JP3621988B2

JP3621988B2 - イオノゾンデ装置

Info

Publication number: JP3621988B2
Application number: JP2001324105A
Authority: JP
Inventors: 義勝中村
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2021-10-22
Also published as: JP2003133835A; US6822574B2; US20030078731A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、到来電波の方探機能を有するイオノゾンデ装置に関し、特にアンテナの指向性による方探ではなく、到来電波の電磁界の解析による方探を行なうイオノゾンデ装置に関している。
【０００２】
【従来の技術】
イオノゾンデ装置は、周波数を連続的に掃引したパルス電波を上空に発射し電離層で反射された電波を地上で再び受信し、電離層から反射して戻ってくる電波の遅延時間から、電離気体の分布を表すイオノグラムを作成する電離層観測機である。従来のイオノゾンデ装置においては、十分な分解能を持った方探の機能が付加されておらず、方向について十分な知見を得ることができなかった。このため、イオノグラムにより電離層の状態を調べる場合、真上に打ち上げられた電波が真上から反射して戻ってくるということが仮定されて解析されてきた。この仮定は、電離層が平坦に広がる場合については正しいが、電離層が傾斜している場合や不規則に乱れている場合、あるいはまた微細構造をもつ場合には、正しくないことが知られている。このように、上記の仮定が成り立たない場合、真上に打ち上げられた個々のパルス電波が、どちらの方向から戻ってくるかが分かれば、イオノグラムの解釈をより厳密に行なうことができるため、より正確な電離層の状態の調査をすることができる。
【０００３】
従来のイオノゾンデ装置において到来電波の方探を行なうには、アドコックアンテナや、直交したループアンテナを用いて、方探を行なうことが知られている。しかし、電離層観測に用いられる短波帯においては、これらの装置の、方位誤差は数十度と大きく、電離層分布の方位成分についての知見を得るには十分でなかった。
【０００４】
方探の機能を持ったイオノゾンデ装置としては、ディジゾンデ装置が文献（ＲａｄｉｏＳｃｉｅｎｃｅ，１３（３）、５１９−５３０，１９７８）に報告されている。この装置のアンテナ系は、次のように構成されている。
【０００５】
ディジゾンデ装置のアンテナ系においては、十系統の直交ループアンテナを使用して方探を行い、打ち上げた個々のパルス電波が、どちらの方向から戻ってくるかという知見を得ている。
【０００６】
前記のイオノゾンデ装置で、ループアンテナが使われている点において、本発明と類似しているが、アンテナの指向性を用いて方位信号を得ており、この点において、本発明装置と相違している。
【０００７】
また、前記のイオノゾンデ装置で、直交ループアンテナの指向性を合成して得られる方位分解能は約３０度であり、電離層の構造を調べるには十分でない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方探機能をもつイオノゾンデ装置は、アンテナ指向性を利用していたが、イオノゾンデ装置の用いる短波帯においては方位の分解能が数十度と大きく、電離層構造を知るには不十分であるという問題点があった。
【０００９】
本発明は、電離層からの反射波の到来方向を、従来のものよりも改善された分解能で観測できる方探機能を付加したイオノゾンデ装置を提案することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における第１の発明は、送信部と受信部とを備え、その受信部は少なくとも１系統のループアンテナ系と２系統のダイポールアンテナ系の、計３系統のアンテナ系を備え、それぞれのアンテナ系により、該送信部から発射された到来電波の磁界Ｈｚの強度と、到来電波のそれに直交する電界Ｅｘの強度と、ＨｚおよびＥｘに直交する電界Ｅｙの強度とを計測し、それらの計測値を用いて、到来電波の到来方向ｎの方向余弦のｘ、ｙ成分を（ｎ_x、ｎ_y）とし、Ｚを固有インピーダンスとするとき、ｎ_x＝（ＨｚＥｘ^*−ＥｘＨｚ^*）Ｚ／（ＥｘＥｙ^*−ＥｙＥｘ^*）、また、ｎ_y＝（ＨｚＥｙ^*−ＥｙＨｚ^*）Ｚ／（ＥｘＥｙ^*−ＥｙＥｘ^*）なる関係に従って、到来電波の到来方向の方向余弦のｘ、ｙ成分を求めることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明における第２の発明は、送信部と受信部とを備え、その受信部は少なくとも１系統のダイポールアンテナ系と２系統のループアンテナ系の、計３系統のアンテナ系を備え、それぞれのアンテナ系により、該送信部から発射された到来電波の電界Ｅｚの強度と、到来電波のそれに直交する磁界Ｈｘの強度と、ＥｚおよびＨｘに直交する磁界Ｈｙの強度とを計測し、それらの計測値を用いて、到来電波の到来方向ｎの方向余弦のｘ、ｙ成分を（ｎ_x、ｎ_y）とし、Ｚを固有インピーダンスとするとき、ｎ_x＝−（ＥｚＨｘ^*−ＨｘＥｚ^*）／（ＨｘＨｙ^*−ＨｙＨｘ^*）Ｚ、また、ｎ_y＝−（ＥｚＨｙ^*−ＨｙＥｚ^*）／（ＨｘＨｙ^*−ＨｙＨｘ^*）Ｚなる関係に従って、到来電波の到来方向の方向余弦のｘ、ｙ成分を求めることを特徴としている。
【００１２】
また、第３の発明は、上記した第１の発明あるいは第２の発明の構成に加えて、受信部と送信部とが１０ｋｍ以上分離され、斜入射観測を行なうよう構成したことを特徴としている。
【００１３】
また、第４の発明は、ノイズの少ないイオノグラムを得るために、上記した第１の発明あるいは第２の発明の構成に加えて、送信部と受信部と信号処理部と表示部とを備え、その受信部は、少なくとも１系統のループアンテナ系と２系統のダイポールアンテナ系とを備え、あるいは、少なくとも１系統のダイポールアンテナ系と２系統のループアンテナ系とを備え、３系統のアンテナ系より得られた該送信部から発射された到来電波の電界強度あるいは磁界強度に関する３個の計測値の一次式、３個の計測値の二乗値の一次式、或いは３個の計測値の関数値をもって強度として、イオノグラムを表示または蓄積するようにしたことを特徴としている。
【００１４】
また、第５の発明は、電離層反射波の到来方向を容易に把握することができるようにするために、上記した第１の発明あるいは第２の発明の構成に加えて、送信部と受信部と信号処理部と表示部とを備え、その表示部においては、電離層反射波の到来方向を表示する際に、イオノグラムと併せて、ディレクトグラムを併用することを特徴としている。
【００１５】
また、第６の発明は、電離層反射波の到来方向を容易に把握することができるようにするために、上記した第１の発明あるいは第２の発明の構成に加えて、送信部と受信部と信号処理部と表示部とを備え、その表示部においては、ディレクトグラムの表示に複数の色による表示を行い、複数の到来方向の状況を表示するに当たって、異なる色相、彩度或いは明度を変えて表示し、且つ、イオノゾンデの表示に当たっては、その色相、彩度あるいは明度の予め決められた対応による色表示を行なうことを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の第１の実施形態を図１に基づいて詳細に説明する。図１に示す装置は、周波数掃引されたパルス電波を発射するための送信系と、そのパルス電波と同じ周波数の電波を受信する、ほぼ垂直のループアンテナ３をもつ受信系と、ループアンテナ面に平行な面内で相互に直交するダイポールアンテナ１、２を有する２つの受信系の、計３系統のアンテナ受信系により、到来電波のほぼ水平の磁界Ｈｚの強度と、Ｈｚと直交し、且つ相互に直交する電界Ｅｘ，Ｅｙの強度とを計測し、それらの計測値（振幅と位相を含む）から、受信電波の到来方向を算出するイオノゾンデ装置のブロック図である。このために、アンテナ１、２、および３で電波を受信し、その電波の電界と磁界のそれぞれの（ｘ、ｙ、ｚ）成分からなる６成分のうちの３成分をアンテナの出力信号とし、各信号を広帯域増幅器で増幅し、その信号を局部発振器（ＶＦＯ＝可変周波数発振器）からの信号とミキサ回路により混合して２ＭＨｚ程度の中間周波信号に変換したあと、その信号をさらに１０乃至５０ｋＨｚ程度の周波数帯に変換する。このように変換された３成分の信号を、ＡＤ変換部４で同時サンプリングによりＡＤ変換して、ディジタル信号とする。イオノグラム処理部５では、それらの３成分の信号強度からイオノグラムを作成して、表示部７へ送る。ここで、イオノグラムとは、図３に示すように、イオノゾンデによる観測記録であり、周波数を連続的に掃引したパルス電波を上空に発射し電離層で反射された電波を地上で再び受信し、その遅れ時間から電離層の見かけの高さを測定した記録である。
【００１７】
これと併せて、ディレクトグラム処理部６では、３成分の値をそれぞれＦＦＴ（高速フーリエ変換）を行い、予め測定あるいは計算により求めた測定装置に関する振幅と位相の変動の補正を行なった後、反射波の到来方向を算出してディレクトグラムを作成し、これを表示部７へ送る。ここでディレクトグラムとは、当該装置を設置する観測点の真上に原点をもつ高度一定の座標平面上に、観測点から見た電離層反射波の到来方向にその強度を投影することにより得られる図である。表示部７では、イオノグラムとディレクトグラムとを併せて表示する。またここでは、データの蓄積や記録なども行なう。
【００１８】
ここで、ディレクトグラム処理部６におけるＦＦＴ変換と補正はＡＤ変換部４の一部で行なってもよい。
【００１９】
本例において、ループアンテナの面は、上方からの電波を受信するため、ほぼ垂直に設置するが、イオノグラム作成時に直交ダイポールの受信信号により右旋と左旋の偏波識別が容易になるように、ループアンテナの面とｙ軸とを垂直から３０度程度傾けて、Ｅｙを受信するアンテナ２が水平電界に対して感度を持つよう設置するのがよい。
【００２０】
一般に到来電波を受信した場合のアンテナの電気信号出力は、アンテナによって異なるが、アンテナの入力インピーダンスの計算値から求めることができる。また標準となる電波信号を受信して、その電界強度あるいは磁界強度と電気信号出力との関係を求めることにより、容易に較正因子を得ることができる。この較正因子を用いることにより、アンテナの電気信号出力から、到来電波の電界強度あるいは磁界強度を求めることは容易である。
【００２１】
このように求めた到来電波の電界強度および磁界強度から以下のように到来電波の方向を求める。ｎを電波の到来方向の単位ベクトルとし、電波の全電界ベクトルをＥ、電波の全磁界ベクトルをＨ、空気中における電波の固有インピーダンスをＺとするとき、一般に知られている電波の進行方向（−ｎ）と電界Ｅ及び磁界Ｈとの間の直交関係より、電波の到来方向ｎに関する次の式が得られる。
【００２２】
【数１】

【００２３】
この式から、Ｈｚ、Ｅｘ、Ｅｙの共役複素数をそれぞれＨｚ^*、Ｅｘ^*、Ｅｙ^*とするとき、次の関係が容易に得られる。
【数２】

電離層反射波は楕円偏波であるので二式は異なる式である。
【００２４】
これから、到来電波方向のｘ、ｙ成分として、次の関係が得られる。
【数３】

【００２５】
上式はＨｚ、Ｅｘ、Ｅｙの絶対値を｜Ｈｚ｜、｜Ｅｘ｜、｜Ｅｙ｜とし、ＨｚとＥｘの位相差をδｚｘ、ＨｚとＥｙの位相差をδｚｙ、ＥｘとＥｙの位相差をδｘｙとすれば、次のように表すこともできる。
【数４】

【００２６】
このとき、θをｚ軸から測った電波の到来角、φをｘ−ｙ平面でｘ軸から反時計方向に測った電波の到来角とすれば、
【数５】

となる。
【００２７】
このように、到来電波の方向は、その、ほぼ水平の磁界Ｈｚと、Ｈｚと直交し、且つ、相互に直交する、ほぼ水平の電界Ｅｘとほぼ垂直の電界Ｅｙ、とから求めることができる。また、上記の方法は、アンテナの指向性を用いて到来電波の方位を求めるものでないため，到来電波に同調したアンテナを用いる必要がなく、小型のダイポールアンテナを用いることができる。従来のイオノゾンデにおいては、受信アンテナにほぼ垂直の大型のループアンテナを用いることが多いが、それに小型のダイポールアンテナを加えることにより、容易に方探のアンテナ系を構成できる。
【００２８】
次に第２の実施形態として、周波数掃引されたパルス電波を受信する、ダイポールアンテナをもつひとつの受信系と、ループアンテナをもつ２つの受信系の、計３系統のアンテナ受信系をもった方探イオノゾンデ装置を説明する。この装置のブロック図を図２に示す。このアンテナ系により、到来電波のほぼ垂直方向の電界Ｅｚの強度と、Ｅｚと直交し、且つ相互に直交するほぼ水平な、磁界Ｈｘの強度と、Ｈｙの強度と、を計測し、それらの計測値（振幅と位相を含む）から、以下のように到来電波の方向を求める。
【００２９】
数１は、ｎを電波の到来方向の単位ベクトルとし、電波の全電界ベクトルをＥ、電波の全磁界ベクトルをＨ、空気中における電波の固有インピーダンスをＺとするとき、次のように書くこともできる。
【数６】

【００３０】
この式から、Ｈｚ、Ｅｘ、Ｅｙの共役複素数をそれぞれＨｚ^＊、Ｅｘ^＊、Ｅｙ^＊とするとき、次の関係が容易に得られる。
【数７】

電離層反射波は楕円偏波であるので二式は異なる式である。
【００３１】
これから、到来電波方向のｘ、ｙ成分として、次の関係が得られる。
【数８】

【００３２】
上式はＥｚ、Ｈｘ，Ｈｙの絶対値を｜Ｅｚ｜、｜Ｈｘ｜、｜Ｈｙ｜とし、ＥｚとＨｘの位相差をδｚｘ、ＥｚとＨｙの位相差をδｚｙ、ＥｘとＥｙの位相差をδｘｙとすれば、次のように表すこともできる。
【数９】

【００３３】
このように、到来電波の方向は、その、相互に直交するほぼ水平な磁界Ｈｘ、Ｈｙと、ほぼ垂直方向の電界Ｅｚとから求めることができる。上記の方法では、上方から到来する電波に対して、ダイポールアンテナの受信感度が増すように、ｚ軸を垂直方向から傾け、ダイポールアンテナを垂直から傾けて方探を行うこともできる。
【００３４】
また、上記の方法は、アンテナの指向性を用いて到来電波の方位を求めるものでないため，到来電波に同調したアンテナを用いる必要がなく、小型のダイポールアンテナを用いることができる。従来のイオノゾンデにおいては、受信アンテナにほぼ垂直の大型のループアンテナを用いることが多いが、それにひとつの小型のループアンテナとひとつの小型のダイポールアンテナを加えることにより、簡易に方探のアンテナ系を構成できる。
【００３５】
また、これらのアンテナの配置について、２つの同形のループアンテナを用いる場合には、ループの面を直交するよう、また、それぞれの中心が同じようになるように配置することができるが、ダイポールアンテナは、ループアンテナから、なるべく接近しているが、しかしループアンテナが電界を乱さない程度に離間した距離において配置することが望ましい。大型のループアンテナと小型のループアンテナを用いる場合には、大型のループアンテナが磁界、電界を乱さない程度に離間した距離において小型のループアンテナとダイポールアンテナを配置することが望ましい。
【００３６】
本発明のイオノゾンデ装置においては、電界の受信にあたり、上記したダイポールアンテナ以外のアンテナとして、その変形アンテナも用いることができる。また、同様に、磁界を受信するためのループアンテナ以外のアンテナとして、その変形アンテナも用いることができ、これにより装置を小型化することができる。
【００３７】
上記のように、本発明のイオノゾンデは、アンテナの指向性による方探ではなく、到来電波の、任意の方向の磁界とそれに直交する２電界、或いは、到来電波の、任意の方向の電界とそれに直交する２磁界を計測し、その３個の計測値（振幅と位相を含む）の電磁界解析により方探を行う機能を有する。
【００３８】
人工の電波である電離層観測波は、一般に電波雑音より強度が大きく、また、位相も安定している。このため、短波帯での方位精度は、誤差３度程度にすることができる。
【００３９】
本発明のイオノゾンデ装置においては、受信波の単位標本化時間当たり３個の計測値が得られるので、これらの３個の計測値の一次式（電磁界強度）、３個の計測値の二乗値（電磁界エネルギー強度）の一次式、或いはその３個の計測値を用いてイオノグラムの強度を与えたり、取捨選択したりすることにより、Ｓ／Ｎ比の良いイオノグラムを得ることができる。
【００４０】
本装置においては、観測する対象に応じて、送信部と受信部を１０ｋｍ以上隔てて設置して、地表の法線から斜め方向に電波を発射し、電離層で反射された電波が上記の受信部のアンテナに斜め方向から入射する斜入射観測装置として用いることもできる。
【００４１】
本装置で得られた到来方向の情報を表示するに当たっては、ディレクトグラムをイオノグラムと重ね合わせた表示か、接近した表示により、明確に電離層の状態を把握することができる。
【００４２】
また、ディレクトグラムを色表示して周波数，偏波等に応じて色相，彩度、明度等を変えて表示することにより、到来方位の変化を一層識別しやすくなる。また、これに対応して、イオノグラムのトレスの色表示を行えば、イオノグラムの情報と到来方位の関係を一層明確にできる。表示に記号、文字を用いることもできる。
【００４３】
上記のように構成されたイオノゾンデ装置を使用すれば、電離層反射波の到来方向を電磁界成分から算出できるので、アンテナの指向性に依存せずに個々の電離層反射波の到来方向を高い精度で測定することができるようになった。
【００４４】
また、得られたディレクトグラムやイオノグラムを、上記のように色別にして有効に表示することにより、電離層反射波の到来方向を容易に把握することができるようになった。
【００４５】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００４６】
本発明の第１の発明により、イオノゾンデ装置の受信部にひとつの磁界受信系アンテナと２つの電界受信系アンテナの、計３系統のアンテナ系を設けることにより、電波の電界及び磁界の３成分を受信し、３成分の演算から電離層反射波の到来方向を求める構成にしたので、従来の装置に比べ、精度よく到来電波の方位を求める事ができるようになった。
【００４７】
本発明の第２の発明により、イオノゾンデ装置の受信部に、第１の発明と異なりひとつの電界受信系アンテナと２つの磁界受信系アンテナの、計３系統のアンテナ系を設けることにより、電波の電界及び磁界の３成分を受信し、３成分の演算から電離層反射波の到来方向を求める構成にしたので、従来の装置に比べ、精度よく到来電波の方位を求める事ができるようになった。このことにより、第１の発明と合わせて柔軟にアンテナ系を構成する事ができるようになった。
【００４８】
また、第３の発明により、送信部と受信部とを相応の距離をおいて隔てて設置して斜入射観測を行なう事により、頭上から離れた場所の電離層を効果的に観測できるようになった。
【００４９】
また、第４の発明により、得られた３個の計測値の一次式、３個の計測値の、二乗値の一次式、或いは３個の計測値の関数値をもって強度として、イオノグラムを表示または蓄積するようにしたので、よりノイズの少ないイオノグラムを得ることが容易になった。
【００５０】
さらに、第５あるいは第６の発明により、イオノグラムと合わせて、ディレクトグラムを併用して表示し、しかもその表示を色相、彩度、明度等を変えた表示とすることにより、周波数や偏波による到来方向の変化を容易に識別することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ふたつのダイポールアンテナ系とひとつのループアンテナ系を持つイオノゾンデ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ひとつのダイポールアンテナ系とふたつのループアンテナ系を持つイオノゾンデ装置の構成を示すブロック図である。
【図３】イオノグラムの例を示す図である。
【符号の説明】
１、２、１３ダイポールアンテナ
３、１１、１２ループアンテナ
４ＡＤ変換部
５イオノグラム処理部
６ディレクトグラム処理部
７表示部

Claims

送信部と受信部とを備え、その受信部は少なくとも１系統のループアンテナ系と２系統のダイポールアンテナ系の、計３系統のアンテナ系を備え、それぞれのアンテナ系により、該送信部から発射された到来電波の磁界Ｈｚの強度と、到来電波のそれに直交する電界Ｅｘの強度と、ＨｚおよびＥｘに直交する電界Ｅｙの強度とを計測し、それらの計測値を用いて、到来電波の到来方向ｎの方向余弦のｘ、ｙ成分を（ｎ_x、ｎ_y）とし、Ｚを固有インピーダンスとするとき、ｎ_x＝（ＨｚＥｘ^*−ＥｘＨｚ^*）Ｚ／（ＥｘＥｙ^*−ＥｙＥｘ^*）、また、ｎ_y＝（ＨｚＥｙ^*−ＥｙＨｚ^*）Ｚ／（ＥｘＥｙ^*−ＥｙＥｘ^*）なる関係に従って、到来電波の到来方向の方向余弦のｘ、ｙ成分を求めることを特徴とするイオノゾンデ装置。
送信部と受信部とを備え、その受信部は少なくとも１系統のダイポールアンテナ系と２系統のループアンテナ系の、計３系統のアンテナ系を備え、それぞれのアンテナ系により、該送信部から発射された到来電波の電界Ｅｚの強度と、到来電波のそれに直交する磁界Ｈｘの強度と、ＥｚおよびＨｘに直交する磁界Ｈｙの強度とを計測し、それらの計測値を用いて、到来電波の到来方向ｎの方向余弦のｘ、ｙ成分を（ｎ_x、ｎ_y）とし、Ｚを固有インピーダンスとするとき、ｎ_x＝−（ＥｚＨｘ^*−ＨｘＥｚ^*）／（ＨｘＨｙ^*−ＨｙＨｘ^*）Ｚ、また、ｎ_y＝−（ＥｚＨｙ^*−ＨｙＥｚ^*）／（ＨｘＨｙ^*−ＨｙＨｘ^*）Ｚなる関係に従って、到来電波の到来方向の方向余弦のｘ、ｙ成分を求めることを特徴とするイオノゾンデ装置。
請求項１あるいは請求項２に記載のイオノゾンデ装置において、受信部と送信部とが１０ｋｍ以上分離され、斜入射観測を行うよう構成したことを特徴とするイオノゾンデ装置。
請求項１あるいは請求項２に記載のイオノゾンデ装置において、送信部と受信部と信号処理部と表示部とを備え、その受信部は、少なくとも１系統のループアンテナ系と２系統のダイポールアンテナ系とを備え、あるいは、少なくとも１系統のダイポールアンテナ系と２系統のループアンテナ系とを備え、３系統のアンテナ系より得られた該送信部から発射された到来電波の電界強度あるいは磁界強度に関する３個の計測値の一次式、３個の計測値の二乗値の一次式、或いは３個の計測値をもって強度として、イオノグラムを表示または蓄積するようにしたことを特徴とするイオノゾンデ装置。
請求項１あるいは請求項２に記載のイオノゾンデ装置において、送信部と受信部と信号処理部と表示部とを備え、その表示部においては、電離層反射波の到来方向を表示する際に、イオノグラムと併せて、ディレクトグラムを併用することを特徴とするイオノゾンデ装置。
請求項１あるいは請求項２に記載のイオノゾンデ装置において、送信部と受信部と信号処理部と表示部とを備え、その表示部においては、ディレクトグラムの表示に複数の色による表示を行い、複数の到来方向の状況を表示するに当たって、異なる色相、彩度或いは明度を変えて表示し、且つ、イオノゾンデの表示に当たっては、その色相、彩度あるいは明度の予め決められた対応による色表示を行なうことを特徴とするイオノゾンデ装置。