Экспериментальное исследование распространения атмосфериков и динамики мировой грозовой активности

ВВЕДЕНИЕ Курсовая посвящена экспериментальному изучению распространения естественных электромагнитных импульсных излучений, частотный спектр которых перекрывает верхнюю область сверхнизкочастотного (СНЧ) и нижнюю область сверхдлинноволнового диапазонов (СДВ) в волноводе Земля - ионосфера и исследованию пространственно - временного распределения их источников. Работа основана на результатах наземной и морской регистрации вертикальной электрической (E ) и двух

взаимно ортогональных горизонтальных магнитных (Hx и Hy ) компонент поля естественных излучений в диапазоне от 0.3 до 13 кГц. Измерения проводились в пос. Мартовая Харьковской обл. и на борту научно-исследовательского судна (НИС) @Академик Вернадский@ в акваториях Индийского и Атлантического океанов. Актуальность работы. Диапазоны СНЧ и особенно СДВ активно используются для связи, навигации, передачи

сигналов точного времени. Важную роль при разработке соответствующих систем играет выбор частоты, способ возбуждения волновода Земля-ионосфера, интенсивность и спектральный состав помех и пр. Однако, интервал частот 0.3 - 10 кГц остается при этом наименее изученным, что связано, прежде всего, с отсутствием искусственных источников таких полей. Поэтому весьма актуально исследование электромагнитных волн, возбуждаемых естественными широкополосными

источниками грозами. Определяющую роль в глобальной грозовой активности играют так называемые мировые грозовые центры, расположенных в Африке, Южной Америке, юго-восточной Азии. Известные из литературы распределения источников измерялись за продолжительные промежутки времени, или охватывали локальные области Земного шара. Глобальные распределения получались затем сопоставлением данных большого числа отдельных метеостанций. Эти результаты не позволяют оценить одновременно динамику

и пространственную структуру глобальных источников атмосфериков. Поэтому актуально получение данных о пространственно-временной динамике активности мировых грозовых центров. Значительный интерес представляет изучение системы Земля - ионосфера, как радиофизического объекта. До настоящего времени наименее изучена нижняя часть ионосферы, оказывающая основное влияние на распространение низкочастотных радиоволн.

Исследуемые в диссертации эффекты тесно связаны с состоянием нижней ионосферы, поэтому они оказываются не только источником дополнительной информации, но и основой новых методов измерения параметров нижней ионосферы. Кроме того, радиоволны в промежутке Земля-ионосфера несут информацию и об источнике возбуждения. Поэтому рассматриваемые в диссертации экспериментальные методики могут оказаться полезными в исследовании грозовых разрядов и других естественных электромагнитных источников в данном диапазоне частот.

Цель работы и метод исследования. Целью диссертации является экспериментальное исследование спектральных и поляризационных свойств электромагнитного поля естественных импульсных сигналов в диапазоне частот от 0.3 до 13 кГц, распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера, разработка методики пеленгации импульсных сигналов, получение новых экспериментальных данных о пространственно-временной динамике активности мировых грозовых очагов, обработка, анализ и интерпретация полученных экспериментальных данных.

Методы исследования базируются на теории распространения электромагнитных радиоволн, теории цепей, теории информации, структурном программировании, математических методах обработки результатов экспериментов. Научная новизна. Экспериментально обнаружены поперечные резонансы полости Земля-ионосфера в средних и единичных спектрах атмосфериков в диапазоне частот от 0.3 до 13 кГц. Обоснована методика оценки добротности полости Земля-ионосфера на поперечных резонансах.

Разработаны методы выделения резонансных мод в динамических спектрах атмосфериков, позволяющие оценивать эффективную высоту отражения от ионосферы, дальность до источника. Экспериментально обнаружено преобладание TM волн при распространении атмосфериков с запада на восток и преобладание TE волн при распространении с востока на запад. Предложена и апробирована оригинальная методика пеленгации источников импульсного излучения.

Получены длительные непрерывные ряды измерений интенсивности потока и азимутальных распределений СДВ атмосфериков, позволившие проследить динамику активности мировых грозовых центров за период, охвативший смену сезона. Разработан и создан аппаратурный комплекс для регистрации трех компонент э/м поля импульсных излучений и их обработки. Научная и практическая ценность работы. Полученные в диссертации экспериментальные результаты развивают и дополняют знания о распространении

электромагнитных волн СНЧ-СДВ диапазонов в волноводе Земля-ионосфера, динамике мировой грозовой активности, позволяют оценить эффективную высоту отражения НЧ волн от ионосферы. Результаты проведенных экспериментов могут быть использованы как для фундаментальных геофизических исследований, так и в прикладных областях, таких, как радионавигация и радиосвязь. Разработанные алгоритмы обработки сигналов, схемы и принципы, использованные при конструировании универсального

аналого-цифрового комплекса, могут быть применены для создания однопунктовых систем локации молний, автоматических систем мониторинга нижней ионосферы, новых систем связи. Апробация работы. Результаты исследований были доложены на XII г. Красноярск, 1986 г.` межведомственном семинаре по распространению километровых и более длинных радиоволн, 16 Всесоюзной конференции по распространению радиоволн г.

Харьков, 1990 г.`, 3 Всесоюзной научно-технической конференции @Прием и анализ сверхнизкочастотных колебаний естественного происхождения@ ~г. Львов, 1990 г.`, 9 Международной конференции по атмосферному электричеству ~г. Санкт-Перербург, Рос- сия, 1992 г.`, на 24 Генеральной Ассамблее URSI ~ заказной доклад, г. Киото, Япония,

1993 г.` Основные результаты диссертации изложены в 9 печатных работах и включены в ряд отчетов по плановым НИР. Структура и объем работы. Курсовой общим объемом 153 страницы состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 32 рисунка, список литературы из 80 наименований. Содержание работы. Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, изложено краткое содержание и основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе описана аппаратура, использованная в измерениях. Здесь рассмотрены принципы конструирования широкополосного приемника прямого усиления СДВ диапазона, указаны технические характеристики экспериментальной установки, предназначенной для регистрации и обработки естественных сигналов. В первом параграфе оценены требуемые параметры антенны и антенного усилителя тракта электрической компоненты. Эти параметры использовались при конструировании приемника.

Во втором параграфе получена оценка эффективной площади магнитной антенны с ферромагнитным сердечником. Отмечено, что реальные антенны с ферромагнитным и воздушным сердечниками, имеющие одинаковое количество витков обмотки, обладают эффективной площадью одного порядка, если диаметр воздушной рамки равен длине ферромагнитного сердечника. Важным требованием к магнитной антенне, при измерении импульсных полей является передача сигналов без искажения их формы. Эти искажения в индукционной антенне обусловлены тем, что

Э.Д.С. пропорциональна производной по времени от падающего магнитного поля. Это приводит к линейному росту модуля коэффициента передачи антенны с частотой и постоянному фазовому сдвигу на 90 Э.Д.С. относительно падающего поля. Для устранения этих недостатков в третьем параграфе предложена схема антенного усилителя для магнитной антенны, построенная на основе усилителя тока. В нем индуктивность магнитной антенны используется для компенсации фазо-частотных искажений.

Схема обеспечивает постоянный действительный коэффициент передачи сквозного тракта антенна - антенный усилитель по полю в рабочем диапазоне частот. В четвертом параграфе приведено описание комплекта аппаратуры для измерения спектров вертикального электрического поля атмосфериков в диапазоне 1 - 10 кГц. В его состав входят:  вертикальная электрическая антенна  широкополосный антенный усилитель  фильтры верхних и нижних частот  магнитограф

НО-62  анализатор спектра СК4-72/2. Динамический диапазон сквозного тракта регистрации - воспроизведения составлял не менее 40 дБ. В пятом параграфе описан универсальный аналого-цифровой комплекс, предназначенный для одновременного приема и обработки трех компонент электромагнитного импульса СНЧ-СДВ диапазона. В его состав входят: 1) вертикальная электрическая антенна 2) две магнитные рамочные антенны 3) широкополосные антенные усилители 4) трехканальный тракт полосовых фильтров 5) масштабирующие

усилители 6) двенадцатиразрядные АЦП в каждом канале 7) цифровое буферное устройство 8) ПЭВМ @ Электроника - 85 @ 9) комплекс программ, обеспечивающих ввод данных в ЭВМ и их обработку в реальном времени. Технические и эксплуатационные характеристики комплекса: – рабочая полоса частот: 0.3 - 13.0 кГц – девиации АЧХ и ФЧХ между различными каналами не более 2 дБ и 3 градусов соответственно. – пределы ступенчатой регулировки усиления одновременно по трем каналам:

0 - 48 дБ с дискретностью 6 дБ – динамический диапазон во всех каналах: не хуже 66 дБ – частота дискретизации: 100 кГц – длительность запоминаемой цифровой реализации по каждому каналу: 40.96 мсек (3 * 4096 12-разрядных слов) – длительность предыстории импульсного сигнала: от 0 до 38.4 мсек Предусмотрена фиксация даты и времени прихода каждого сигнала. Передача информации в ЭВМ осуществляется через последовательный ~RS -

232` или параллельный ~ИРПР` интерфейсы. Режим работы комплекса - ждущий. Запись информации происходит при превышении сигналом в канале электрической компоненты установленного порога. После записи в память буферного устройства, временные формы трех компонент принятого сигнала контролируются по экрану осциллографа. По решению оператора цифровые реализации передаются в память ЭВМ для обработки. В автоматическом режиме каждый принятый атмосферик передается в

ЭВМ без предварительной визуальной оценки. Информация в виде файлов накапливается на магнитных дисках. Во второй главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований влияния поперечных резонансов (ПР), возникающих в вертикальном сечении полости Земля-ионосфера, на спектры СДВ-атмосфериков, рассмотрены поляризационные свойства э/м поля атмосфериков на поверхности Земли. В начале главы приведен обзор литературы, посвященной резонансным явлениям в полости

Земля-ионосфера. В первом параграфе показано, что при падении волн в направлениях близких к нормали к границам полости собственные частоты сферической полости и плоского промежутка совпадают. Различие между сферической и плоской системами состоит в том, что в сферической полости имеется дискретный спектр собственных частот, определяемый номером зональной гармоники, в то время, как в плоской системе резонансные частоты имеют сплошной спектр. Таким образом, частоты поперечных резонансов, обусловленных

переотражениями от границ полости Земля - ионосфера, определяются высотой нижней границы ионосферы над поверхностью Земли, поверхностным импедансом ионосферы, углом падения волн, конструирующих резонансную моду. При возбуждении полости Земля-ионосфера точечным источником - разрядом молнии, возникает набор волн, которые распространяются под различными углами к границам, и соответствуют различным поперечным резонансам. Показано, что для выделения резонансных колебаний, возникающих при нормальном падении на

частотах близких к частотам отсечки волновода, необходимо рассматривать хвостовую часть атмосферика. Во втором параграфе рассмотрены результаты измерений средних энергетических спектров вертикальной электрической компоненты естественных импульсных сигналов в диапазоне 1 - 10 кГц, которые проводились с помощью комплекта аппаратуры, описанного в главе 1. В обработку включались атмосферики, амплитуда которых превышала пороговый уровень, величина которого

выбиралась достаточной для предотвращения срабатывания аппаратуры от помех, излучаемых силовой сетью на высших гармониках. Усреднение проводилось по ансамблям, состоявшим из 60- 80 отдельных спектров атмосфериков. Для набора одного ансамбля обычно требовалось от 10 до 45 минут в зависимости от сезона и времени суток. Были получены средние спектры двух типов: гладкие, с широким плавным максимумом в области частот 4 - 8 кГц, и содержащие характерные резонансные максимумы вблизи частот 2, 4 кГц.

Средние спектры первого типа наблюдались, как правило, в светлое время суток, тогда как спектры второго типа - только ночью. Как показал эксперимент, резонансная структура средних спектров сохраняется в нескольких подряд идущих сериях измерений. Время жизни резонансной структуры составляет от нескольких десятков минут до единиц часов, что согласуется с временем существования локальных грозовых очагов. Таким образом, приведенные результаты наблюдений позволили заключить, что поперечные резонансы проявляются

в средних спектрах, если во время проведения измерений существовал достаточно мощный компактный грозовой очаг. В этом случае процедура усреднения сглаживает тонкую структуру пиков, возникающих в спектрах отдельных импульсов, подчеркивая резонансные максимумы. В третьем параграфе рассмотрены результаты трехкомпонентных измерений электромагнитного поля атмосфериков в диапазоне 0.3 - 13 кГц, выполненных на борту научно-исследовательского судна.

Регистрация сигналов вертикальной электрической и двух скрещенных горизонтальных магнитных компонент проводилась с помощью разработанного автором комплекса ~см. Гл. 1`. Исследовались сигналы характерной формы с многократными отражениями, записанные в ночное время суток. Цифровые реализации трех компонент поля длительностью 40 мсек. записывались на гибкие магнитные диски и обрабатывались впоследствии на ПЭВМ IBM PC

AT. Для каждого обрабатываемого сигнала определялось направление прихода волны, а затем система координат в точке наблюдения разворачивалась на источник. Полученные вертикальная электрическая, а также азимутальная и продольная магнитные компоненты поля подвергались спектральному анализу с частотным разрешением 50 Гц. Характерная форма спектра амплитуд представляет собой ряд широких изрезанных максимумов, начинающихся вблизи частот ПР и, в среднем, спадающих с ростом частоты.

Показано, что поперечные резонансы, соответствующие близким к нормальному углам падения волн наблюдаются в спектрах хвостовой части атмосфериков. Были получены также динамические спектры электрической и магнитных компонент поля (сонограммы). В обработку включались последовательно отрезки длительностью 2.56 мсек начало которых сдвигалось с шагом 0.4 мсек. от начала импульса к “хвосту”. При этом использовалось временное окно Хэмминга, что уменьшило дисперсию спектральных оценок.

Получающиеся максимумы в текущих спектрах группировались при этом в резонансные ветви (моды), имеющие вид кривых, монотонно спадающих по частоте с увеличением времени, асимптотически приближающихся к значениям частот отсечки волновода. В результате выделения таких мод получались временные зависимости частот ПР, разности фаз между спектральными составляющими горизонтальных магнитных компонент и отношений их амплитуд. Для увеличения разрешения по частоте значения частот максимумов получались путем определения

“центра тяжести” спектрального пика по соседним отсчетам в спектре. В сонограммах различных атмосфериков наблюдались от одной до восьми мод. В основной массе импульсов можно было выделить не более двух первых мод, пригодных для анализа. В результате обработки более чем 200 ночных импульсов, зарегистрированных в южном полушарии, путем выделения первой и второй моды, было установлено, что, независимо от направления прихода, поляризация

электромагнитного поля в хвостовой части стремится к левой ~вектор поля вращается по часовой стрелке и совпадает с направлением вращения положительного заряда вокруг вектора магнитного поля Земли `. В ряде обработанных импульсов (около 30 штук) для первой моды наблюдалось изменение знака поляризации в начальной части. Переход от начальной линейной поляризации к конечной левой мог происходить тремя путями: – линейная - левая - правая - левая; – линейная - правая - левая; – линейная - левая, причем

для второй моды поляризация изменялась только от линейной к левой. Частоты резонансных максимумов, соответствующих ПР, во времени монотонно спадают, асимптотически стремясь к частотам отсечки волновода. Оценки резонансных частот, соответствующих нормальному падению волн, дают величину 1.70  0.05 кГц для первого резонанса, что соответствует эффективным высотам отражения от 85 до 91 км. Кратность частоте первой моды соблюдается для высших мод с доступной точностью.

Обнаружено, что в атмосфериках, приходящих с востока преобладает продольная компонента, а в атмосфериках, приходящих с запада - поперечная компонента магнитного поля. В третьей главе обсуждаются результаты морского мониторинга временных вариаций числа и направлений прихода СДВ атмосфериков. В первом параграфе рассматривается методика пеленгации атмосфериков, основанная на вычислении среднего вектора Умова-Пойнтинга для импульсного сигнала.

Предложенная методика отличается от известных узкополосных и широкополосных способов тем, что позволяет работать во временной области, а также использовать когерентную составляющую импульсных сигналов. Реализация предложенной методики пеленгации на базе универсального аналого-цифрового комплекса позволила провести измерения суточных вариаций азимутальных распределений и интенсивности потоков СДВ-атмосфериков. Измерения проводились на борту НИС “Академик

Вернадский” в 1991г. Маршрут судна проходил в Индийском океане между Африканским и Азиатским мировыми грозовыми очагами, а также в Атлантическом океане между Африканским и Американским очагами. Это обстоятельство в обоих случаях позволило наблюдать одновременно два мировых грозовых очага из одного пункта. До начала измерений путем моделирования алгоритма обработки была решена задача оценки потерь,

возникающих из-за конечного быстродействия аппаратуры. Как правило, в экспериментах значения интенсивности регистрируемого потока находились в пределах от 2000 до 4000 имп/час, что соответствует потерям от 10% до 23% входных событий. Максимальные значения интенсивности потока достигали 6000 имп/час, при этом потери составляли 32%. Полученные оценки пропусков являются систематическими погрешностями и в принципе могут быть существенно

уменьшены. В диссертацию вошли результаты 39 - суточных морских измерений, когда были построены суточные вариации плотности потока атмосфериков и соответствующих им азимутальных распределений молний, составившие ансамбли в 6, 11 и 22 суток непрерывной регистрации. Показано, что в Индийском океане практически весь поток атмосфериков был сосредоточен в двух секторах, каждый шириной около 30-35 градусов. Эти сектора оказались ориентированы на континентальные и островные

мировые грозовые центры в Африке и Азии. Ориентация и ширина этих секторов оставались стабильными, испытывая небольшие флуктуации, не только в течение суток, но и от суток к суткам. В то же время, были отмечены существенные временные вариации числа атмосфериков, приходящих из этих секторов. При приближении к суше размеры секторов увеличивались, а их структура усложнялась. Суточные вариации азимутальных распределений проявляются в виде изменений относительных амплитуд отдельных

максимумов, однако, положение этих максимумов неизменно совпадает с направлением на Азиатский, Африканский и Американский мировые грозовые центры, а сами максимумы приходятся, как правило, на 9, 16 и 20 часов мирового времени. Было проведено сопоставление суточных вариаций интенсивности потока атмосфериков и уровня шума в СНЧ-диапазоне ~на частоте около 100 Гц`, измеренных вблизи южного побережья Африки. Результаты указывают, что в периоды максимальной активности

африканских грозовых центров, наблюдается линейная связь между СНЧ и СДВ данными. Это обстоятельство позволяет предсказывать уровень поля на СНЧ с помощью простой методики счета СДВ-атмосфериков. Результаты морских измерений статистических характеристик СДВ-атмосфериков показывают, что глобальная грозовая активность определяется источниками, связанными

с континентальными грозовыми центрами, расположенными на суше. В течение суток доминирующая роль в глобальной грозовой активности переходит от одного континентального грозового центра к другому, “перепрыгивая” через океаны, вслед за движением терминатора. В заключении кратко отражены основные результаты и выводы, выносимые на защиту диссертации. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ 1. Разработан и в режиме длительной непрерывной работы испытан

в сухопутных и морских условиях аналого-цифровой комплекс аппаратуры, предназначенной для измерений трех компонент поля атмосферных импульсных сигналов в полосе частот 300 Гц - 13 кГц. 1.1. Комплекс позволил обнаружить поперечные резонансы полости Земля-ионосфера в средних спектрах атмосфериков. 1.2. Комплекс позволил провести трехкомпонентные измерения электромагнитного поля

СДВ-атмосфериков, а также их азимутальных распределений и вариаций интенсивности потока в реальном масштабе времени при интенсивности потока до 6000 импульсов в час. 1.3. Универсальный аналого-цифровой комплекс показал высокую надежность, работая непрерывно в течение четырех месяцев в морских условиях на борту научно-исследовательского судна. 2. Проведены экспериментальные исследования поперечных резонансов (ПР) естественного волновода, образованного

поверхностью Земли и нижней кромкой ионосферы. Впервые экспериментально обнаружены поперечные резонансы в средних спектрах атмосфериков. Резонансные максимумы в спектрах единичных СДВ-атмосфериков позволили оценивать высоту нижней кромки ионосферы. 2.1. В спектре всей временной реализации атмосферика поперечные резонансы маскируются из-за интерференции волноводных нормальных волн. Это обстоятельство затрудняет обнаружение

ПР. 2.2. ПР проявляются наиболее ярко в спектрах ночных атмосфериков, хвостовая часть которых содержит многократные отражения между границами волновода. При этом, наиболее отчетливо частоты ПР видны в координатах время-частота (сонограммах), что обеспечивает определение эффективного поперечного размера волновода. 3. Выполнены поляризационные исследования сигналов ночных атмосфериков в южном полушарии. Обнаружена поляризационная невзаимность распространения на трассах запад-восток, восток-запад.

3.1. Обнаружено, что в атмосфериках приходящих с востока преобладает продольная компонента горизонтального магнитного поля, а в атмосфериках, приходящих с запада - поперечная компонента. 3.2. Поляризация электромагнитного поля атмосфериков в результате многократных отражений от ионосферы становится левой эллиптической. В ряде случаев для первой моды наблюдается перемена направления вращения вектора магнитного поля с правой ~в начале атмосферика ` на левую ~в хвостовой части`, в то время, как

для второй моды поляризация остается левой на всей длительности атмосферика. 4. Предложена, обоснована и апробирована методика определения пеленгов источников импульсных сигналов, использующая измерение среднего вектора Умова-Пойнтинга во временной области. Эта методика позволила получать в реальном времени гистограммы азимутальных распределений СДВ-атмосфериков, и применялась при обработке сигналов отдельных атмосфериков.

5. Получены длительные непрерывные ряды наблюдений интенсивности потока и азимутальных распределений СДВ атмосфериков, которые позволили проследить динамику грозовой активности в мировых грозовых центрах. 5.1. Морской мониторинг показал, что основной вклад в мировую грозовую активность дают континентальные и островные грозовые центры. Вариации интенсивности потока импульсов хорошо интерпретируются изменениями во времени активности мировых грозовых очагов, тогда как направления прихода атмосфериков прямо указывают

на эти грозовые центры. 5.2. По результатам пеленгации обнаружен дрейф африканских источников с юга на север с февраля по март 1991г. на расстояние около 1500 км. Этот результат подтверждает справедливость модели континентальных грозовых центров. Пеленги гроз, измеренные экспериментально, хорошо интерпретируются и в том случае, когда смещение приемника относительно источников является существенным. 5.3.

Сопоставление суточных вариаций интенсивности потока атмосфериков и уровня шума в СНЧ-диапазоне, измеренных вблизи южной оконечности Африки указывает на линейную связь между ними в периоды суточной активности африканских очагов. ГЛАВА 1. АППАРАТУРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ ПОЛЕЙ СНЧ-СДВ ДИАПАЗОНОВ Представленные в данной работе экспериментальные результаты были получены с помощью

двух различных комплектов аппаратуры, сходных по назначению и различных по возможностям регистрации и обработки сигналов. При построении приемной аппаратуры использовалась схема прямого усиления. Для приема, регистрации и получения спектральных характеристик вертикальной компоненты электрического поля СНЧ-СДВ атмосфериков в диапазоне частот от 1 до 10 кГц использовался комплекс аппаратуры, описание которого приведено в параграфе 1.5. Комплекс использовался на полигоне в пос.

Мартовая Харьковской обл. в течение 1985 - 1987 гг. С его помощью проводились исследования средних спектров вертикальной электрической компоненты СДВ-атмосфериков, в результате которых были обнаружены поперечные резонансы полости Земля-ионосфера. Универсальный СНЧ-СДВ аналого-цифровой комплекс, описанный в параграфе 1.6 используется в измерениях с 1990 г. Комплекс применялся для регистрации и предварительной обработки трех компонент

электромагнитного поля атмосфериков в полосе частот от 0.3 до 13 кГц на сухопутных и морских измерительных пунктах. С его помощью был накоплен банк данных временных реализаций трех компонент, была опробована широкополосная методика пеленгации СДВ - атмосфериков во временной области, которая применялась для измерения азимутальных распределений источников и их суточных вариаций в акваториях Индийского и Атлантического океанов в течение января - апреля 1991 г.

Общую структуру обоих комплексов можно представить в виде двух основных частей: 1` одно-трех-` канальный широкополосный приемник прямого усиления* 2` устройство регистрации и обработки сигналов. Упрощенная функциональная схема приемо - анализирующего комплекса для приема одной компоненты поля представлена на Рис. 1.1. В данной главе рассматриваются принципы конструирования и выбора параметров широкополосного приемника прямого усиления СДВ диапазона, а также основные технические характеристики,

предъявляемые к аппаратуре регистрации и обработки электромагнитного поля естественных импульсных сигналов. 1.1 Электрическая антенна В качестве электрической антенны ~ЭА` использовался емкостной зонд, представляющий собой изолированный металлический электрод, поднятый над уровнем земли на стальной мачте. Принцип действия антенн такого типа был подробно проанализирован в работе [62]. Эквивалентная схема емкостной антенны, размеры которой малы по сравнению с длиной волны в диапазоне

СНЧ-СДВ, представлена на Рис. 1.2. Здесь введены следующие обозначения: – С - собственная емкость активного электрода – С - входная емкость антенного усилителя – R - входное сопротивление антенного усилителя – е = h E - потенциал, наводимый на активном электроде антенны – E - вертикальная компонента напряженности электрического поля – h - действующая высота

ЭА, которая в случае плоской идеально проводящей Земли близка к удвоенной геометрической высоте подъема зонда над поверхностью`. Следовательно, эквивалентом электрической антенны на высоких частотах является емкостной делитель. Коэффициент передачи в этом случае не зависит от частоты сигнала, а определяется исключительно отношением емкостных параметров эквивалентной схемы. Чтобы достичь максимального коэффициента передачи, необходимо уменьшать входную емкость антенного усилителя.

С другой стороны, в случае, когда есть запас по чувствительности приемника, увеличение С позволяет расширить рабочий диапазон в сторону нижних частот. При заданной частоте среза за счет увеличения С можно уменьшить входное сопротивление антенного усилителя. Это повышает его стабильность при воздействии неблагоприятных атмосферных условий. На нижних частотах, где справедливо условие: wR (C +

C )<<1 , имеет место следующее выражение: K = iwC R , т.е эквивалентом нашей электрической антенны является дифференциальная цепь первого порядка с крутизной спада АЧХ в сторону нижних частот 6 дБ/окт. Собственная емкость применяющихся антенн составляла в различных экспериментах от 10 до 40 пФ. Оценим величину входного сопротивления антенного усилителя, необходимого для получения равномерной амплитудно-частотной характеристики ~АЧХ` антенны выше 1 кГц при емкости антенны

С = 40 пФ. Для обеспечения требуемого высокого входного сопротивления и согласования антенны с соединительным кабелем непосредственно в корпус антенны был установлен усилитель с полевым транзистором во входной цепи, обеспечивающий малую входную емкость [30]. Подача питания осуществлялась по сигнальному кабелю. С целью подавления высокочастотных помех, возбуждаемых в антенне и в соединительном кабеле сигналами радиостанций, результаты детектирования которых во входных цепях могут значительно повысить уровень

помех в рабочем диапазоне частот, на входе антенного усилителя и на выходе кабеля были включены пассивные интегрирующие RC-цепи 1-го порядка, настроенные на частоту около 100 кГц. 1.2 Магнитная антенна В настоящем параграфе получена оценка эффективной площади магнитной антенны ~МА` с ферромагнитным сердечником, а также вытекающие из нее рекомендации по выбору типа сердечника. При измерениях низкочастотных магнитных полей в качестве магнитных антенн обычно применяют проволочные

соленоиды с ферромагнитным или воздушным сердечником. Главной характеристикой таких антенн является величина Э.Д.С развиваемой на зажимах соленоида, при заданном внешнем магнитном поле фиксированной частоты. Эта величина зависит от эффективной площади магнитной рамки, которая в свою очередь определяется материалом сердечника, его размерами, числом витков обмотки, их средней площадью.

При расчете магнитной антенны возникает задача максимизации эффективной площади, что на первый взгляд связано с варьированием четырех перечисленных выше параметров. Можно показать, что эффективная площадь магнитной рамки с сердечником, а значит и ее чувствительность, фактически определяется не четырьмя, а двумя параметрами. Эффективная площадь МА с сердечником равна [29,42]

S = pb m N. (1.2.1) Здесь предполагается, что сердечник из материала с эффективной магнитной проницаемостью m имеет форму вытянутого сфероида с полуосями a > b = c, а N - число витков соленоида. Для эллипсоидального сердечника конечных размеров m оказывается меньшим, нежели m магнитного материала. Это уменьшение описывается известным коэффициентом размагничивания і [29, 42, 19]. Последний определяется геометрическими параметрами сердечника.

При этом оказывается, что использование материалов с высоким m оказывается выгодным только в случае сильно вытянутых сердечников. На практике эксплуатация таких антенн сопряжена с целым рядом неудобств (например, вибрационные помехи), поэтому как правило выполняется условие і>>1/m. Эффективная магнитная площадь реальных антенн с точностью до слагаемых порядка a /mb<<1 связана исключительно с геометрическими параметрами, а влияние магнитной проницаемости m носит

поправочный характер. Сохраняя главный член в формуле (2.2) получим сравнительно простое соотношение: Как видно, S определяется в основном числом витков соленоида N и длиной сердечника 2a. Причем она равна примерно площади воздушной рамки с тем же числом витков, если их диаметр равен длине сердечника 2a. Насколько нам известно, это обстоятельство в литературе не отмечалось. Таким образом, при m>>a/b увеличение проницаемости сердечника не дает заметного выигрыша

в чувствительности. Этим, по-видимому, и объясняется близость размеров всех низкочастотных МА, используемых в практике измерений [8]. Полученная выше приближенная формула (1.2.3) существенно упрощает расчет и позволяет сделать следующие практические выводы. 1) Реальные магнитные антенны удовлетворяют условию m(b /a )>>1, поэтому их эффективная площадь зависит от числа витков обмотки и длины сердечника.

2) При фиксированной длине стержня 2a эффективная площадь тем больше, чем больше толщина сердечника. 3) При фиксированном радиусе сердечника b эффективная площадь монотонно возрастает с увеличением длины стержня, пока не достигает наибольшего значения, определяемого проницаемостью материала сердечника. 4) Магнитные антенны с воздушным и ферромагнитным сердечниками, имеющие одинаковое количество витков обмотки, обладают примерно одинаковой эффективной площадью, если диаметр воздушной рамки равен длине

ферромагнитного сердечника. Таким образом, проблема сердечника для магнитной антенны сводится к выбору одномерной конструкции с ферромагнитным сердечником или двумерной - с воздушным, при линейных размерах одного порядка. Последнее обстоятельство учитывалось при выборе воздушной рамки в качестве МА для широкополосных измерений. Это позволило без потери чувствительности избавиться от таких проблем, как насыщение ферромагнитного сердечника внешним постоянном магнитном полем

Земли, собственные шумы феррита и т.п присущих МА с ферромагнитными сердечниками. В качестве приемных антенн магнитного поля использовались экранированные воздушные рамочные антенны, входящие состав промышленного СДВ приемника ПК-66. Для обеспечения требуемой широкой полосы рабочего диапазона рамки были модифицированы путем удаления элементов резонансного контура, встроенных в корпуса антенн.

Обмотка антенны содержит 60 витков провода, диаметр антенны составляет 80 см. 1.3 Антенный усилитель для магнитной антенны Не менее важным требованием к датчику магнитного поля при измерении импульсов является передача сигналов без искажения их временной формы. При отсутствии ~или малости` нелинейных искажений форма сигнала зависит от частотных искажений, определяемых свойствами комплексного коэффициента передачи приемного тракта.

Частотные искажения в индукционной соленоидальной антенне обусловлены тем, что Э.Д.С возникающая в ней, пропорциональна производной по времени от индукции падающего магнитного поля: Э.Д.С. = - K cosq , ~1.3.1` где B - индукция магнитного поля, K - постоянный коэффициент, зависящий от числа витков катушки и конструкции магнитной антенны, q - угол между вектором магнитной индукции и нормалью к плоскости намотки

МА. Э.Д.С возбуждаемая в антенне на фиксированной частоте равна: Э.Д.С. = iw K B cosq, (1.3.2)- где w - круговая частота колебаний, i - мнимая единица; зависимость от времени предполагается вида exp(-iwt). Мы видим, что Э.Д.С. на выходе МА нарастает линейно с ростом частоты, а мнимая единица описывает фазовый сдвиг Э.Д.С. на 90 по отношению к падающему магнитному полю.

Эквивалентом магнитной антенны на низких частотах служит дифференциальная цепь первого порядка. Чтобы скомпенсировать линейное нарастание с частотой модуля коэффициента передачи и постоянный фазовый сдвиг на 90 во всей области рабочих частот относительно падающего магнитного поля, применяются разнообразные достаточно сложные конструктивные и схемотехнические методы [29, 1]. Нами была предложена и реализована простая схема антенного усилителя магнитной антенны, обеспечивающего

постоянство амплитудно-частотной характеристики ~АЧХ` и устранение фазового сдвига на 90 фазо-частотной характеристики ~ФЧХ` сквозного тракта "антенна - антенный усилитель" по полю в широком диапазоне частот. Это необходимо для передачи сигналов без искажений формы. Принципиальная схема устройства, за основу которой взят усилитель тока ~ см. например [13] ` , приведена на Рис. 1.3. Здесь использованы следующие обозначения: &#61472;

МА - магнитная антенна; &#61472; R - сопротивление обратной связи; &#61472; R - активное сопротивление обмотки; &#61472; C - паразитная межвитковая емкость; &#61472; А1 - операционный усилитель. Проанализируем работу данной схемы. Магнитная антенна ~МА` подключена ко входу операционного усилителя, который работает в режиме усиления тока, что достигается за счет введения отрицательной обратной связи через сопротивление

R, за счет которой на инвертирующем входе поддерживается потенциал, равный потенциалу неинвертирующего входа, т. е. нулю. С другой стороны, потенциал инвертирующего входа образуется суммой втекающего во входную цепь и вытекающего через сопротивление обратной связи токов. Эти токи должны быть равны по величине и противоположны по знаку. Входной ток циркулирует в контуре, образованном короткозамкнутой катушкой

МА с индуктивностью L . i = Э.Д.С./Z , (1.3.3) где Z = iwL - комплексное сопротивление МА. Подставив выражения для Э.Д.С. (1.3.2) и Z в формулу для входного тока (1.3.3), получим, что ток в короткозамкнутой МА пропорционален индукции падающего магнитного поля и не зависит от частоты: i = iw K B cosq/iwL = K B cosq/L Выходное напряжение найдем из условия равенства втекающего и вытекающего токов

на инвертирующем входе операционного усилителя: i = U /R = - i . Отсюда получаем U = -R K B cosq/L. Следовательно, коэффициент передачи устройства по полю равен: K = U / B = -R K cosq/ L . (1.3.4) Как видно из полученного выражения, коэффициент передачи устройства по магнитному полю действителен и не зависит от частоты. Это значит, что АЧХ устройство равномерна, а вносимый фазовый сдвиг на всех частотах равен 180 градусам.

Полученный результат справедлив в случае, если компоненты антенного усилителя и магнитная антенна обладают идеальными характеристиками. В действительности такие параметры, как паразитные емкости МА, конечное активное сопротивление намоточных проводов, конечный коэффициент усиления операционного усилителя ограничивают диапазон частот, в котором остается справедливым равенство ~1.3.4`. Рассмотрим влияние конечного активного сопротивления

МА на коэффициент передачи устройства. Полный коэффициент передачи по полю в этом случае записывается в следующем виде: KB = - Rjc K cosq iw/ (Ra + iwL). При wL . Ra мы получаем коэффициент передачи для идеального случая (1.3.4). При wL , Ra коэффициент передачи по полю пропорционален частоте входного сигнала: KB = Rjc cosq iw/ Ra. Отсюда видно, что величина активного сопротивления, включенного последовательно

с МА определяет нижнюю частоту среза устройства. Теперь рассмотрим влияние паразитной емкости МА на коэффициент передачи устройства. Напряжение на выходе МА равно: Uc = Э.Д.С./(1-w LC `, ~1.3.5` Коэффициент передачи устройства: Uds[/Э.Д.С. = - Rjc/ Zrjyn, 1.3.6` где Zrjyn - полное сопротивление контура во входной цепи. Zrjyn = iwL / ( 1-w L C ) Подставляя выражения для

Uc и Z в равенство ~1.3.6` получим Uds[/ Э.Д.С. = - Rjc/iwL, Данное выражение, с учетом (1.3.2), эквивалентно ~1.3.4), т.е. коэффициент передачи устройства не зависит от паразитной емкости. Полученный вывод можно было сделать из следующих простых соображений: поскольку на инвертирующем входе поддерживается нулевой потенциал, то через паразитную емкость C не текут токи смещения, и, следовательно, ее величина на коэффициент передачи не влияет.

Тем не менее, при конструировании реальных антенных усилителей следует учитывать что вследствие конечного быстродействия операционных усилителей паразитная емкость антенны может исказить коэффициент передачи на высоких частотах. Схема усилителя для магнитной антенны, использовавшегося в измерениях приведена на Рис.1.4. Амплитудно-частотная характеристика тракта МА - антенный усилитель по полю, снятая с помощью соленоидального излучателя, представлена на

Рис.1.5. 1.4 Фильтры нижних и верхних частот Фильтры нижних и верхних частот применяются в приемном тракте, предназначенном для анализа атмосфериков, с целью подавления сигналов помех, частота которых лежит за пределами рабочего диапазона. В области частот ниже 1 кГц помехи представлены излучением на частотах гармоник силовой промышленной электросети. В области частот выше 10 кГц - сигналами навигационных и радиовещательных радиостанций

СДВ - ДВ диапазонов. При создании аппаратуры для исследования вертикальной электрической компоненты электромагнитного поля атмосфериков в качестве ФВЧ и ФНЧ были выбраны активные фильтры второго порядка, которые обладают крутизной спада модуля амплитудно-частотной характеристики за полосой пропускания равной 12 дБ/окт. С помощью фильтров наиболее мощная помеха от силовой сети частотой 50

Гц была подавлена почти на 50 дБ, а также существенно ослаблены помехи от навигационных станций СДВ диапазона, что позволило привести динамический диапазон сигнала в соответствие с параметрами использовавшегося для регистрации магнитографа НО-62. При использовании цифровой обработки принятых сигналов производится их преобразование к числовой последовательности ~дискретизация`. В соответствии с теоремой Котельникова, частота дискретизации должна превышать удвоенное значение максимальной

частоты составляющие которой присутствуют в сигнале. Чтобы ограничить спектр сигнала, его пропускают через фильтр нижних частот. Важную роль для уменьшения ~исключения` искажений за счет наложения спектра при дискретизации и цифровой обработке в ЭВМ играют параметры фильтра нижних частот. Поскольку реальный фильтр обладает не бесконечной крутизной спада

АЧХ (такой фильтр физически нереализуем), необходимо учитывать присутствие в сигнале частотных составляющих, лежащих выше частоты среза ФНЧ. При конструировании универсального аналого-цифрового комплекса частота дискретизации в аналого-цифровых преобразователях была выбрана равной 100 кГц при верхней границе рабочего частотного диапазона, равной 13 кГц. Достаточно высокое значение частоты дискретизации позволило практически исключить погрешность аналого-цифрового преобразования, вызванную наложением частот “фолдингом” в спектре

и применить ФНЧ невысокого порядка, более простого в настройке, более стабильного по параметрам и, что важно для измерения азимутов, вносящего меньшие фазовые искажения. В качестве фильтров верхних и нижних частот были выбраны фильтры Баттерворта 6-го порядка, обеспечивающие затухание вне полосы пропускания равное 36 дБ/окт. При проектировании фильтров применялись схемы звеньев на операционных усилителях и методики расчета,

приведенные в [25]. 1.5 Комплекс аппаратуры для исследования вертикального электрического поля СДВ-атмосфериков Комплекс предназначен для регистрации и спектральной обработки вертикальной компоненты электрического поля СДВ атмосфериков. В его состав входят: • вертикальная электрическая антенна, представляющая собой изолированный металлический диск диаметром 30 см установленный на мачте высотой 3 м. • широкополосный антенный усилитель с входным сопротивлением около 6

МОм и динамическим диапазоном не менее 60 дБ, • фильтры верхних и нижних частот с частотами среза соответственно 1 и 10 кГц и затуханием 12 дБ/окт • магнитограф НО-62. Блок-схема и передаточная характеристика всего приемо - регистрирующего тракта, которая контролировалась через эквивалент антенны, приведены на Рис. 1.6. и 1.7. Прием и регистрация сигналов происходила следующим образом.

Сигнал с антенны через интегрирующую RC цепь, поступал на антенный усилитель. С выхода антенного усилителя по экранированному кабелю, длиной около 50 м, сигнал подавался на фильтры верхних и нижних частот, настроенные соответственно на 1 и 10 кГц. Между выходом кабеля и входом полосового активного фильтра была включена интегрирующая RC-цепь аналогичная цепи, установленной на входе антенного усилителя.

Отфильтрованный и усиленный до необходимого уровня сигнал записывался на магнитограф НО-62 в режиме прямой записи, который обеспечивал требуемую полосу частот и динамический диапазон не менее 40 дБ. Спектральная обработка записей, выполненных на магнитографе НО-62, проводилась с помощью спектроанализатора СК4- 72/2. Для обработки импульсов совместно с анализатором спектра использовалось устройство задержки остановки

записи. Это устройство позволяет регулировать положение атмосферика относительно начала анализируемой временной реализации, при этом сохраняется его передний фронт и предысторию импульса. Кроме этого, появляется возможность очистить от помех часть реализации, хранящейся в памяти СК4-72, не занятую анализируемым импульсом. 1.6 Универсальный аналого-цифровой комплекс для исследований многокомпонентных импульсных полей СНЧ-СДВ диапазонов

При создании универсального аналого-цифрового комплекса была поставлена задача высокоскоростного трехкомпонентного анализа импульсных полей СНЧ-СДВ диапазонов. Известный анализатор спектра СК4-72, обеспечивает параллельный спектральный анализ сигналов в полосе частот от 0 до 20 кГц, при этом разрешение по частоте в диапазоне 100 Гц - 20 кГц равно 100 Гц. СК4-72 обеспечивает достаточно высокое быстродействие и широкие возможности по обработке сигналов,

например: различные виды усреднения спектров и сигналов, определение их параметров, возможность сопряжения с электронно-вычислительной машиной. Однако использование этого прибора для одновременного анализа нескольких компонент поля исключено, поскольку связано с необходимостью установки отдельного комплекта для каждой компоненты. В последнее время стали доступны персональные ЭВМ, обладающие высоким быстродействием, такие, как “Электроника –85” ~PDP-11`,

IBM PC XT/AT, а также высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи. В связи с этим оказалось возможным создание мобильной аппаратуры для регистрации и цифрового анализа электрических сигналов в диапазоне частот вплоть до десятков и сотен килогерц. В данном параграфе описан комплекс аппаратуры, предназначенный для приема, регистрации, ввода в ЭВМ и цифровой обработки сигналов вертикальной электрической и двух горизонтальных магнитных компонент

импульсного электромагнитного поля СНЧ-СДВ диапазонов по трем каналам одновременно. Функциональная схема комплекса представлена на Рис. 1.8. В состав аппаратно-программного комплекса входят: 1) вертикальная электрическая антенна* 2) две магнитные экранированные воздушные рамочные антенны*