Экспериментальное исследование распространения атмосфериков и динамики мировой грозовой активности

длительность запоминаемой цифровой реализации по каждому каналу % 40.96 мсек;

Режим работы комплекса - ждущий. Запись информации происходит при превышении сигналом в канале электрической компоненты заданного порога . После записи в память буферного устройства временные формы трех компонент принятого сигнала контролируются одновременно с помощью осциллографа. После принятия решения оператором сигнал или стирается, или передается в память ЭВМ. Предусмотрен также автоматический режим, при котором каждый принятый сигнал передается в ЭВМ без предварительной визуальной оценки. Информация в виде файлов, содержащих цифровые реализации трех компонент импульса или результаты обработки накапливается на гибких магнитных дисках или на жестком магнитном диске типа @ Винчестер @.

Измерение фазо-частотных характеристик проводилось с помощью фигур Лиссажу в два этапа. Сначала с помощью имитаторов поля были получены фазовые характеристики каждой из антенн вместе с антенными усилителями (для магнитных антенн применялся соленоидальный излучатель, а для электрической антенны - электрический излучатель). Поскольку частота среза электрической антенны лежит вблизи 80 Гц, а магнитной - около 200 Гц, в рабочем диапазоне частот приемника заметные фазовые искажения не наблюдались. Затем производились измерения разности фаз между отдельными каналами приемника. Оказалось, что взаимные отклонения сосредоточены вблизи частот среза ФВЧ и ФНЧ, достигая 3 (между Е - и Н - каналами в окрестности 10 кГц, где максимальны отличия и в АЧХ, см. рис 1.9).

Фазовые невязки каналов могут сыграть заметную роль при проведении узкополосных измерений, если же используется широкополосная методика, то их влияние существенно ослабляется. В настоящей диссертации (см. Гл.3) компоненты E- и H-полей применяются попарно при вычислении интегральных проекций вектора Умова-Пойнтинга P = E K H (пеленгование источников). Очевидно, что фазовые невязки Dv(f) обусловят относительную погрешность измерения проекций вектора P , равную на фиксированной частоте:

,

где - разность фаз между каналами E и H. Поскольку в предложенной нами широкополосной методике измерений проводится интегрирование по частоте, результирующая погрешность составит:

,

Эта погрешность оценивается сверху при = = const величиной

На самом деле фазы отличаются в узких полосах вблизи частот среза приемника, поэтому справедлива более реалистичная оценка:

где F - полная полоса рабочих частот приемного тракта, а dF - область частот, где наблюдаются фазовые искажения.

Таким образом, измеренное значение = 3, дает верхнюю оценку относительной погрешности 0.13 %, (порядка погрешности квантования по амплитуде), а более реалистическая оценка с учетом полосы частот оказывается на порядок меньшей.

Приведенные оценки позволяют в дальнейшем исключить из рассмотрения влияние фазовых невязок широкополосных каналов.

Основным предназначением цифровой части приемного устройства является преобразование выделенных аналоговых сигналов в последовательность цифровых отсчетов, обеспечение визуального контроля временных форм зарегистрированных импульсов и ввод в ЭВМ, где производится их обработка.

При разработке функциональной схемы цифровой части приемника принимались во внимание параметры исследуемых сигналов, условия, накладываемые на частоту дискретизации и быстродействие портов ввода-вывода ЭВМ @Электроника-85@. Поскольку частота квантования была выбрана равной 100 кГц, а число каналов, по которым ведется одновременная регистрация равно трем, суммарная скорость ввода информации в ЭВМ должна превышать 300 кГц. Это оценка минимального быстродействия, т.к. мы не учли, что кроме ввода необходимо в реальном времени проводить простейшую обработку ~сравнение текущего отсчета с пороговым значением и т. п.`. Такое быстродействие не обеспечивается стандартными каналами ввода-вывода использовавшейся ЭВМ @Электроника-85@. Чтобы согласовать по быстродействию выходные сигналы АЦП и порты ввода-вывода, была выбрана схема с буферизацией входного потока цифровых данных. Буферное устройство выполняет следующие функции:

- вырабатывает импульсы запуска АЦП*

- после срабатывания компаратора запоминает во внутренней памяти в цифровом виде три временные реализации длиной 4096 12-тиразрядных отсчетов в двоично-дополнительном коде*

- обеспечивает сохранение "предыстории" импульсов* длительность которой регулируется в пределах от 0 до 15/16Т, где Т- длительность всей реализации*

- обеспечивает вывод записанных в памяти сигналов на экран осциллографа с целью их визуального контроля*

- обеспечивает передачу информации в ЭВМ по стандартным параллельному ~ИРПР` или последовательному ~RS-232` интерфейсам*

- с помощью встроенных часов - календаря фиксирует полную информацию о времени с точностью до десятков миллисекунд и дате в момент прихода импульса, которая служит для идентификации каждого атмосферика;

- в режиме визуального контроля, после принятия решения оператором по виду временных реализаций, которые непрерывно выводятся на экран осциллографа, информация или передается в ЭВМ, или стирается из буферной памяти, после чего устройство переходит в режим ожидания прихода следующего импульса;

- в автоматическом режиме обеспечивает передачу в ЭВМ каждого импульса, по которому произошло срабатывание компаратора.

1.7 Основные результаты и выводы главы

Выбраны типы и параметры антенн ~емкостной электрический зонд и магнитная воздушная рамка), схемы антенных усилителей и приемных устройств, обеспечивающих :

полосу 0.3 - 13 кГц,

усиление до 50 дБ,

неравномерность АЧХ не более 2 дБ,

различие между фазовыми характеристиками каналов не более 3 градусов.

Оригинальная методика оценки эффективной площади магнитных антенн с ферромагнитным сердечником, учитывающая реальные конструкции антенн и позволила выработать рекомендации по выбору типа сердечника антенны (ферромагнитный или воздушный).

Была предложена и реализована простая схема антенного усилителя, обеспечивающего действительный коэффициент передачи приемного устройства по магнитному полю, что позволило исключить фазовые и частотные искажения, присущие индукционным магнитным антеннам, в широкой полосе частот.

Разработанные комплексы аппаратуры были изготовлены, настроены и откалиброваны в полевых условиях. Они показали высокую работоспособность и использовались в сухопутных и длительных непрерывных морских измерениях, предварительном анализе и записи для последующей обработки трех (вертикального электрического и двух взаимно перпендикулярных магнитных ) компонент естественных атмосферных электромагнитных импульсных полей СНЧ-СДВ диапазона.

ГЛАВА 2. Обнаружение и экспериментальное исследование поперечных резонансов волновода земля-ионосфера

Существование поперечных резонансов ~ПР` полости Земля- ионосфера обсуждалось ранее в ряде теоретических [67, 7, 26] и экспериментальных [71, 3] работ. В работе [67] приведено решение задачи о возбуждении волновода Земля-ионосфера падающей из космоса плоской электромагнитной волной. Полученные спектры имели резонансные максимумы, частоты которых определялись высотой промежутка, параметрами верхней стенки и углом падения волны.

В экспериментальной работе [71] приземной волновод возбуждался токами, порожденными в нижней ионосфере мощным модулированным коротковолновым излучением наземного передатчика за счет нелинейных процессов в плазме. Частота модуляции сканировалась в пределах от 1 до 7 кГц, при этом спектры принимаемого на Земле поля имели характерные максимумы на частотах 2, 4, 6 кГц, которые интерпретировались авторами как поперечные резонансы.

Одним из методов исследования распространения радиоволн СДВ диапазона в полости Земля-ионосфера является использование естественных широкополосных источников излучения, (грозовых разрядов), порождающих атмосферики. В настоящей работе атмосферики, распространяющиеся под ионосферой, применяются для экспериментального изучения ПР, а также поляризации электромагнитного поля, формируемого в волноводе излучением молний. Расчеты спектров ПР, возбуждаемых вертикальными и горизонтальными источниками, находящимися внутри волновода, проводились в работах [26, 32]. Как показали эти расчеты, спектры вынужденных колебаний, создаваемых точечным импульсным источником в плоском промежутке Земля-ионосфера, имеют сложный вид, в частности, тонкая структура спектральных максимумов зависит от расстояния молния - наблюдатель. Одним из возможных способов выделения ПР может служить накопление энергетических спектров процесса, которое является регуляризирующей процедурой, приводящей их к некоторым средним значениям. Данная методика используется в настоящей работе.

Как проявление ПР в спектре отдельного атмосферика, в [24] обсуждался "твик" - квазисинусоидальный сигнал, которому предшествует отражательный атмосферик, длительностью от нескольких десятков до ста миллисекунд и выше. Твики наблюдаются только ночью, или при солнечных затмениях [70]. Обычно измерения твиков проводились с помощью аналоговых сонографов с целью изучения их дисперсии [80], определения затухания волн в волноводе [61]. В работе [24] были оценены параметры нижней ионосферы в предположении о резонансной природе твиков. Поляризационные особенности электромагнитного поля твиков исследовались в работе [12], в которой по результатам измерений вертикальной электрической и двух взаимно ортогональных горизонтальных магнитных компонент в северном полушарии был сделан вывод о левой эллиптической поляризации хвостовой части твиков. Этот результат свидетельствует о существенной гиротропии ионосферной стенки волновода. Попытки объяснить особенности твиков были сделаны в ряде теоретических работ. Расчеты проводились как без учета магнитного поля Земли, так и в упрощенной модели с вертикальным магнитным полем Земли [79,12]. В работе [16] приводятся результаты численного расчета коэффициентов распространения и затухания волноводных мод ночных атмосфериков, возбуждаемых вертикальным молниевым разрядом. Учитывалось наклонное постоянное магнитное поле Земли (случай приэкваториального распространения) и было показано, что затухание ТЕ-волн больше чем ТМ-волн при распространении с запада на восток и меньше - в противоположном направлении.

В настоящей главе будут представлены результаты экспериментальных исследований ПР, наблюдавшихся в средних и единичных спектрах атмосфериков. Рассмотрены также поляризационные свойства атмосфериков. Полученные экспериментальные данные позволяют указать оптимальные способы обработки атмосфериков и сформулировать подходы к решению обратной задачи электродинамики.

2.1 Резонансные свойства полости Земля - ионосфера

Впервые сферическая полость, образованная поверхностью Земли и нижней кромкой ионосферы, была рассмотрена в качестве резонансной системы в работе [72]. Были получены резонансные частоты, связанные с интерференцией волн, обежавших вокруг Земли, и лежащие в диапазоне единиц - десятков герц. Соответствующие "продольные" резонансы, названные впоследствии глобальными или шумановскими, были обнаружены в спектрах естественных СНЧ полей, возбуждаемых в полости Земля-ионосфера разрядами молний [40].

В работе [7] была высказана идея о наблюдении поперечных резонансов (ПР), которые в отличие от шумановских обусловлены последовательными отражениями волн от верхней и нижней границ полости и поэтому определяются ее высотой h . Значения собственных частот ПР лежат в области единиц килогерц.

В предположении об идеально проводящей Земле радиуса a и изотропной ионосфере радиуса d , характеризующейся поверхностным импедансом d , в [20] получено следующее дисперсионное соотношение, определяющее собственную частоту резонансных колебаний TM-типа для n-й зональной гармоники: экспоненциальными асимптотиками. В этом случае (2.1.1) примет вид, совпадающий с дисперсионным уравнением для плоской системы [33]:

Различие между плоской и сферической системами состоит в том, что в сферической системе существует дискретный набор углов q , определяемый номером зональной гармоники, в то время, как в плоской системе угол падения волн Бриллюэна на границы может принимать произвольные значения. Собственные частоты поперечного резонанса определяются: высотой ионосферы h, количеством вариаций поля p вдоль высоты, углом падения волн q на границу, поверхностным импедансом ионосферы d (Землю можно считать идеально проводящей).

Решение уравнения (2.1.2) дает частоты ПР в сферической полости Земля - ионосфера, совпадающие с собственными частотами плоской системы при соответствующих углах падения q [34] :

В случае небольших углов падения данные решения описывают и сферическую систему. Малость углов q означает небольшие номера зональных гармоник ( n+[-]<< ka _ 200). Для этого случая и при условии малости d ( d<<cosq )

Возбуждение полости Земля - ионосфера точечным источником было рассмотрено в [34]. В этой работе приведены разложения полей от элементарных электрического и магнитного диполей горизонтальной и вертикальной ориентации, полученные методом нормальных волн в моделях плоской и сферической полости при учете анизотропии ионосферы.

Временная форма сигнала наглядно интерпретируются лучевой или отражательной моделью отклика промежутка Земля - ионосфера на возбуждение точечным импульсным источником (см. напр. [80]). В плоском волноводе с идеально проводящими стенками последовательные отражения излученного импульса от границ можно представить набором синфазно излучающих виртуальных (отраженных) источников как показано на Рис. 2.1. Расстояние между m - тым источником и наблюдателем L определяет дискретный набор углов прихода q и взаимных задержек импульсов, формирующих временную форму сигнала в точке наблюдения.

Оценим зависимость мгновенной частоты принимаемого сигнала от времени. Эта зависимость напоминает гиперболу при малых t и асимптотически приближается к частоте отсечки волновода при стремлении t к бесконечности. Выражение (2.1.14) широко используется для интерпретации дисперсионных свойств "твиков" ~см. напр. [80]` и достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Из рассмотренной модели видно, что при достаточно больших задержках относительно начала атмосферика мгновенная частота сигнала стремится к частоте отсечки волновода или к собственной частоте поперечного резонанса. Следовательно, отбрасывая начальную часть сигнала, формируемого в полости Земля ионосфера прямой волной, идущей от молнии параллельно границам, мы можем считать, что "хвостовая" часть сигнала характеризует поперечный резонанс, соответствующий многократному отражению волн от земли и ионосферы ~q стремится к 0 в формуле 2.1.6`. В этом случае, измеряя спектр хвостовой части импульса, можно оценить добротность поперечного резонанса (по отношению резонансной частоты к ширине резонансного пика) и эффективные параметры нижней ионосферы. При этом нужно принять во внимание особенности возбуждения резонансной системы, обсуждаемые ниже.

Поскольку в рассматриваемой нами модели используются точечные источники, при определении добротности необходимо учитывать геометрическую расходимость формируемых волн, а также диаграммы направленности излучения виртуальных источников. Отсекая начальную часть сигнала, мы рассматриваем волны, пришедшие от виртуальных источников высокого порядка. Из этого предположения следует:

Если волны от всех источников приходят под углами близкими к вертикали, то углы в диаграмме направленности элементарного электрического диполя почти не изменяются, а амплитуда приходящих волн остается практически постоянной (исключение составляет вертикальный электрический диполь, но такой источник не возбуждает ПР, см. [34]);

затухание, вызванное расходимостью, является малым, кроме того его можно учесть при оценке добротности.

Пусть амплитуда резонансного колебания имеет следующую зависимость от времени и расстояния до источника:

Отмеченные особенности не учитывались в работе [24], где анализ проводился по полной реализации твика, поэтому описанная выше методика оценки добротности, представляется более обоснованной.