CC BY
205
УДК 537.876.2
С. В. Пильгаев, А. В. Ларченко, М. В. Филатов,
А. С. Никитенко, О. М. Лебедь, Ю. В. Федоренко
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ СНЧ/ОНЧ-ПРИЕМНИК С ПРЕЦИЗИОННОЙ ПРИВЯЗКОЙ К МИРОВОМУ ВРЕМЕНИ
Аннотация
Многофункциональный цифровой ОНЧ-приемник предназначен для регистрации двух горизонтальных магнитных и вертикальной электрической компонент поля ОНЧ-излучений у земной поверхности в диапазоне частот от 30 Гц до 15 кГц. Отличительной его особенностью является прецизионная синхронизация каждого отсчета цифровых данных с мировым временем с максимальной ошибкой, не превышающей 1 мкс. Основным назначением приемника является анализ структуры поля ОНЧ-волн в точке наблюдений и определение положения и динамики области выхода ОНЧ-излучений к наземному наблюдателю.
Ключевые слова:
электромагнитные волны, азимутальный угол, структура волн.
S. V. Pilgaev, A. V. Larchenko, M. V. Philatov, A. S. Nikitenko,
O. M. Lebed, Yu. V. Fedorenko
THE THREE COMPONENTS VLF RECIEVER
WITH THE PRECISE COUPLING TO THE UNIVERSAL TIME
Annotation
This article concentrates on the multifunctional digital ELF/VLF-receiver which contains two antennae for the horizontal magnetic components of the electromagnetic ELF/VLF-emissions and a third for the vertical electric component over the range 30 Hz to 15 kHz in near-Earth space. The receiver's strongest feature is the fact that every single sample has GPS timing at UT with an accuracy of 0.1 gs. The main function of the receiver is to analyze the wave field's structure at the observation point and to determine the position and the dynamics of the ELF-emissions' output area towards to the observer.
Keywords:
electromagnetic waves, azimuth angle, wave structure.
Введение
Исследование процессов генерации и распространения электромагнитных (ЭМ) волн СНЧ/ОНЧ-диапазона (30 Гц - 30 кГц) наземными станциями играет большую роль в изучении динамики земной ионосферы и магнитосферы. Помимо этого, на волнах CНЧ/ОНЧ-диапазона может осуществляться радиосвязь с объектами, а также производиться геолокация объектов.
Например, ЭМ-волны, возникающие в результате грозовых разрядов (атмосферики), распространяются на частотах данного диапазона. Свисты -атмосферики, “захваченные” магнитными силовыми трубками, - могут приходить из магнито-сопряженных областей. Естественные излучения - хиссы и хоры - генерируются в магнитосфере на средних и высоких геомагнитных широтах и также распространяются на частотах ОНЧ-диапазона. Сети передатчиков, транслирующих на частотах СНЧ/ОНЧ-диапазона, могут быть использованы в навигации. Одной из таких сетей является радионавигационная
113
система “Альфа”. Также волны СНЧ-диапазона, ввиду их способности распространяться в соленой воде и в земле, могут использоваться для связи с подводными лодками и подземными объектами.
Затухание на частотах порядка 30 Гц - 30 кГц мало и составляет всего 2-3 дБ на 1000 км. Из этого следует, что электромагнитные волны могут преодолевать значительные расстояния, отражаясь от стенок волновода Земля -ионосфера. Характеристики распространения волн в упомянутом волноводе зависят от состояния нижней ионосферы. Особенно сильно сказывается прохождение терминатора через область наблюдения. Поэтому изменения в характере распространения ЭМ-волн могут быть индикатором тех или иных вариаций, проходящих в нижней ионосфере.
Из сказанного выше следует, что изучение механизмов распространения и генерации ЭМ-волн СНЧ/ОНЧ-диапазона является важной задачей геофизики и имеет большую ценность для ряда прикладных задач. Для решения упомянутых выше и многих других задач в Полярном геофизическом институте разработан трехкомпонентный регистратор СНЧ/ОНЧ-излучений с прецизионной привязкой к мировому времени и изготовлено несколько его экземпляров. В настоящее время на обсерваториях ПГИ в. Ловозеро, Верхнетуломском и Баренцбург размещены стационарные комплекты для регистрации электромагнитных волн в диапазоне частот 30 Гц - 15 кГц. Обсерватория Баренцбург является единственной в мире точкой регистрации ОНЧ-излучений, находящейся в области полярной шапки. Также изготовлены мобильные комплекты с аналогичными характеристиками, которые могут быть развернуты практически в любом месте за короткое время. Ниже рассмотрены конструкция регистратора и его отличительные особенности.
Описание регистратора
Регистратор СНЧ/ОНЧ-излучений представляет собой программноаппаратный комплекс, состоящий из компьютера, антенн, предусилителей и блока, состоящего из АЦП, микроконтроллера и GPS/GLONASS-приёмника.
Для регистрации горизонтальных компонент магнитного поля используются рамочные антенны, чувствительные к той компоненте поля, которая ортогональна плоскости рамки. Для регистрации вертикальной компоненты электрического поля используется антенна, которая представляет собой вертикальный диполь - шар, находящийся на некоторой заданной высоте над землей. В месте установки антенн развернута система противовесов, представляющая собой набор проводов длиной в 2-3 раза больше высоты антенны, растягиваемых радиально от ее мачты. Такая “искусственная земля” значительно ослабляет влияние мелких неровностей земной поверхности и возможных локальных неоднородностей проводимости на результаты измерений. Блок-схема регистратора представлена на рис.1.
Основой регистратора ОНЧ-излучений является блок АЦП. В состав блока входит микроконтроллер, 24-битные аналого-цифровые преобразователи и гальванически развязывающие микросхемы. Блок АЦП оцифровывает аналоговые данные с частотой 32 кГц. Полоса частот сигнала, которую способен зарегистрировать прибор, составляет 0.03-15 кГц. Разрядность АЦП позволяет обеспечить весьма широкий динамический диапазон - до 115.5 дБ. Оцифрованные данные передаются на компьютер через интерфейс Ethernet.
114
Рис. 1. Функциональная схема регистратора компонент поля СНЧ/ ОНЧ-излучений
Регистратор ОНЧ-излучений обладает прецизионной привязкой ко времени. Максимальное отклонение времени, записываемого в регистраторе, от мирового времени составляет не больше одной микросекунды. Для поддержания актуального времени в микроконтроллере реализован секундный таймер, который постоянно сверяется со временем, получаемым из GPS-приёмника.
При регистрации атмосферных шумов волновода Земля - ионосфера доминирующим источником помех, наводимых на магнитные и электрические антенны, является электромагнитное поле от местных линий электропередач. При этом гармоники наводимой помехи могут распространяться до нескольких килогерц, а их мощность может быть на несколько порядков выше, чем мощность природных ОНЧ-сигналов.
Рис.2. Оценка спектральной плотности собственных шумов регистратора ОНЧ-излучений
115
В некоторых случаях помехи, наведенные линиями передач, могут быть отслежены и подавлены при постобработке данных, но это возможно лишь при условии, что помехи не приводят к перегрузке усилительного тракта. Благодаря широкому динамическому диапазону АЦП это условие выполняется. Помимо этого, для минимизации воздействия сетевой помехи электрическая и магнитные антенны размещены вдали от ее источников, в то время как система сбора (вследствие эксплуатационных особенностей) размещена в помещении. С той же целью применяется гальваническое разделение цепей приборов и сети питания этих приборов. Предусилитель располагается рядом с антенной, что позволяет обеспечить согласование импедансов антенны и входного каскада, а также обеспечивает низкий уровень шума и малый уровень резистивных помех на длине кабеля, соединяющего антенну с усилителем.
На рисунке 2 приведены результаты оценки спектральной плотности собственных шумов регистратора ОНЧ-излучений. Синяя линия представляет среднестатистический спектр вертикальной электрической (вверху) и горизонтальной магнитной (внизу) компонент естественного шума волновода Земля - ионосфера. Зеленая - шумы регистратора вертикальной электрической компоненты ОНЧ-излучений (вверху) и регистратора горизонтальной магнитной компоненты (внизу). Среднестатистический спектр компоненты Ez
естественного шума волновода Земля - ионосфера в СНЧ/ОНЧ-диапазоне как минимум на 20 дБ превышает расчетные собственные шумы вертикальной активной электрической антенны, а среднестатистический спектр компонент Hx и Hy естественного шума превышает собственные шумы горизонтальной магнитной антенны вместе с предусилителем не менее чем на 20 дБ в диапазоне частот от 30 Гц до 15 кГц. Отсюда следует, что данный ОНЧ-приемник позволяет уверенно регистрировать электромагнитные возмущения в СНЧ- и ОНЧ-диапазонах.
Отличительные особенности регистратора
Регистратор ОНЧ-излучений обладает двумя отличительными особенностями, благодаря которым в работах по изучению естественных и искусственных сигналов ОНЧ-диапазона были сделаны важные практические выводы. Далее рассмотрена каждая из них.
Возможность регистрации вертикальной компоненты электрического поля
Как говорилось выше, с помощью данного ОНЧ-приемника возможна регистрация вертикальной компоненты электрического поля ОНЧ-излучений. Наличие двух горизонтальных и вертикальной компонент поля позволяет определить направление прихода электромагнитных волн, исключая неопределенность в 180о. Например, в работе [1] исследован всплеск естественных ОНЧ-шипений в нетипично высокой полосе частот - порядка 4-10 кГц, зарегистрированный в авроральных широтах (L~5.5) на финской ст. Каннуслехта (вблизи обс. Соданкюля) и российской обс. Ловозеро, расположенной в ~400 км к востоку. С помощью полученных данных об азимутальных углах прихода ЭМ-волн было выявлено, что в обеих точках ОНЧ-излучения приходили к точке наблюдений с юго-востока, а также сделан вывод, согласно которому, несмотря на то что всплеск ОНЧ-шипений совпал по времени с развитием суббури и появлением в зените станции ярких полярных
116
сияний, перемещающихся с севера, возбуждение ОНЧ-шипений не связано с сияниями. Финский регистратор располагает только горизонтальными магнитными датчиками [2], поэтому рассчитать азимутальные углы прихода волн без неопределенности 180 о, пользуясь полученными с помощью этого регистратора данными, невозможно.
Наличие вертикальной электрической антенны также позволяет определять структуру регистрируемого поля, а именно оценивать модовый состав сигналов, распространяющихся от ионосферного источника. В работе [3] рассмотрены механизмы распространения сигнала низкочастотного ионосферного источника, образованного в результате эксперимента по нагреву ионосферы. В результате высказано предположение, что в данном эксперименте на частоте 1017 Гц, лежащей ниже частоты поперечного резонанса волновода Земля - ионосфера, сигнал распространяется на TEM-моде. В пользу этого предположения свидетельствует линейная поляризация сигнала и постоянное в течение двух часов отношение EJH. Расчеты показали, что рассчитанный азимутальный угол прихода данного сигнала незначительно отличается от реального угла (3-5 о). Иная картина наблюдается на частоте 3017 Гц, где могут сосуществовать три моды: TEM, TE01 и TM01. Радиальная компонента магнитного поля на этой частоте значительно больше, чем на частоте 1017 Гц. Отношение EzIHt меньше, чем на 1017 Гц, но все же больше ожидаемых для ТМ-моды значений 0.5-0.7, по-видимому, из-за преобладающего вклада ТЕМ-моды в Ht по сравнению с TM. Из-за вклада TE-моды направление вектора Пойнтинга не совпадает с обратным азимутом источника, отличаясь от него примерно на 20-40 о. Этот факт заставляет с осторожностью относиться к оценкам углов прихода при анализе естественных ОНЧ-излучений.
Прецизионная привязка к мировому времени
Прецизионная привязка к мировому времени расширяет диапазон задач, которые можно решать с помощью данного ОНЧ-приемника.
В международном эксперименте по нагреву высокоширотной ионосферы стендом EISCATIHeating (Северная Норвегия) двумя пространственно разнесенными КВ-передатчиками, излучающими на близких частотах, впервые обнаружено и исследовано явление доплеровского сдвига частоты, наблюдаемого на земной поверхности сигнала относительно разности частот передатчиков [4]. Показано, что причиной наблюдаемых изменений частоты является зональный ветер в .D-области ионосферы. Результаты такого рода могут быть получены, если записывающая аппаратура позволяет непрерывно контролировать и учитывать изменения частоты дискретизации АЦП, поскольку величина доплеровского сдвига частоты регистрируемого сигнала по порядку величины совпадает с возможными изменениями частоты дискретизации.
Благодаря точной привязке ко времени с помощью данного регистратора есть возможность расчета фаз сигналов СДВ-передатчиков для диагностики состояния D-слоя ионосферы в пространственно разнесенных точках. В рабочий интервал частот приемника (30 Гц - 15 кГц) входят частоты передатчиков радионавигационной системы “Альфа”. Были проведены наблюдения фаз сигнала краснодарского передатчика этой системы на частоте 12649 Гц в точках регистрации ОНЧ-излучений, расположенных в обсерваториях Ловозеро (LOZ) и Баренцбург (BAB), во время солнечного затмения 20 марта 2015 г.
117
На рисунке 3 представлены результаты наблюдений. Во время затмения (07:40-11:50 UT) в Баренцбурге наблюдается уменьшение фазы (красная сплошная линия), причем минимум приходится на время максимальной фазы затмения, наблюдаемой на архипелаге Шпицберген ~ 10:10-10:13 UT
(обозначено черным крестиком). Анализ фазы сигнала передатчика в обс. Ловозеро показал, что ее уменьшение также наблюдается во время затмения (синяя сплошная линия), но, поскольку в этой точке размер наблюдаемой максимальной фазы затмения был меньше, изменение фазы сигнала передатчика составляет небольшое значение.
Рис.3. Фаза сигнала краснодарского передатчика радионавигационной системы "Альфа", наблюдаемая в обсерваториях Баренцбург (красная линия)
и Ловозеро (синяя линия)
Заключение
В работе описан трехкомпонентный регистратор СНЧ/ОНЧ-полей на земной поверхности, разработанный в Полярном геофизическом институте. Технические характеристики регистратора отвечают современным требованиям к приборам, применяемым для изучения геофизических полей и физических механизмов распространения радиоволн. Особенности приемника, такие как прецизионная привязка ко времени, возможность измерения вертикальной электрической компоненты поля СНЧ/ОНЧ-сигналов, обеспечение широкого динамического диапазона, позволяют решать широкий спектр задач. Использование этого прибора в сети геофизических станций позволяет, например, решить такие задачи, как измерение пространственной когерентности сигналов и на основе этих измерений судить о пространственной структуре источников.
118
Литература
1. Условия в солнечном ветре и магнитосфере во время всплеска нетипичных ОНЧ-шипений (08 декабря 2013 г.) / Н. Г. Клейменова, Ю. Маннинен, Л. И. Громова, Т. Турунен, Ю. В. Федоренко, А. С. Никитенко, Н. Р. Зелинский, С. В. Громов // Геомагнетизм и аэрономия. 2015. Т. 55, № 3. С. 323.
2. Manninen J. Some aspects of ELF_VLF emissions in geophysical research // Sodankyla Geophysical Observatory Publications. 2005. № 98. 177 p.
3. Ларченко А. В., Федоренко Ю. В., Пильгаев С. В. Результаты наблюдений излучения ОНЧ-диапазона при модификации ионосферы мощным модулированным КВ-излучением// Десятая ежегодная конференция “Физика плазмы в солнечной системе”: сб. тр. М.: ИКИ, 2015. С. 178.
4. Tereshchenko E. D., Shumilov O. I., Kasatkina E. A., Gomonov A. D. // Geophysical Research Letters. 2014. V.41(13). P. 4442-4448, doi:10.1002/ 2014GL060376.
Сведения об авторах
Пильгаев Сергей Васильевич,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, [email protected]
Ларченко Алексей Викторович,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, [email protected]
Филатов Михаил Валерьевич,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, [email protected]
Никитенко Александр Сергеевич,
младший научный сотрудник, аспирант, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, [email protected]
Лебедь Ольга Михайловна,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты. [email protected]
Федоренко Юрий Валентинович,
к.физ.-мат.н., доцент, заведующий сектором, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, [email protected]
119
