Диссертация (1149467), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Возможной причиной может служить геометрия канала, егоизвилистостьиветвистость,тогдакаквлитературевосновномрассматривается вертикальный линейный молниевый канал. Разработкемолниевого канала произвольной пространственной конфигурации будетпосвящена вторая глава.19Для упрощения расчетов при нахождении компонент поля отмолниевого разряда, как правило [Dennis, Pierce, 1964; Hill, 1966; Iwata,1970], используется модель молниевого разряда в виде диполя. Основныекомпоненты поля выражаются в виде:1 ⎛⎜ M1 dM1 d 2M++ 2E z ( D, t ) = −4πε 0 ⎜⎝ D 3 cD 2 dtc D dt 2⎞⎟,⎟⎠μ 0 ⎛⎜ 1 dM1 d 2 M ⎞⎟+Bϕ (D, t ) =cD dt 2 ⎟⎠4π ⎜⎝ D 2 dtHгде M = 2 ∫ ρ (t − D c )zdz – дипольный момент, задержанный на время0t − D c , D – расстояние от излучателя до точки наблюдения, ρ – плотностьзаряда вдоль канала высотой H , ε 0 – диэлектрическая проницаемость, c –скорость света.В работе [McLain, Uman, 1971] приводится обоснование применениядипольногоприближения.Обратныйударрассматриваетсяввидевертикального канала, расположенного на идеально проводящей плоскости.Компоненты поля от канала, вдоль которого течет ток, представляются ввиде:H2 ⎡ H t 2 − 3 sin 2 θ2 − 3 sin 2 θE ( D, t ) =i( z ,τ − r c )dτ dz + ∫i ( z , t − r c )dz −⎢∫∫24πε 0 ⎣ 0 0r3cr0sin 2 θ ∂i( z , t − r c )⎤−∫ 2⎥,∂tcr0⎦H2 μ 0 H ⎧ sin θ ⎡ i ( z , t − r c ) 1 ∂i ( z , t − r c )⎤ ⎫Bϕ (D, t ) =+∫⎨⎥⎦ ⎬dz .rc4π 0 ⎩ r ⎢⎣∂t⎭Геометрия и обозначения представлены на Рис.
1.1.20zdzHθri( z , t )DzPРис. 1.1. Геометрия и обозначения вертикального молниевого канала и точкинаблюдения.При больших удалениях D >> H угол θ ≈ 90° и r ≈ D , и это выражениеможно переписать в видеM c (t )1 ⎛⎜ 1 t1 dM c (t ) ⎞⎟()++ττ,E z (D, t ) ≅ −Md∫ c4πε 0 ⎜⎝ D 3 0cD 2c 2 D dt ⎟⎠Bϕ (D, t ) ≅μ0 ⎛ M c1 dM c ⎞⎜ 2 +⎟,cD dt ⎠4π ⎝ DHгде токовый момент определяется как M c = 2 ∫ i ( z , t − r c )dz .
Сравнивая с0дипольным представлением, видно, что уравнения идентичны приdM dM c d 2 M∫ M c dt ≅ M , M c ≅ dt , dt ≅ dt 2 .0tДалее выводится более точное условие применимости дипольногоприближения:d HH2 d2 H∫ i(z, t − D c )dz >> 2cD dt 2 ∫ i(z, t − D c )dzdt 00и утверждается, что для вычисления компонент поля применение дипольногоуравнения справедливо в случае, если а) D >> Hи б) длины волн,H2.
Например,генерируемые током канала, должны быть больше значения2D21если H = 5 км и D = 50 км, то длины волн должны быть больше 250 м(частоты меньше 1,2 МГц).Данныеаналитическиеоценкиприведеныдлявертикальногомолниевого канала (разряды ОЗ), мы же во второй главе на основеразработанной модели молниевого разряда произвольной пространственнойконфигурации произведем расчетные оценки применимости дипольногоприближения как для разрядов на землю, так и для внутриоблачныхразрядов.Разработка модели сильноточного молниевого разряда как источникаимпульсногоЭМИ,пригоднойдляпоследующегопрактическогоиспользования, предполагает знание не только пространственной структурыразряда, но и свойств источника (например, дипольного момента). Вволновой зоне поле диполя можно рассматривать как вторую производнуюдипольного момента, и для учета вариаций источника можно рассматриватьвариации поля.
Несмотря на многообразие волновых форм атмосфериков,представляется возможным провести их описание в рамках той или инойклассификации, первые достаточно обоснованные попытки которой былисделаны еще в работе [Taylor, 1963], Рис. 1.2.Рис. 1.2. Типы форм атмосфериков, [Taylor, 1963].22Однако в этой и ряде последующих работ приводились лишь конкретныеобразцы осциллограмм типичных сигналов, представляющих отдельныетипы (классы) и оценки их некоторых параметров (крутизна переднегофронта, длительность и амплитуда первой полуволны). Статистическиехарактеристики, определяющие изменчивость волновых форм в целом, ихвзаимная коррелированность в пределах выделенных типов или между нимине были исследованы. В отличие от известных работ, производящихклассификацию безотносительно расстояния, во второй главе предлагаетсяпровести классификацию форм электромагнитного излучения молниевыхразрядов в диапазоне расстояний 50…150 км от пункта регистрации. Нижняяграницадиапазонапозволяетисключитьвлияниеиндукционногоистатического членов в дипольном представлении вертикальной компонентыэлектрического поля (т.е.
рассматривать поле пропорционально второйпроизводной дипольного момента). Учет временных границ сигнала (до 200мкс) позволяет исключить влияние ионосферных отражений.Радиотехнические пассивные системы местоопределения грозовыхочагов, основанные на использовании импульсного электромагнитногоизлучения сильноточных молниевых разрядов, развернуты в большинстверазвитых стран мира.
Основные тенденции дальнейшего развития имодернизации таких систем местоопределения грозовых очагов связаны ссущественным расширением зоны их оперативного обслуживания примаксимально возможном сохранении высокой эффективности обнаружения иточности локации отдельных молниевых разрядов.Наибольшеераспространениеполучилимногопунктовыепеленгационные (ПСМ), разностно-дальномерные (РДСМ) и гибридныесистемы местоопределения (использующие технические средства обоихтипов). В свою очередь, из этих систем наибольшее распространениеполучают РДСМ, несмотря на то, что для их развертывания и использованиятребуетсябольшееколичестворазнесенныхпунктоврегистрацииатмосфериков, более высокие требования к дискретизации сигналов иточности их временной синхронизации.
Уровень развития современнойтехники (наличие высокоскоростных многоразрядных АЦП и высокоточнойвременнойсинхронизациисиспользованиемGPSилиГЛОНАСС)обеспечивает выполнение этих требований, что позволяет получить более23чем на порядок высокую (по сравнению с ПСМ) точность местоопределениягрозовых разрядов.Кромемногопунктовыхсистемместоопределениясуществуютоднопунктовые грозопеленгаторы-дальномеры (ГПД). При своей невысокойточности (по сравнению с многопунктовыми системами) ГПД обладаютрядом преимуществ. Основными достоинствами однопунктового ГПДявляется автономность и дешевизна.
Они могут быть использованы нааэродромах, складах взрывчатых веществ, местах открытых горныхразработок, в лесничествах, на борту самолетов и судов. При разработкеоднопунктовых дальномерных устройств используется параметрическиеметоды, где параметры, характеризующие структуру электромагнитного полямолниевых разрядов, зависят от расстояния.Амплитудные значения импульсов молниевых вспышек, фиксируемые вразличных частотных диапазонах, являются простейшими параметрами,которые могут быть использованы для целей дальнометрии [Кононов,Петренко, Снегуров, 1986]. Рабочие частоты, используемые в целяхдальнометрии, занимают диапазон, где энергия излучения молниевойвспышки достаточно велика, чтобы обеспечить его надежное выделение нафоне естественных и промышленных помех. Для оценки дальностииспользуются амплитудные значения отдельных импульсов, обусловленныхобратными ударами.
В амплитудном методе определяется только одинпараметр – амплитуда, который считается однозначно связанным с искомойдальностью.Амплитудныйметодприменяетсяприразработкепростейшиходнопороговых устройств-грозорегистраторов. Они регистрируют импульсымолний, амплитуда которых превышает заданный уровень. Как правило, вгрозорегистраторахприменяетсяэлектрическаяантенна,обладающаякруговой диаграммой приема. Основное назначение грозорегистраторов, илисчетчиков молний, заключается в определении числа грозовых разрядов наплощади в радиусе R от пункта регистрации [Диневич, Малыхин, Снегуров,1975; Дульзон, Потапкин, 1977]. Наряду с однопороговыми устройствамигрозорегистраторамиприменяютсямногопороговыесистемы,которыеобеспечивают регистрацию разрядов по нескольким градациям дальности[Иньков, 1978; Курилов, Дронов, Смирнов, 1977]. Также разрабатываются24амплитудныегрозопеленгаторы-дальномеры[Ryan,Spitzer,1977],отличающиеся тем, что вместо градаций дальности в них используетсянепрерывная шкала дальности.
При этом считается, что амплитуда поляизменяется обратно пропорционально расстоянию.Данныеэкспериментальныхизмеренийпоказывают,чтовнутриочаговый разброс амплитуд атмосфериков в среднем составляет 5…6дБ. Если ориентироваться на возможность получения осредненной оценкиамплитудпонесколькиматмосферикам,тоточностьопределениярасстояния, казалось бы, может существенно возрастать. Таким образом, приосреднении, например, по 15 атмосферикам точность оценки дальностидостигает вполне приемлемых значений около ±20 %. Однако для того,чтобы провести осреднение по большому числу атмосфериков прималоинтенсивных грозах, необходимо затратить 30…60 мин. За этотпромежутоквременисмещениеочагаможетзаметноперекрытьдоверительные границы.
Хотя этот метод применим как для ближней(10…100 км), так и для средней зоны (100…1500 км), еще одним фактором,ограничивающим точность, является значительное межочаговое различиемедианныхзначенийамплитуд.Поэтомуэффективноезначениесреднеквадратичного отклонения оказывается близким к значениям 8…10дБ, наиболее часто приводимым в литературе, что приводит к существеннымошибкам определения дальности.Предпочтительнеепредставляютсяметодыдальнометрии,исключающие вариации источника (дипольного момента P) [Кононов,Петренко, Снегуров, 1986]. Реализация их возможна как во временной(импульсные алгоритмы), так и в спектральной (амплитудные и фазовыеалгоритмы)областях.Такиеалгоритмы,известныекакEH-методы,основываются на различном поведении электрической и магнитнойкомпонент поля от расстояния.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
