ионозонда. Ионозонды и получаемые ими ионограммы являются важными контрольными приборами, используемыми для исследования состояния ионосферы. Выходные данные, которые они производят, могут дать представление о состоянии ионосферы над ними, которое можно использовать для создания картины того, каковы ионосферные условия в данный момент.
Предоставлено производителем, Scientific Instrumentation Ltd., Саскатун, Канада
Регистрируя состояние ионосферы с помощью ионозонда, можно составить картину фактического состояния ионосферы в данный момент, а также в данной точке земного шара. Используя сеть этих контрольно-измерительных приборов по всему миру, можно построить более точную картину и использовать эти данные для определения оптимальных частот для каналов ВЧ-вещания и радиосвязи, как ближнего, так и дальнего действия.
Что такое ионозонд
Концепция ионозонда заключается в том, что это форма испытательного прибора, который передает импульсы РЧ-мощности вертикально вверх. Затем он получает отраженный сигнал, и это показывает много деталей об ионосфере над ним.
Из диаграммы видно, что сигнал направлен вверх в сторону ионосферы. Сигнал нарастает, и в какой-то момент возможно, что он отражается обратно на Землю и принимается приемной антенной и системой. Сигнал обычно импульсный, как и у обычного радара, и, используя временную задержку для отраженного сигнала, можно определить высоту отражения.
Соответственно, можно видеть, что ионозонд фактически является специализированной формой импульсного радара, который используется для обнаружения ионизации в ионосфере. График выходных данных ионозонда называется ионографом, и в первые дни его можно было бы распечатать на бумаге, но современные системы, очевидно, будут использовать компьютерные технологии, сохраняя данные для обработки и отображения по мере необходимости.
Сигнал от ионозонда начинается с низкой частоты и увеличивается по частоте. Первоначально сигнал отражается обратно ионосферой, но по мере увеличения частоты он проникает глубже в соответствующую область и в конечном итоге переходит в следующую ионизированную область, где происходит тот же процесс, когда частота увеличивается. В конце концов достигается точка, в которой сигнал проходит через все области ионосферы и не отражается.
Существует временная задержка между передачей сигнала и приемом отраженного сигнала. Зная скорость, с которой распространяются сигналы, можно преобразовать ее в цифру расстояния или высоты. Существует множество инструментов, которые использовались на протяжении многих лет от разных производителей и с разными характеристиками, но по сути все они выполняют одну и ту же функцию.
В технологии ионозондов было сделано много разработок. Аналоговые системы использовались до 1970-х годов. Все эти системы охватывают соответствующие части спектра, обычно от примерно 1 МГц до 15–25 МГц. Обычно они использовали относительно высокий уровень мощности, часто до 25 кВт. Развертки могли занимать от 30 секунд до 2 минут, что давало им возможность наблюдать за относительно краткосрочными изменениями в ионосфере.
С 1970-х годов используются цифровые системы. Они обеспечивают, по сути, то же самое, что и аналоговые, но предоставляют значительно больше возможностей, и они могут гораздо легче манипулировать данными, поскольку они используют вычислительную технику и технологию цифровой обработки сигналов. Хотя ионозонд можно установить практически в любом необходимом месте, ряд станций расположен по всему миру, и данные многих из них хранятся в Мировом центре данных А в Боулдере, США.
Ряд станций ионозондов работает по всему миру, но с сокращением использования ВЧ-части спектра для радиосвязи и т. д. используется меньше ионозондов, хотя некоторые из них время от времени используются для исследований.
Что такое ионограмма
Ионограмма — это форма графика, создаваемая ионозондом. По сути, это график зависимости высоты от частоты. Вертикальная ось показывает высоту, а горизонтальная ось показывает частоту.
Из ионограммы можно увидеть критические частоты для каждой из областей или слоев ионосферы. Они помечены как f 0 для каждого слоя или области. Другими словами, f 0 E — критическая частота для области E и т. д. Из диаграммы видно, что сигнал направляется вверх и первоначально поглощается слоем D и отражения не видно.
По мере того, как сигнал поднимается по частоте, он начинает отражаться обратно к земле областью E, и задержка в получении импульса позволяет определить приблизительную высоту. С увеличением частоты высота отражения увеличивается по мере того, как сигнал проникает дальше в область Е. В конечном итоге скорость, с которой сигнал проникает в область при заданном увеличении частоты, увеличивается по мере того, как сигнал достигает точки, в которой он проходит через область. Фактическая частота, с которой он проходит через область E, называется критической частотой, f 0 E.
Выше f 0 E сигнал достигает области F 1 (при условии, что область F разделилась на две), и процесс повторяется. Снова тот же процесс повторяется для F 2 , пока сигнал не пройдет через все различные области и не выйдет в космическое пространство. В действительности реальные ионограммы менее отчетливы, чем схематические, но можно различить те же основные закономерности.
Хотя можно получить ионограммы необработанных данных с ионозонда, большая часть данных в наши дни обрабатывается для получения более пригодных для использования данных и изображений.
На этой обработанной ионограмме необработанные точки представляют собой данные ионозонда, а затем кривые были подогнаны к данным, чтобы легче показать состояние ионосферы и способ, которым она может поддерживать радиосвязь.
Что внутри и ионозонд
Ионозонды представляют собой сложные элементы контрольно-измерительной аппаратуры. Они созданы специально для проверки состояния ионосферы. Несмотря на то, что они имеют много общего с другими формами импульсных радаров, они являются специализированными, поскольку обычно предназначены для использования на частотах примерно от 1 МГц до 30 МГц.
История развития ионозонда
Современные ионозонды восходят к развитию первых импульсных радиолокационных систем. Они используют точно такие же принципы, хотя их применение и используемые частоты сильно различаются. Хотя первые идеи для радара постулировались еще в самом начале 1900-х годов, только с началом Второй мировой войны сам радар широко использовался обеими сторонами. За это время развитие радиолокации продвинулось далеко вперед. Что касается разработки самого ионозонда, то в США был разработан первый импульсный радар и проведены эксперименты по технологии определения высоты проводящего слоя в верхних слоях атмосферы. Вскоре испытательный прибор стал называться ионозондом, и он был доработан для улучшения его характеристик.
К 1970-м годам цифровые технологии и технологии обработки начали влиять на конструкцию ионозондов. Используя технологию обработки, можно было обрабатывать результаты, а не просто вручную анализировать необработанные данные. Еще одним важным фактором, повлиявшим на развитие ионозонда, стало появление персонального компьютера. Это позволило оценить данные самого ионозонда на локальном компьютере. Эти персональные компьютеры были в состоянии обеспечить значительный уровень обработки.
В настоящее время большинство ионозондов связаны с компьютером и экраном, что позволяет мгновенно обрабатывать данные и получать мгновенные результаты, а также связывать их с другими ионозондами в сети, чтобы обеспечить более полное представление об ионосферных условиях и улучшить прием вещания, а также двусторонняя радиосвязь на КВ-диапазонах, подверженных ионосферным колебаниям.
Использование ионозондов является ключевым методом определения фактического состояния ионосферы. Имея несколько таких устройств, размещенных по всему земному шару, можно определить хорошее представление о фактическом состоянии, и это можно использовать вместе с другими индикаторами для прогнозирования наилучших частот для использования для ВЧ-радиосвязи как на коротких, так и на длинных дистанциях. линии дальней радиосвязи.