Экспериментальное исследование распространения атмосфериков и динамики мировой грозовой активности

Реальные магнитные антенны удовлетворяют условию m(b /a )>>1, поэтому их эффективная площадь зависит от числа витков обмотки и длины сердечника.

При фиксированной длине стержня 2a эффективная площадь тем больше, чем больше толщина сердечника.

При фиксированном радиусе сердечника b эффективная площадь монотонно возрастает с увеличением длины стержня, пока не достигает наибольшего значения, определяемого проницаемостью материала сердечника.

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:

МА - магнитная антенна;

R - сопротивление обратной связи;

R - активное сопротивление обмотки;

C - паразитная межвитковая емкость;

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:

вертикальная электрическая антенна*

две магнитные экранированные воздушные рамочные антенны*

широкополосные антенные усилители для каждой из антенн;

трехканальный тракт полосовых фильтров; в состав каждого канала входят:

фильтр Баттерворта верхних частот 6-го порядка с крутизной затухания за пределами полосы пропускания 36 дБ/окт.;

фильтр Баттерворта нижних частот 6-го порядка, с крутизной затухания за пределами полосы пропускания 36 дБ/окт.;

масштабирующий усилитель со ступенчатой регулировкой коэффициента усиления*

двенадцатиразрядный АЦП типа Ф4223 в каждом канале*

цифровое буферное устройство , служащее для запоминания трех компонент сигнала в виде последовательности цифровых отсчетов, визуального контроля их временной формы на экране осциллографа и передачи цифровых реализаций через последовательный или параллельный порт в ЭВМ*

ПЭВМ @ Электроника - 85 @ *

комплекс программ, написанных на Ассемблере и Фортране, обеспечивающих ввод данных и их обработку в ЭВМ в реальном времени.

Технические и эксплуатационные характеристики комплекса следующие:

полоса частот принимаемых сигналов: 0.3 - 13.0 кГц*

пределы ступенчатой регулировки усиления одновременно по трем каналам: 0 - 48 дБ с дискретностью 6 дБ*

динамический диапазон во всех каналах: не хуже 66 дБ*

различия в АЧХ и ФЧХ между каналами не превышают соответственно 2 дБ и 3 градусов (см. ниже).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8