Диссертация (1149579), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В силу этого, в дальнейшем рассмотрении мы не будем учитыватьвертикальную компоненту магнитного поля и горизонтальные компонентыэлектрического поля и .Для локации грозовых источников по всему земному шару по данным однойстанции подходит диапазон частот примерно 5 - 45 Гц. В этом диапазоне частототсутствуют гармоники основной частоты линий электропередач, а малоезатухание волн на этих частотах дает возможность возмущению, вызванномумолниевым разрядом, несколько раз обойти вокруг земного шара перед14тем, как затухнуть до уровня шумов волновода Земля-ионосфера. Точностьопределения положения источника зависит от отношения сигнал/шум, поэтомудля задач локации подходят только мощные возмущения, получившиеназвание Q-всплески из-за характерного поведения сигнала во времени,напоминающего поведение маятника с добротностью = 5 − 7 [67].
Вкачестве оценки азимута источника выбирается направление малой оси эллипсаполяризации магнитного поля. При этом возникает неопределенность ±180∘ ,которая при использовании результатов наблюдений двух горизонтальныхкомпонент может быть исключена только привлечением дополнительнойинформации о положении источников. Основными препятствиями на путирегулярного использования Q-всплесков для оценки параметров глобальногорезонатора Земля–ионосфера является редкость прихода Q-всплесков нарегистрирующие станции и трудность их выделения из потока атмосфериков,не обладающих свойствами Q-всплесков. В работе [102] рассмотрены вопросыавтоматизации отбора Q-всплесков и критерии их выделения, к которымотнесены такие свойства, как квазипериодичность, превышение определенногопорога амплитуды и экспоненциальный характер затухания.
Нужно отметить,что автоматизация отбора атмосфериков, пригодных для измерения скоростираспространения электромагнитных возмущений на авроральной трассе,является актуальной и для более высоких частот.Первая попытка совместного использования результатов наблюденийкомпонент и Q-всплесков на одной станции для определения расстояниядо молниевого разряда была предпринята в работах [47; 52].
Для этого авторыиспользовали волновой импеданс () = ()/ (), где () и () естьпреобразование Фурье от временной формы Q-всплеска. Разная зависимостьамплитуд магнитного и электрического поля первых шумановских резонансовот расстояния между молниевым разрядом и точкой регистрации даетвозможность определить это расстояние по отношению () = ()/ ().Применение () для решения этой задачи было впервые предложено вработах [90; 92].
Таким образом, привлечение результатов наблюдений вдополнение к наблюдениям и позволило не только оценить расстояниедо источника, что несомненно актуально при локации грозовых очагов, но иснять неопределенность ±180∘ при определении азимута на источник.15Здесь и далее через обозначена измеренная в точке наблюдениявертикальная компонента электрического поля в декартовой системе координат,первая, вторая и третья оси которой направлена на географический север,восток, вертикально вниз, соответственно, а – это полученная приизмерениях горизонтальная компонента магнитного поля, вычисляемая каксумма проекций и на большую ось эллипса поляризации магнитного поляЭМ возмущения. Компонента имеет знак, обратный знаку , а совпадаетс , где и – компоненты поля в сферической системе координат,которая обычно применяется в теоретических моделях распространения ЭМвозмущений.Единственной распространяющейся модой волновода Земля-ионосфера вСНЧ диапазоне является мода ТЕМ.
Ее основные характеристики, такие какфазовая скорость ph и коэффициент затухания , связаны со структуройволновода. При отсутствии ионосферных неоднородностей в окрестности точкинаблюдений можно сделать оценку величин ph и по данным однойстанции, измеряя действительную и мнимую части отношения вертикальнойэлектрической к горизонтальной магнитной компоненте. На целесообразностьиспользования связи между действительной частью отношения / ифазовой скоростью распространения ТЕМ моды ph , а также мнимой части / и затухания ТЕМ моды при исследовании распространения СНЧ волнпо волноводу Земля-ионосфера указал D.
Llanwyn Jones [46]. Для сферическислоистой изотропной модели ионосферы справедливо выражение [46; 90]:=−120Отметим,чтоэто(︂ph)︂соотношение(︂)︂− 5.49справедливо(1.1)дляединственнойраспространяющейся ТЕМ моды [90] и не учитывает наложения волн,обошедших вокруг Земли. Это удобно для анализа поведения волновогоимпеданса и его реакции на гелиогеофизические возмущения, проведенного вданной работе.ИспользуяQ-всплескидляоценкирасстояниядоисточникаЭМвозмущения, по данным одновременной регистрации в диапазонах СНЧи ОНЧ в обс. Kochi, Япония (33.3 N, 133.4 E) авторы работы [69] сумели16оценить величину скорости распространения ЭМ возмущений в волноводеЗемля-ионосфера по времени задержки между приходом Q-всплесков исоответствующих им высокочастотных атмосфериков.
Для измерения как вСНЧ, так и в ОНЧ диапазонах в работе [69] применялась антенна в виде шара,расположенного на высоте 3.8 м над земной поверхностью. Для анализа былиотобраны ЭМ возмущения, вызванные молниевыми разрядами на расстоянияхпорядка 10–15 тыс.
км от обс. Kochi. Для отбора сигналов, пришедших свыбранного расстояния, авторами [69] был применен способ, описанный в[47; 52]. По их оценкам, на частоте первого шумановского резонанса скоростьраспространения ЭМ сигнала составила 265 ± 1 тыс. км/с, а в ОНЧ диапазоне– 295 ± 3 тыс. км/с. Отметим, что эти величины скорости определяютсясостоянием волновода Земля-ионосфера вдоль всей трассы длиной 10-15 тыс.км, по которой распространялся ЭМ сигнал от молниевого разряда.Результаты измерений вертикальной компоненты электрического поля вместе с горизонтальными компонентами магнитного поля и могутбыть использованы для обнаружения локальных неоднородностей D-слояионосферы (под неоднородностями ионосферы здесь и далее понимаетсялюбое отклонение профиля проводимости от сферически-слоистой модели).В диссертационной работе В.
В. Кириллова [109] рассмотрены изменения при прохождении терминатора через точку наблюдения. В работахА. П. Николаенко [64; 128] рассмотрено изменение вблизи небольшихионосферных неоднородностей проводимости. Из этих работ и из достаточнообщего рассмотрения структуры поля в СВЧ волноводах [107] следует, чтовертикальная компонента электрического поля более чувствительна к влияниюнеоднородностей профиля проводимости ионосферы, чем горизонтальнаямагнитная компонента. Отсюда можно сделать вывод, что вблизи локальныхионосферных неоднородностей должны наблюдаться отклонения / отневозмущенных значений, а само отношение может служить индикаторомприсутствия неоднородностей около места регистрации.171.1.2Трехкомпонентнаясистемасбораданных,разработанная в King’s CollegeВ 1986 году в King’s College (четвертом старейшем университете в Англии)была запущена программа экспериментальных исследований СНЧ диапазона,включающая в себя в том числе разработку и модернизацию системы сбораданных.
Авторы отмечают, что для исследований физических процессовраспространения СНЧ сигналов в волноводе Земля-ионосфера и локациимолниевых разрядов по данным одной станции достаточно регистрироватьтолько одну вертикальную электрическую и две горизонтальных магнитныхкомпоненты. Остальные компоненты ЭМ поля, измеряемые у земнойповерхности, малы в рассматриваемом частотном диапазоне по сравнению с , и и поэтому несущественны для задач распространения [15]. Блок-схемасистемы сбора данных для регистрации трех компонент электромагнитногополя в СНЧ диапазоне, описанная в [15], приведена на рис. 1.1.Рисунок 1.1: Блок схема трехкомпонентной системы сбора данных в СНЧдиапазоне [15].18Эта система была развернута в английском местечке Chilbolton (51.14∘ N,1.44∘ W) на удалении от промышленных предприятий для уменьшения помехот линий электропередач, в основном с частотой 50 Гц и их гармоник.Регистратор . Установленная в Chilbolton [15] антенна для регистрации выполнена в виде металлической треноги.
Разработчики опасалисьвозникновения помех, вызванных колебаниями антенны в электростатическомполе Земли под действием ветра, и такая конструкция была выбрана изза ее хорошей механической устойчивости. Выходное напряжение антенны рассчитывается как = ℎeff , где ℎeff - эффективная высота антенны,определяемая при калибровке регистратора. Напряжение было приложенона вход антенного предусилителя с входным импедансом 10 ГОм.
Значенияамплитудно-частотной характеристики такой активной антенны уменьшаютсяс уменьшением частоты, поскольку ее эквивалентная схема представляет собойисточник напряжения, включенный последовательно с эффективной емкостьюантенны (примерно 75 пФ) и присоединенный к резистору 10 ГОм, образуяфильтр верхних частот.
Частота среза такого фильтра составляет около 0.3 Гц,что позволяет ослабить помехи, лежащие за пределами исследуемой полосычастот. Последовательно с антенной был включен резистор 250 кОм, служащийдля подавления сигналов мощных радиостанций и телевизионных сигналов.Предусилитель был установлен в небольшой герметичный металлическийкорпус, который размещался непосредственно на треноге антенны. Это былосделано для уменьшения ослабления сигнала, которое может возникнуть из-завлияния паразитной емкости между соединительным кабелем и землей.После предварительного усиления сигнал с выхода антенного усилителяпоступал на основной усилитель, включающий в себя так называемый«ветровой фильтр» — фильтр верхних частот Чебышева с полосой до 5 Гц (4полюса, неравномерность АЧХ в полосе пропускания 0.1 дБ).
Для подавленияпомехи от линий электропередач был применен фильтр Чебышева нижнихчастот с частотой среза 55.5 Гц (3 полюса, неравномерность АЧХ в полосепропускания 0.1 дБ). Далее формировался дифференциальный сигнал дляпередачи в удаленную от антенны обсерваторию по симметричной линии связи.В обсерватории перед аналого-цифровым преобразованием симметричный19сигнал преобразовывался в несимметричный и проходил через anti-aliasingфильтр. Для оценки эффективности этого фильтра применялось простоеправило — затухание фильтра на найквистовой частоте должно быть равноили больше, чем отношение шага квантования АЦП к максимальномупреобразуемому напряжению.Калибровка магнитных и электрической антенн по данным [15].Калибровкарегистрирующейаппаратурыявляетсянеобходимымтребованием для получения точных геофизических данных при использованиидатчиков, передаточные характеристики которых не были определеныпри изготовлении, либо могут изменяться со временем [150].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
