Диссертация (1149579), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Даже еслипередаточные характеристики датчиков известны, то при их подключениик регистрирующей аппаратуре требуется полная калибровка измерительныхтрактов. Ниже описаны методы, нашедшие применение для калибровки какэлектрической, так и магнитных антенн, установленных в Chilbolton [15]. Прикалибровке предполагалось, что передаточные функции преобразователейэлектрического и магнитного поля в напряжение совпадают с точностью допостоянного множителя.
Для этого в измерительные каналы магнитного полябыли введены интеграторы напряжения (см. рис. 1.1).Калибровкамагнитныхканалов. Калибровка магнитных каналовсистемы сбора данных в Chilbolton [15] производилась в два этапа. Напервом этапе определялись частотные характеристики с точностью допостоянного множителя. Для этого в калибровочные катушки, расположенныена индукционных магнитометрах, подавались короткие импульсы, входной ивыходной сигналы подвергались преобразованию Фурье, а затем сравнивалисьвходные и выходные сигналы в частотной области.
По-видимому, был примененклассический метод получения передаточной функции, описанный в [105]. Дляполучения абсолютных значений чувствительности магнитых антенн былосоздано синусоидальное магнитное поле известной напряженности при помощикалибровочной катушки, расположенной на расстоянии в несколько десятковметров от антенны. Влияние проводимости земной поверхности, которое впринципе может привести к появлению зеркального отражения калибровочной20катушки, считалось пренебрежимо малым, поскольку катушка и приемнаяантенна были разнесены на расстояние, на несколько порядков меньшее, чемглубина скин-слоя в месте установки антенн [91]. Чувствительность магнитныхканалов, измеренная по отношению ко входу АЦП, составляла около 3 В/нТ.Калибровка электрической антенны в Chilbolton.
Авторы [15]отмечают, что метод, аналогичный методу калибровки магнитных каналов,для калибровки электрической антенны не может быть применен из-за того,что очень трудно, а на практике скорее всего вообще невозможно, создатьоднородное электрическое поле, имитирующее поле ТЕМ волны, в окрестностиэлектрической антенны из-за ее больших геометрических размеров.
Поэтомуавторами [15] был применен следующий метод. Сначала была измереначастотная характеристика измерительного канала электрической компоненты.Импульсы были поданы на вход предусилителя через конденсатор емкостью75 пФ, равной собственной емкости измерительной антенны. Эффективнаявысота антенны была определена при помощи сравнения амплитуды сигналана измерительной антенне с сигналом, принятым калибровочной антенной,состоящей из двух параллельных металлических пластин.
В качестве источникакалибровочного сигнала использовался сигнал ОНЧ передатчика RugbyVLF (GBR) на частоте 16 кГц. Калибровочная антенна состояла из двухпараллельных металлических пластин, расположенных на расстоянии 0.1м, которое может рассматриваться как эффективная высота калибровочнойантенны. Чувствительность электрического канала, приведенная ко входуАЦП, составляла примерно 7 В/(В/м).1.1.3Система регистрации магнитного поля ПГИНаблюдения микропульсаций трех компонент магнитного поля ( , , ) с помощью индукционных магнитометров были начаты в Полярномгеофизическом институте в 1966 году в обс.
Ловозеро. Несколько позжеизмерениямагнитныхкомпонентбылидополненыизмерениямидвухгоризонтальных электрических компонент. В 1980 году такая же системарегистрации компонент магнитного поля была установлена в обс. Баренцбург.21Преобразователи изменений индукции магнитного поля в электрическийсигнал (индукционные магнитометры) были разработаны и изготовлены вПГИ [106]. Каждый индукционный магнитометр состоит из 10-ти катушек,расположенных на ферромагнитном стержне диаметром 45 мм и длиной 600мм. Каждая катушка содержит 640000 витков медного провода.
Разделениеобмотки индукционного магнитометра на несколько секций сделано дляуменьшения собственной емкости обмоток, и, следовательно, увеличенияего собственной резонансной частоты. Сверху расположена калибровочнаякатушка, предназначенная для проведения оперативной калибровки датчикаи измерительных каналов магнитного поля. Эта конструкция заключенав электростатический экран для защиты от помех в виде изменяющегосяэлектрического поля.Вначалеизмеренийвкачествепреобразователейаналоговогоэлектрического сигнала в цифровой (АЦП) были использованы устройствафирмы L-card типа L-305, которые позже были заменены на АЦП Леонардо–II ЗАО «Руднев-Шиляев».
Результаты наблюдений были использованы вбольшом числе работ, в основном содержащих исследование поведениямагнитного и электрического поля на частотах шумановских резонансов[57; 75; 78; 141] и анализ влияния гелиогеофизических событий на частотуи добротность шумановских резонансов [73; 74; 76; 77; 140].
Начиная с2008 года в Ловозеро и Баренцбурге эксплуатируется разработанная в ПГИсистема сбора геофизических данных, основным отличием которой являетсяорганизация прецизионной связи каждого отсчета данных и мирового времениэтого отсчета с абсолютной ошибкой, не превышающей 1 мкс [132; 147].Именно формирование прецизионной привязки данных ко времени в обс.Ловозеро и в обс. Баренцбуг обеспечило возможность измерения скоростираспространения ЭМ возмущений в авроральной зоне в окрестности трассыБаренцбург-Ловозеро.Система сбора данных ПГИ. Система сбора геофизических данныхПГИ (рис.
2.1), эксплуатируемая в настоящее время, имеет 4 канала,оцифровка которых производится параллельно, что исключает временныесдвиги между каналами, неизбежные для АЦП с мультиплексированием22каналов. Данная система позволяет вести измерения аналоговых сигналов,поступающих с геофизических датчиков, в частотном диапазоне до 257Гц (частота дискретизации устанавливается программно) с динамическимдиапазоном 105 дБ и разрешением порядка 1 мкВ (используется 22-битныйАЦП AD7716 фирмы Analog Devices).
АЦП вместе с датчиками может бытьудален от регистратора на расстояние порядка нескольких километров. В этомслучае для передачи данных применяется интерфейс RS-485. Для реализацииширокого динамического диапазона в описываемой системе сбора примененополное гальваническое разделение аналоговой и цифровой части. Это позволяетподавить синфазную помеху даже при удалении датчиков на расстояниенескольких километров от АЦП и исключить влияние «шумных» цифровыхцепей на высокочувствительные преобразователи геофизических полей.Обычно привязка к мировому времени выполняется при приеме данныхв компьютер и затем вместе с каждым отсчетом данных записываетсявремя ядра операционной системы. Ядро современной операционной системы(Linux, Windows, Mac OS X) одновременно держит в памяти от несколькихдесятков до сотен процессов, ожидающих своей очереди на выполнение.Система делит между ними время процессора, и каждый процесс получаетсвой квант времени, причем работа планировщика скрыта от пользователя.Поэтому в многозадачных системах синхронизация данных с микросекунднойточностью практически невозможна.
Решением этой проблемы стало вынесениесинхронизатора за операционную систему [132]. Синхронизатор осуществляетпривязку полученных с АЦП данных к мировому времени, вставляя меткив поток данных, поступающих от АЦП, и передачу их на регистратор черезинтерфейс RS-232. Синхронизация с мировым временем осуществляется понарастающему фронту импульса PPS, поступающего с GPS приемника. Ошибкисинхронизации обусловлены неточностью генерации секундного импульсаприемником GPS и задержками при обработке прерываний, вырабатываемыхпо приходу фронта секундного импульса. Суммарная расчетная ошибкапривязки отсчетов АЦП не превышает 1 мкс.Для экспериментального определения ошибок времени задержки, вносимогоАЦП, был разработан метод оценки групповой и фазовой задержки во времени,вносимой АЦП [132]. При помощи разработанного метода экспериментально23оценена задержка сигнала в АЦП, оказавшаяся равной 16.1 мс, и ошибкаизмерения групповой задержки во времени, вносимая АЦП.
При измеренияхбыло найдено, что максимальная ошибка метода синхронизации, описанного в[132], не превышает 4 мкс, что может привести к максимальной абсолютнойошибке измерения скорости на трассе Ловозеро–Баренцбург около 800км/с при скорости распространения ЭМ возмущений в 250-260 тыс. км/с,или относительной ошибке измерения скорости около 0.3%.
Эти оценкипоказали, что точность синхронизации отсчетов АЦП с мировым временем,обеспечиваемая разработанной и применяемой в ПГИ системой регистрации[132; 147], полностью отвечает задачам настоящей работы.У систем сбора СНЧ данных, установленных в обс. Ловозеро и обс.Баренцбург для записи трех компонент магнитного поля, измеряемых припомощи индукционных магнитометров (рис.
2.1), частота дискретизации вкаждом канале имеет величину 514 Гц, а рабочая полоса частот составляетпримерно 200 Гц (0.8 от половины частоты дискретизации). В Ловозеровходные усилители расположены вместе с индукционными магнитометрамина расстоянии около 200 м от здания обсерватории, а в Баренцбурге – нарасстоянии около 400 м. В обеих обсерваториях АЦП установлен в здании рядомс регистраторами. Результаты оцифровки передаются из АЦП в синхронизатори затем в регистратор на базе бытового персонального компьютера, гдезаписываются в файлы в формате, в котором дополнительно к каждому отсчетуданных записывается время этого отсчета.1.1.4Обсуждение результатов.Анализ литературы показал значимость наблюдений трех основныхсоставляющих ЭМ поля СНЧ диапазона у земной поверхности, к которымотносятсядвегоризонтальныемагнитные( , )ивертикальнаяэлектрическая ( ) компоненты, для исследования процессов распространенияЭМ возмущений в волноводе Земля-ионосфера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
