Метод автоматического восстановления профиля электронной концентрации на основе малопараметрической модели по данным вертикального зондирования

Одними из основных источников информации о состоянии ионосферы в настоящее время служат ионозонды вертикального зондирования, сеть которых активно расширяется и модернизируется. Современные станции способны работать в учащенном режиме зондирования с периодом вплоть до 15 секунд. Такая частота обеспечивает практически непрерывный поток данных, что определяет актуальность разработки автоматических методов обработки информации. Восстановление высотного профиля электронной концентрации по данным вертикального радиозондирования является одной из ключевых задач физики ионосферы. Одним из способов решения задачи является обработка ионограмм оператором путем выделения следа обыкновенной волны с последующим восстановлением профиля электронной концентрации, что является трудоемким и длительным процессом. В настоящее время активно развиваются подходы к автоматическому решению данной задачи, поскольку в условиях непрерывного поступления новой информации ручная обработка становится узким местом и не обеспечивает требуемой оперативности. В данной работе рассматривается метод решения обратной задачи с использованием малопараметрической модели профиля электронной концентрации и с возможностью привлечения необыкновенной магнитоионной компоненты, что позволяет обеспечить как быстрое, так и устойчивое решение задачи.
Малопараметрическая модель профиля электронной концентрации задается фиксированным (небольшим) числом параметров: критическими частотами слоев, высотами максимумов, толщинами слоев и т.п. Модель строится по принципу функциональной композиции: каждый высотный диапазон определяется собственной моделью (например, модель Чепмена, параболический слой, IRI и др.). Суть метода состоит в определении управляющих параметров модельного профиля.
Искомая высотно-частотная характеристика (ВЧХ) определяется путем интегрирования группового коэффициента преломления по высоте, показатель преломления определяется уравнением Эпплтона–Хартри [1]. Так как при решении обратной задачи необходимо многократно решать прямую задачу, разработан эффективный и устойчивый алгоритм для расчета ВЧХ для обеих магнитоионных компонент. Повышение производительности достигнуто за счет использования интерполяционного квадратичного B-сплайна.
Алгоритм реализован в виде программного комплекса SPRINTER (SPline-based Radio-sounding INversion with True-height Electron-density Reconstruction) на языке C++. Работа SPRINTER проверялась по результатам обработки данных дигизондов DPS-4 в Иркутске и Норильске, ионозонда ПАРУС-А в Калининграде, а также сопоставлениями с данными Иркутского радара некогерентного рассеяния.
В результате численных экспериментов построены серии ВЧХ для набора гирочастот и произведено сравнение с результатами измерений. Выявлено расхождение между значениями гирочастоты, рассчитанными по модели IGRF, и оценками, полученными при совместной обработке обыкновенной и необыкновенной компонент ионограмм в рамках магнитоионной теории. На всех трёх исследованных станциях отличие от найденной гирочастоты и рассчитанной по модели IGRF превышает 0,06 МГц.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.