Диссертация (1149454), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Методы, лежащие в основе наземных системгрозопеленгации, можно разделить на однопунктовые [279, 280, 288] и многопунктовые.[288,329] Основная идея функционирования систем грозопеленгации заключается в приеме спомощью антенн электромагнитных сигналов от молниевых разрядов – атмосфериков [328, 331,342].Многопунктовые системы обладают большей точностью, чем однопунктовые, однаконуждаются в точной синхронизации измерений во всех пунктах и требуют наличия каналовпередачи данных в единый центр обработки.

Однопунктовая система по сравнению смногопунктовой проще и более доступна в плане организации наблюдений. К ее недостаткамследует отнести увеличение погрешности определения координат молниевых разрядов сувеличением площади наблюдения. Частично компенсировать указанную погрешность доприемлемого уровня возможно при наблюдении повторных разрядов в крупных грозовыхочагах.41Рисунок 2.1.

Схема расположения приборов, данные которых используются в диссертационнойработе.Исследование грозовой активности является одним из направлений исследований вИКФИА СО РАН [280]. Изучается как собственно грозовая активность на востоке Сибири(локальные грозы) [277, 278, 280, 281] и в мировых грозовых центрах (прежде всего – вАфриканском мировом грозовом очаге) [279], так и ее связь с другими геофизическимиявлениями [315, 316].Основные измерения сигналов (атмосфериков) проведены с помощью однопунктовогогрозопеленгатора-дальномера, который охватывает своими наблюдениями всю территориюЯкутии (круг с радиусом ~1200 км) [277].

Географически грозопеленгатор находится в 30 км кюго-западу от Якутска на стационарном радиофизическом полигоне ИКФИА СО РАН.42Рисунок 2.2. Однопунктовый грозопеленгатор-дальномер на радиофизическом полигонеИКФИА СО РАН.Полигонрасположенвдалиотисточниковпромышленныхпомехилинийэлектропередач. Электроснабжение полигона осуществляется от аккумуляторных батарей,заряжаемых солнечными батареями, либо периодически (в зимнее время) - от дизельгенератора. Данное обстоятельство является благоприятным для проведения исследованийэлектромагнитных сигналов естественного происхождения с точки зрения помеховойобстановки.Оборудованиенаполигонеработаетнепрерывно,вкруглосуточномикруглогодичном режиме.Однопунктовый грозопеленгатор–дальномер (рисунок 2.2) состоит из антенногоустройства, предварительных усилителей (ПУ), оконечных усилителей (ОУ), аналоговоцифровогопреобразователярегистрирующего устройства.(АЦП)иперсональногокомпьютера(ПК)вкачестве43Рисунок 2.3.

Структурная схема однопунктового грозопеленгатора-дальномера. На рисункецифрами обозначены: 1 - рамочная антенна восток-запад; 2 - рамочная антенна север-юг; 3 –вертикальная штыревая антенна; 4 – предварительный усилитель; 5 – разделительныетрансформаторы; 6 – оконечный усилитель; 7 – аналого-цифровой преобразователь; 8 –персональный компьютер.Структурная схема грозопеленгатора представлена на рисунке 2.3. Антенное устройствосостоит из трех антенн, принимающих вертикальную электрическую и две горизонтальныемагнитные составляющие. Для приема электрической компоненты сигнала применяетсявертикальная штыревая антенна с конусной насадкой в верхней части для увеличениясобственной емкости антенны. Магнитные составляющие сигнала принимаются на двеортогональные рамочные антенны, ориентированные по направлению север-юг и запад-восток.Рамочные антенны имеют по 30 витков, помещенных в экран. Эффективная площадь каждойрамки составляет 360 м2.

Конструктивно все три антенны закреплены на одной мачте. С цельюуменьшения влияния местных помех антенное устройство с предварительным усилителемвынесено на расстояние  400 м от пункта наблюдения.Сигналы с антенн после предварительного усилителя подаются через разделительныетрансформаторы по симметричным экранированным линиям в центральный пункт регистрации(рисунок 2.3). Разделительные трансформаторы установлены на обоих концах линии. Вкачестве ПУ используются малошумящие усилители, идентичные для всех каналов иконструктивно объединенные в одном корпусе. Питание ПУ осуществляется двухполярнымисточником +/-12В от щелочных аккумуляторных батарей (АКБ).

ПУ производят усилениесигналов в полосе частот 0,3-60 кГц, обеспечивая необходимую амплитуду сигналов дляпередачи по кабельным линиям связи без существенных искажений. ОУ в пункте регистрации44обеспечивают согласование с линиями связи и наиболее эффективное использованиединамического диапазона аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Усиленный сигналоцифровывается с помощью внешнего АЦП типа Е-14-440 фирмы L-Card и обрабатывается вкомпьютере. Разрядность применяемого АЦП равна 14, частота дискретизации 100 кГц наканал, диапазон входных сигналов +/-10В. Технические характеристики АЦП приведены вприложении.Регулярно, несколько раз в год, а также после технических сбоев, производится проверкаи калибровка регистрирующего комплекса.

Калибрующие сигналы от шумового и импульсногоОНЧ-генераторов подаются на антенные входы ПУ. Значения этих сигналов находятся вдиапазоне от 0 до 150 мВ.2.1.1 Методика определения координат молниевых разрядовВычисление координат молниевых разрядов осуществляется программным комплексомв реальном времени после прихода очередного атмосферика. Программный комплекс поопределенному алгоритму анализирует основные параметры принятого атмосферика. Результатобработки записывает в файл.В качестве основных параметров атмосферика рассматриваются:амплитуда принятого импульса в Е- и Н-компонентах;интервал между импульсом, пришедшим земным лучом и отраженным отионосферы;промежуток времени между отраженными импульсами;интервал времени между началом главной колебательной части и началом«медленного хвоста» импульса;длительность квазиполупериода «медленного хвоста» импульса;интервал времени от начала импульса до максимума «медленного хвоста»импульса;интервал времени, отсчитанный от начала импульса атмосферика до середины nго квазиполупериода;длительность n – квазиполупериода;отношение амплитуды максимума атмосферика к амплитуде хвоста;числоположительныхиотрицательныхквазиполупериодоватмосферика;отношение амплитуд на фиксированных частотах;частота, на которой отмечается максимальная спектральная плотность;импульса45комбинация значений фазы компонент импульса на фиксированных частотах вточке приема.После обработки в конечный файл записываются следующие параметры:время регистрациисреднеквадратичная амплитуда электрической составляющей сигнала (в разрядахАЦП)среднеквадратичная амплитуда магнитной составляющей сигнала (в разрядахАЦП)азимутальный угол прихода сигналакоэффициент корреляции между первым и третьим каналамимаксимальная амплитуда сигнала (в разрядах АЦП)минимальная амплитуда сигнала (в разрядах АЦП)интервал времени от начала до максимума амплитуды сигнала (мс)интервал времени от начала до минимума амплитуды сигнала (мс)общая продолжительность сигнала (мс)количество положительных квазиполупериодов относительно уровня 0,1 отмодуля максимальной амплитуды сигналаколичество отрицательных квазиполупериодов относительно уровня 0,1 от модулямаксимальной амплитуды сигналаобщее количество квазиполупериодовиндикатор ограничения по амплитуде сигналаиндикатор ограничения по продолжительности сигнала.Важным вопросом является выбор методики, посредством которой осуществляетсявычислениекоординатмолний.Помереразвитияисовершенствованияназемныхрадиотехнических методов наблюдения грозовой активности улучшались, развивались, а так жепредлагались новыеметоды и алгоритмы вычисления координат молниевых разрядов похарактеристикам принимаемых электромагнитных сигналов от молний.

Основные методы иалгоритмы выделения молниевых разрядов облако-земля, а так же определение координатприводится в работах [231, 275, 288, 328, 342]. В работе [228] приводится анализ методоводнопунктовой грозопеленгации, который показывает, что, несмотря на их большое число, нетни одного, отвечающего необходимым требованиям: высокая точность и отсутствиеограничений на радиус действия и формы принимаемых сигналов, быстрота обработкиисходных данных. Этим и обусловлен выбор методики определения координат молниевогоразряда, описанный в [273]. В упомянутой работе предложено осуществлять дальнометрию46источника атмосферика по ансамблю признаков, объединяя результаты, определенные спомощью нескольких методов, путем нахождения их среднегеометрического.Направление на грозовые разряды  определяется по отношению среднеквадратичныхзначений сигналов Uс-ю, и Uв-з,, поступающих с магнитных антенн. Неоднозначность пеленгаустраняется путем сопоставления знаков взаимной корреляции электрической и магнитнойсоставляющих сигнала атмосферика.

Для устранения погрешности, вносимой шумовойсоставляющей поля в измеряемые значения, из квадратичных значений сигналов атмосфериковвычитается фоновый уровень Uф. Фоновый уровень определяется на предшествующематмосферику интервале длительностью 1 мс: U2ф=(Uф, i-Uср)2.

Азимут прихода сигналаопределяется по формуле:=arctg(((Uс-ю, i-Uср, с-ю)2-U2ф, с-ю)0,5/ ((Uв-з, i-Uср, в-з)2-U2ф, в-з)0,5),где Uср,с-ю=Uс-ю, i/nи Uср,в-з=Uс-ю, i/n –средние значения сигналов в течение одноймиллисекунды с начала атмосферика, принятые с ортогональных магнитных рамочных антенн вплоскостях С-Ю и В-З, соответственно; n – число отсчетов АЦП по каждому каналу в течениеодной миллисекунды. Максимальное стандартное отклонение по пеленгу составляет ~ 2,5°.Дальность до грозового разряда (L) определяется как среднегеометрическое по четыремпараметрам сигнала атмосферика (два амплитудных и два спектральных): среднеквадратичноезначение Е - составляющей (Eср.кв.) и Н - составляющей сигнала атмосферика (Hср.кв.) иколичество положительных (N+) и отрицательных (N-) полупериодов Е - составляющейатмосферика,превосходящихуровень,равный0,1максимальнойвеличинысигналаатмосферика:L=D((N+* N-)/( Eср.кв.* Hср.кв))0,5,где D – постоянный (нормировочный) коэффициент; Eср.кв =((Ei-Eср)2/n)0,5; Ei – n оцифрованныхАЦП значений Е - составляющей атмосферика, Eср – среднее значение Е-составляющей втечение той миллисекунды, в которой зарегистрирован атмосферик.

Использование четырехпризнаков нормализует распределение и уменьшает погрешность измерений.Значение H-составляющей определяется как корень квадратный из суммы квадратоввеличин сигналов, принятых на две скрещенные рамочные антенны:Hср.кв=((((Uс-ю, i-Uср, с-ю)2-U2ф, с-ю)+ ((Uв-з, i-Uср, в-з)2-U2ф, в-з))/n)0,5.47Среднеквадратичные значения амплитуды сигналов атмосфериков, приходящихизодного очага, имеют асимметричное распределение. Мода этого распределения сдвинута всторону меньших амплитуд, трактуемых как большие расстояния.

Амплитуды сигналов,принимаемых антеннами, обратно пропорциональны дальности.Ошибка определения координат молниевого разряда по указанной методикеоднопунктовой дальнометрии составляет ~18%.Для разделения межоблачных и наземных разрядов используется алгоритм, основанныйна том, что спектр сигналов межоблачныхразрядов является более высокочастотным посравнению с сигналами наземных разрядов. В эксперименте, граница раздела (пороговаячастота) определяется в начале сезона и в последующем контролируется. Атмосферик счастотой,превышающейпороговую,рассматриваетсякакмежоблачный.Такжеотбраковываются сигналы, у которых нарушено амплитудное соотношение электрической имагнитной составляющих сигнала (во многих случаях это обусловлено наложением несколькихатмосфериков).Затемпознакупервогоквазиполупериодаатмосферикаразделяютсяположительные и отрицательные наземные разряды.Детальное описание методики вычисления координат по данным грозопеленгаторадальномера ИКФИА СО РАН приводится в монографии [280].2.2 Аппаратура для измерения атмосферного электрического поляПриборы для измерения атмосферного электрического поля можно условно разделить надве группы по принципу работы.

К первой группе относятся методы измерения разностипотенциала между двумя точками , разнесенными по высоте согласно соотношению E = dV/dh. В первую группу попадают первые приборы созданные для наблюдения атмосферногоэлектричества - в первую очередь коллекторы: капельные [118], радиоактивные [221],факельные [207] и т.д.Вторую группупредставляютдинамическиеспособы измеренияатмосферногоэлектричества, основанные на явлении индуцированных зарядов согласно соотношению E =∂V/∂n = 4πσ. Основная идея таких приборов заключается в преобразовании квазипостоянногополявпеременноепосредствомпериодическогоэкспонированияиэкранированияизмерительной пластины вращающейся заземленной пластиной (рисунок 2.4).

Характеристики

Список файлов диссертации