Диссертация (1149579), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Созданиеизмерительного канала с отдельным АЦП стало возможным только врезультате применения разработанной автором (см. главу 3) численной схемыинтерполяции сигналов с разной частотой дискретизации и приведения их квыбранной частоте с сохранением точной синхронизации отсчетов с мировымвременем.2.1.1Включение регистраторав систему наблюдениймагнитных компонент обс. ЛовозероБлок-схема регистратора , в котором произведено отделение землиантенны от земли обсерватории и тем самым обеспечен приемлемый уровеньсетевых помех с частотой 50 Гц и гармоник этой частоты, показана на рис.
2.1вместе с регистратором , , .Рассмотрим работу канала системы сбора данных в Ловозеро и обсудимего основные свойства. Активная антенна в составе полотна антенны иантенного усилителя преобразует изменения вертикального электрическогополя в напряжение. Эта часть регистратора разработана автором ибудет рассмотрена в деталях позже. С выхода усилителя сигнал подаетсяна фильтр нижних частот (ФНЧ) второго порядка с частотой среза 160 Гц,служащий для подавления зеркальных частот (anti-alias фильтр), функцияпередачи которого совпадает с произведением функций передачи ФНЧ1 иФНЧ2 магнитного регистратора. Для устранения постоянной составляющейсигнала на выходе фильтра предусмотрена RC-цепочка, образующая фильтрUSBРегистраторRS232СинхронизаторAD7716ФНЧ2ФНЧ2GPSUSBРегистраторRS232СинхронизаторRS485RS485AD7716ФНЧ2ФНЧ1ФНЧ1ФНЧ1ФНЧ156Пунктиром показаны компоненты регистраторов , , и ,установленные вне здания обс.
Ловозеро для снижения уровня помех. Штрих–пунктирной линией обозначен регистратор , установленный в дополнение кработающему регистратору , и .Рисунок 2.1: Блок схема регистратора , и , дополненнаярегистратором .высоких частот (ФВЧ) первого порядка с частотой среза 0.001 Гц. АЦПс гальванически разделенными аналоговой и цифровой частями установленоколо антенны. Цифровой сигнал в последовательном коде подается навход линейного драйвера интерфейса RS-485. Таким образом, информацияпередается по линии связи в цифровом виде, что исключает искажения ипомехи, часто наблюдающиеся при передаче аналоговых сигналов на большиерасстояния, а также возникновение паразитной обратной связи между линиейи антенной.
Синхронизатор [132] по приходу положительного фронта импульсаPPS, вырабатываемого приемником GPS, вставляет метки времени в пакетыданных, сформированные АЦП, обеспечивая их синхронизацию с мировымвременем. Последовательный поток данных передается в компьютер через USBинтерфейс и записывается на жесткий диск в виде часовых файлов.572.1.2Активная антенна для измеренияАктивная антенна - это антенна, содержащая в своей структуреактивные устройства, в частности усилители мощности (передающая активнаяантенна) или малошумящие усилители (приёмная активная антенна) [149].К активным антеннам обычно относят такие устройства, в которыхразнесение активной и пассивной части либо вообще невозможно, либоприводит к существенному изменению их характеристик. Преобразовательизменений напряженности вертикального электрического поля СНЧ диапазонав напряжение является активной антенной.
Перемещение входного усилителя,который штатно расположен вместе с пассивной частью антенны, на расстояниедаже в несколько десятков метров приведет к неприемлемой величинезатухания принятого антенной сигнала из-за падения напряжения на емкостисоединительного кабеля и других элементах конструкции вследствие высокоговыходного импеданса пассивной части антенны. Поэтому пассивные элементыконструкции антенны и ее активный элемент – входной усилитель далеерассматриваются как единое целое.Совместный анализ компонент электрического и магнитного поля требуетсогласования передаточных функций соответствующих каналов регистраторов.Безусловно, на данном этапе конструирования можно не заботиться о такомсогласовании и сформировать в достаточной степени произвольную функциюпередачи канала , исходя из критериев удобства подбора элементов, а вдальнейшем, при обработке данных, произвести программное согласованиепередаточных функций регистраторов.
Однако при таком подходе выигрышво времени будет незначительным, а отсутствие согласования на уровне схемприведет к усложнению процесса обработки и, в конце концов, потребуетбольшего количества времени. В связи с этим, целесообразно проводитьсогласование передаточных функций регистраторов на этапе разработкиаппаратурной составляющей регистратора электромагнитного поля.Длярегистрациивертикальнойкомпонентыэлектрическогополяимпульсных электромагнитных сигналов – атмосфериков, в обс. Ловозероустановлена электрическая двухпроводная антенна [99], мачты которойразнесены на расстояние 13.5 м, а расстояние между проводами составляет0.9 м.
Провода антенны подняты на высоту 10.5 м от поверхности земли.58Обоснованием целесообразности использования данного типа антенн длярешения задач диссертации является следующее:– бо́льшая емкость антенны по сравнению со штыревой или шарообразной,что уменьшает выходной импеданс пассивной части антенны и снижаеттребования к величине входного импеданса антенного усилителя. Какследствие, в активной антенне может использоваться усилитель сменьшим входным сопротивлением, что приводит к уменьшению влиянияизменений влажности воздуха на характеристики активной антенны иуменьшению уровня ее собственных шумов;– простота расчета действующей высоты, которая в данном случаепрактически точно совпадает с высотой подвеса проводов антенны;– уменьшение влияния электростатического шума приземного слояпо сравнению с его влиянием на штыревую или шарообразнуюантенну.
Это достигается за счет бо́льших размеров, чем у штыревойили шарообразной, что обеспечивает усреднение мелкомасштабныхзаряженных неоднородностей приземного слоя атмосферы на длинеантенны.Однако, у такого типа антенны есть недостаток - малая жесткость. Онаприводит к колебаниям проводов антенны в электростатическом поле Земли и,как следствие, появлению помех на частотах механического резонанса антенны(примерно 2-3 Гц). Поскольку эти частоты не входят в диапазон частот,рассматриваемый в работе, возникающие колебания не мешают устойчивойрегистрации вертикальной компоненты электрического поля.Дляснижениявлиянияэлектростатическогополяпромышленныхпомех и качественного заземления в конструкции антенны включена такназываемая «искусственная земля», для чего развернута система противовесов,представляющая собой набор проводов длиной в 2-3 раза больше высотыантенны, растягиваемых радиально от ее мачт.
Свободные концы проводовзаземлены при помощи кольев, забитых в грунт. Такая конструкция позволяетуменьшить изменения параметров антенны в зависимости от погоды, глубиныпромерзания почвы, времени года и других факторов.59Рассмотрим эквивалентную схему самой антенны и входной цепи первогокаскада антенного усилителя, представленную на рис. 2.2. Анализ этой цепинеобходим для расчета функции передачи всего усилительного тракта.
Далеемы будем использовать ее при согласовании характеристик магнитных иэлектрических регистраторов.АнтеннаПунктиром выделены элементы антенны – ее собственная емкость , емкостьантенна-земля и емкость коаксиального кабеля, соединяющего проводаантенны с усилителем .Рисунок 2.2: Эквивалентная схема входной цепи антенного усилителя .Здесь пассивная часть электрической антенны представлена с помощьючетырех параметров, определяемых ее конструкцией.
К ним относятся ℎeff эффективная высота антенны, емкости , и - собственная емкостьантенны, емкость антенна-земля и емкость кабеля соединяющего антенну сусилителем, соответственно. Все остальные элементы, кроме конденсатора ,установлены на плате антенного усилителя и их значения известны с точностьюоколо 1%. Рассмотрим их назначение и влияние на функцию передачи активнойантенны.Сопротивление 0 служит для стекания электрических зарядов с антенны,которые могут накапливаться в сухую морозную погоду или перед грозой.Его величина выбрана около 80–100 МОм.
Величина этого сопротивления,с одной стороны, должна быть настолько большой, чтобы не допуститьискажения функции передачи преобразователя на низких частотах. Сдругой стороны, это сопротивление не должно быть чрезмерно большим,чтобы не допустить накопления электростатического заряда на полотнеантенны. Высоковольтный конденсатор 0 служит для предотвращения пробояактивного элемента первого каскада антенного усилителя при грозах иметелях, иногда вызывающих быстрое накопление заряда на антенне, не60успевающего стекать через резистор 0 .
Для минимизации влияния емкости0 на передаточную характеристику усилительного тракта необходимо, чтобыее значение было выбрано много больше чем значение собственной емкостиантенны. Сопротивление 1 и емкость 1 образуют ФНЧ первого порядкадля подавления сигналов высоких частот, которые могут вызвать перегрузкупервого каскада и возникновение комбинационных частот, попадающихв исследуемый диапазон. Кроме того, сопротивление 1 устанавливаетсядля ослабления радиочастот от 500 Гц до нескольких МГц, а такжедля исключения детектирования сигналов радиостанций на входных цепяхусилителя. Сопротивление 2 определяет АЧХ на нижних частотах диапазона.Как будет показано далее в разделе 2.2.1, конденсатор используется приизмерении ФЧХ и выбирается, исходя из результатов расчета емкостей , и .
Генератор низкой частоты gen подключается только при измерениях АЧХи ФЧХ измерительного канала .2.1.3Согласованиефункцийпередачимагнитныхиэлектрического преобразователейДлясогласованияпередаточныххарактеристиквертикальнойэлектрической антенны и магнитных индукционных датчиков рассмотрим ихэквивалентные схемы с подключением к первому каскаду усилителя (рис. 2.3),что образует измерительные преобразователи компонент поля в напряжение.Регистрация трех магнитных компонент в диапазоне СНЧ началась задолгодо начала регистрации вертикальной электрической компоненты и велась втечение многих лет, поэтому изменение передаточной функции магнитныхкомпонент недопустимо с точки зрения удобства обработки и анализа данных.Далее мы будем считать передаточную функцию первого каскада усилителямагнитных компонент известной и будем подстраивать передаточную функцию к ней.Передаточные функции магнитных () компонент поля и вертикальнойэлектрической () компоненты [111; 112]: () =/= 2, 1 1 ( / ) + (1 1 + / ) + 1(2.1)61R3R4c1Larar1R1Ca-sGBEzheffCgCcC1R2Слева – датчик индукционного магнитометра с усилителем, справа– электрическая антенна с усилителем, схема которого соответствуетприведенной на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
