Экспериментальное исследование распространения атмосфериков и динамики мировой грозовой активности

Экспериментальное исследование распространения атмосфериков и динамики мировой грозовой активности

трехканальный тракт полосовых фильтров; в состав каждого канала входят:

фильтр Баттерворта верхних частот 6-го порядка с крутизной затухания за пределами полосы пропускания 36 дБ/окт.;

фильтр Баттерворта нижних частот 6-го порядка, с крутизной затухания за пределами полосы пропускания 36 дБ/окт.;

масштабирующий усилитель со ступенчатой регулировкой коэффициента усиления*

двенадцатиразрядный АЦП типа Ф4223 в каждом канале*

цифровое буферное устройство , служащее для запоминания трех компонент сигнала в виде последовательности цифровых отсчетов, визуального контроля их временной формы на экране осциллографа и передачи цифровых реализаций через последовательный или параллельный порт в ЭВМ*

ПЭВМ @ Электроника - 85 @ *

комплекс программ, написанных на Ассемблере и Фортране, обеспечивающих ввод данных и их обработку в ЭВМ в реальном времени.

Технические и эксплуатационные характеристики комплекса следующие:

полоса частот принимаемых сигналов: 0.3 - 13.0 кГц*

пределы ступенчатой регулировки усиления одновременно по трем каналам: 0 - 48 дБ с дискретностью 6 дБ*

динамический диапазон во всех каналах: не хуже 66 дБ*

различия в АЧХ и ФЧХ между каналами не превышают соответственно 2 дБ и 3 градусов (см. ниже).

частота дискретизации % 100 кГц*

длительность запоминаемой цифровой реализации по каждому каналу % 40.96 мсек;

Режим работы комплекса - ждущий. Запись информации происходит при превышении сигналом в канале электрической компоненты заданного порога . После записи в память буферного устройства временные формы трех компонент принятого сигнала контролируются одновременно с помощью осциллографа. После принятия решения оператором сигнал или стирается, или передается в память ЭВМ. Предусмотрен также автоматический режим, при котором каждый принятый сигнал передается в ЭВМ без предварительной визуальной оценки. Информация в виде файлов, содержащих цифровые реализации трех компонент импульса или результаты обработки накапливается на гибких магнитных дисках или на жестком магнитном диске типа @ Винчестер @.

Измерение фазо-частотных характеристик проводилось с помощью фигур Лиссажу в два этапа. Сначала с помощью имитаторов поля были получены фазовые характеристики каждой из антенн вместе с антенными усилителями (для магнитных антенн применялся соленоидальный излучатель, а для электрической антенны - электрический излучатель). Поскольку частота среза электрической антенны лежит вблизи 80 Гц, а магнитной - около 200 Гц, в рабочем диапазоне частот приемника заметные фазовые искажения не наблюдались. Затем производились измерения разности фаз между отдельными каналами приемника. Оказалось, что взаимные отклонения сосредоточены вблизи частот среза ФВЧ и ФНЧ, достигая 3 (между Е - и Н - каналами в окрестности 10 кГц, где максимальны отличия и в АЧХ, см. рис 1.9).

Фазовые невязки каналов могут сыграть заметную роль при проведении узкополосных измерений, если же используется широкополосная методика, то их влияние существенно ослабляется. В настоящей диссертации (см. Гл.3) компоненты E- и H-полей применяются попарно при вычислении интегральных проекций вектора Умова-Пойнтинга P = E K H (пеленгование источников). Очевидно, что фазовые невязки Dv(f) обусловят относительную погрешность измерения проекций вектора P , равную на фиксированной частоте:

,

где - разность фаз между каналами E и H. Поскольку в предложенной нами широкополосной методике измерений проводится интегрирование по частоте, результирующая погрешность составит:

,

Эта погрешность оценивается сверху при = = const величиной

На самом деле фазы отличаются в узких полосах вблизи частот среза приемника, поэтому справедлива более реалистичная оценка:

где F - полная полоса рабочих частот приемного тракта, а dF - область частот, где наблюдаются фазовые искажения.

Таким образом, измеренное значение = 3, дает верхнюю оценку относительной погрешности 0.13 %, (порядка погрешности квантования по амплитуде), а более реалистическая оценка с учетом полосы частот оказывается на порядок меньшей.

Приведенные оценки позволяют в дальнейшем исключить из рассмотрения влияние фазовых невязок широкополосных каналов.

Основным предназначением цифровой части приемного устройства является преобразование выделенных аналоговых сигналов в последовательность цифровых отсчетов, обеспечение визуального контроля временных форм зарегистрированных импульсов и ввод в ЭВМ, где производится их обработка.

При разработке функциональной схемы цифровой части приемника принимались во внимание параметры исследуемых сигналов, условия, накладываемые на частоту дискретизации и быстродействие портов ввода-вывода ЭВМ @Электроника-85@. Поскольку частота квантования была выбрана равной 100 кГц, а число каналов, по которым ведется одновременная регистрация равно трем, суммарная скорость ввода информации в ЭВМ должна превышать 300 кГц. Это оценка минимального быстродействия, т.к. мы не учли, что кроме ввода необходимо в реальном времени проводить простейшую обработку ~сравнение текущего отсчета с пороговым значением и т. п.`. Такое быстродействие не обеспечивается стандартными каналами ввода-вывода использовавшейся ЭВМ @Электроника-85@. Чтобы согласовать по быстродействию выходные сигналы АЦП и порты ввода-вывода, была выбрана схема с буферизацией входного потока цифровых данных. Буферное устройство выполняет следующие функции:

- вырабатывает импульсы запуска АЦП*

- после срабатывания компаратора запоминает во внутренней памяти в цифровом виде три временные реализации длиной 4096 12-тиразрядных отсчетов в двоично-дополнительном коде*

- обеспечивает сохранение "предыстории" импульсов* длительность которой регулируется в пределах от 0 до 15/16Т, где Т- длительность всей реализации*

- обеспечивает вывод записанных в памяти сигналов на экран осциллографа с целью их визуального контроля*

- обеспечивает передачу информации в ЭВМ по стандартным параллельному ~ИРПР` или последовательному ~RS-232` интерфейсам*

- с помощью встроенных часов - календаря фиксирует полную информацию о времени с точностью до десятков миллисекунд и дате в момент прихода импульса, которая служит для идентификации каждого атмосферика;

- в режиме визуального контроля, после принятия решения оператором по виду временных реализаций, которые непрерывно выводятся на экран осциллографа, информация или передается в ЭВМ, или стирается из буферной памяти, после чего устройство переходит в режим ожидания прихода следующего импульса;

- в автоматическом режиме обеспечивает передачу в ЭВМ каждого импульса, по которому произошло срабатывание компаратора.

1.7 Основные результаты и выводы главы

Выбраны типы и параметры антенн ~емкостной электрический зонд и магнитная воздушная рамка), схемы антенных усилителей и приемных устройств, обеспечивающих :

полосу 0.3 - 13 кГц,

усиление до 50 дБ,

неравномерность АЧХ не более 2 дБ,

различие между фазовыми характеристиками каналов не более 3 градусов.

Оригинальная методика оценки эффективной площади магнитных антенн с ферромагнитным сердечником, учитывающая реальные конструкции антенн и позволила выработать рекомендации по выбору типа сердечника антенны (ферромагнитный или воздушный).

Была предложена и реализована простая схема антенного усилителя, обеспечивающего действительный коэффициент передачи приемного устройства по магнитному полю, что позволило исключить фазовые и частотные искажения, присущие индукционным магнитным антеннам, в широкой полосе частот.

Разработанные комплексы аппаратуры были изготовлены, настроены и откалиброваны в полевых условиях. Они показали высокую работоспособность и использовались в сухопутных и длительных непрерывных морских измерениях, предварительном анализе и записи для последующей обработки трех (вертикального электрического и двух взаимно перпендикулярных магнитных ) компонент естественных атмосферных электромагнитных импульсных полей СНЧ-СДВ диапазона.

ГЛАВА 2. Обнаружение и экспериментальное исследование поперечных резонансов волновода земля-ионосфера

Существование поперечных резонансов ~ПР` полости Земля- ионосфера обсуждалось ранее в ряде теоретических [67, 7, 26] и экспериментальных [71, 3] работ. В работе [67] приведено решение задачи о возбуждении волновода Земля-ионосфера падающей из космоса плоской электромагнитной волной. Полученные спектры имели резонансные максимумы, частоты которых определялись высотой промежутка, параметрами верхней стенки и углом падения волны.

В экспериментальной работе [71] приземной волновод возбуждался токами, порожденными в нижней ионосфере мощным модулированным коротковолновым излучением наземного передатчика за счет нелинейных процессов в плазме. Частота модуляции сканировалась в пределах от 1 до 7 кГц, при этом спектры принимаемого на Земле поля имели характерные максимумы на частотах 2, 4, 6 кГц, которые интерпретировались авторами как поперечные резонансы.

Одним из методов исследования распространения радиоволн СДВ диапазона в полости Земля-ионосфера является использование естественных широкополосных источников излучения, (грозовых разрядов), порождающих атмосферики. В настоящей работе атмосферики, распространяющиеся под ионосферой, применяются для экспериментального изучения ПР, а также поляризации электромагнитного поля, формируемого в волноводе излучением молний. Расчеты спектров ПР, возбуждаемых вертикальными и горизонтальными источниками, находящимися внутри волновода, проводились в работах [26, 32]. Как показали эти расчеты, спектры вынужденных колебаний, создаваемых точечным импульсным источником в плоском промежутке Земля-ионосфера, имеют сложный вид, в частности, тонкая структура спектральных максимумов зависит от расстояния молния - наблюдатель. Одним из возможных способов выделения ПР может служить накопление энергетических спектров процесса, которое является регуляризирующей процедурой, приводящей их к некоторым средним значениям. Данная методика используется в настоящей работе.

Как проявление ПР в спектре отдельного атмосферика, в [24] обсуждался "твик" - квазисинусоидальный сигнал, которому предшествует отражательный атмосферик, длительностью от нескольких десятков до ста миллисекунд и выше. Твики наблюдаются только ночью, или при солнечных затмениях [70]. Обычно измерения твиков проводились с помощью аналоговых сонографов с целью изучения их дисперсии [80], определения затухания волн в волноводе [61]. В работе [24] были оценены параметры нижней ионосферы в предположении о резонансной природе твиков. Поляризационные особенности электромагнитного поля твиков исследовались в работе [12], в которой по результатам измерений вертикальной электрической и двух взаимно ортогональных горизонтальных магнитных компонент в северном полушарии был сделан вывод о левой эллиптической поляризации хвостовой части твиков. Этот результат свидетельствует о существенной гиротропии ионосферной стенки волновода. Попытки объяснить особенности твиков были сделаны в ряде теоретических работ. Расчеты проводились как без учета магнитного поля Земли, так и в упрощенной модели с вертикальным магнитным полем Земли [79,12]. В работе [16] приводятся результаты численного расчета коэффициентов распространения и затухания волноводных мод ночных атмосфериков, возбуждаемых вертикальным молниевым разрядом. Учитывалось наклонное постоянное магнитное поле Земли (случай приэкваториального распространения) и было показано, что затухание ТЕ-волн больше чем ТМ-волн при распространении с запада на восток и меньше - в противоположном направлении.

В настоящей главе будут представлены результаты экспериментальных исследований ПР, наблюдавшихся в средних и единичных спектрах атмосфериков. Рассмотрены также поляризационные свойства атмосфериков. Полученные экспериментальные данные позволяют указать оптимальные способы обработки атмосфериков и сформулировать подходы к решению обратной задачи электродинамики.

2.1 Резонансные свойства полости Земля - ионосфера

Впервые сферическая полость, образованная поверхностью Земли и нижней кромкой ионосферы, была рассмотрена в качестве резонансной системы в работе [72]. Были получены резонансные частоты, связанные с интерференцией волн, обежавших вокруг Земли, и лежащие в диапазоне единиц - десятков герц. Соответствующие "продольные" резонансы, названные впоследствии глобальными или шумановскими, были обнаружены в спектрах естественных СНЧ полей, возбуждаемых в полости Земля-ионосфера разрядами молний [40].

В работе [7] была высказана идея о наблюдении поперечных резонансов (ПР), которые в отличие от шумановских обусловлены последовательными отражениями волн от верхней и нижней границ полости и поэтому определяются ее высотой h . Значения собственных частот ПР лежат в области единиц килогерц.

В предположении об идеально проводящей Земле радиуса a и изотропной ионосфере радиуса d , характеризующейся поверхностным импедансом d , в [20] получено следующее дисперсионное соотношение, определяющее собственную частоту резонансных колебаний TM-типа для n-й зональной гармоники: экспоненциальными асимптотиками. В этом случае (2.1.1) примет вид, совпадающий с дисперсионным уравнением для плоской системы [33]:

Различие между плоской и сферической системами состоит в том, что в сферической системе существует дискретный набор углов q , определяемый номером зональной гармоники, в то время, как в плоской системе угол падения волн Бриллюэна на границы может принимать произвольные значения. Собственные частоты поперечного резонанса определяются: высотой ионосферы h, количеством вариаций поля p вдоль высоты, углом падения волн q на границу, поверхностным импедансом ионосферы d (Землю можно считать идеально проводящей).

Решение уравнения (2.1.2) дает частоты ПР в сферической полости Земля - ионосфера, совпадающие с собственными частотами плоской системы при соответствующих углах падения q [34] :

В случае небольших углов падения данные решения описывают и сферическую систему. Малость углов q означает небольшие номера зональных гармоник ( n+[-]<< ka _ 200). Для этого случая и при условии малости d ( d<<cosq )

Возбуждение полости Земля - ионосфера точечным источником было рассмотрено в [34]. В этой работе приведены разложения полей от элементарных электрического и магнитного диполей горизонтальной и вертикальной ориентации, полученные методом нормальных волн в моделях плоской и сферической полости при учете анизотропии ионосферы.

Временная форма сигнала наглядно интерпретируются лучевой или отражательной моделью отклика промежутка Земля - ионосфера на возбуждение точечным импульсным источником (см. напр. [80]). В плоском волноводе с идеально проводящими стенками последовательные отражения излученного импульса от границ можно представить набором синфазно излучающих виртуальных (отраженных) источников как показано на Рис. 2.1. Расстояние между m - тым источником и наблюдателем L определяет дискретный набор углов прихода q и взаимных задержек импульсов, формирующих временную форму сигнала в точке наблюдения.

Оценим зависимость мгновенной частоты принимаемого сигнала от времени. Эта зависимость напоминает гиперболу при малых t и асимптотически приближается к частоте отсечки волновода при стремлении t к бесконечности. Выражение (2.1.14) широко используется для интерпретации дисперсионных свойств "твиков" ~см. напр. [80]` и достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Из рассмотренной модели видно, что при достаточно больших задержках относительно начала атмосферика мгновенная частота сигнала стремится к частоте отсечки волновода или к собственной частоте поперечного резонанса. Следовательно, отбрасывая начальную часть сигнала, формируемого в полости Земля ионосфера прямой волной, идущей от молнии параллельно границам, мы можем считать, что "хвостовая" часть сигнала характеризует поперечный резонанс, соответствующий многократному отражению волн от земли и ионосферы ~q стремится к 0 в формуле 2.1.6`. В этом случае, измеряя спектр хвостовой части импульса, можно оценить добротность поперечного резонанса (по отношению резонансной частоты к ширине резонансного пика) и эффективные параметры нижней ионосферы. При этом нужно принять во внимание особенности возбуждения резонансной системы, обсуждаемые ниже.

Поскольку в рассматриваемой нами модели используются точечные источники, при определении добротности необходимо учитывать геометрическую расходимость формируемых волн, а также диаграммы направленности излучения виртуальных источников. Отсекая начальную часть сигнала, мы рассматриваем волны, пришедшие от виртуальных источников высокого порядка. Из этого предположения следует:

Если волны от всех источников приходят под углами близкими к вертикали, то углы в диаграмме направленности элементарного электрического диполя почти не изменяются, а амплитуда приходящих волн остается практически постоянной (исключение составляет вертикальный электрический диполь, но такой источник не возбуждает ПР, см. [34]);

затухание, вызванное расходимостью, является малым, кроме того его можно учесть при оценке добротности.

Пусть амплитуда резонансного колебания имеет следующую зависимость от времени и расстояния до источника:

Отмеченные особенности не учитывались в работе [24], где анализ проводился по полной реализации твика, поэтому описанная выше методика оценки добротности, представляется более обоснованной.

2.2 Результаты наблюдений поперечных резонансов в средних спектрах атмосфериков

За период с 1985 по 1989 гг. было проведено несколько серий измерений, целью которых было получение спектральных характеристик атмосфериков в разное время суток. В эксперименте применялся комплекс для измерения спектральных характеристик СДВ-атмосфериков, описание которого приведено в главе

1. Временные реализации естественного радиосигнала СДВ диапазона записывались на ленту магнитографа НО-62. Исходные магнитные записи обрабатывались с помощью спектроанализатора СК4-72/2, работавшего в полосе частот 0-20 кГц с разрешением 100 Гц и затем накапливались с помощью блока интегратора ЯЧС - 76. В обработку включались атмосферики, амплитуда которых превышала пороговый уровень, выбранный несколько выше величины помехи, формируемой излучением гармоник силовой сети. Поскольку наш интегратор не позволяет оценивать дисперсию усредняемого процесса, эту оценку можно получить, предположив, что измеряется эргодический стационарный процесс, для которого случайная ошибка равна [5]:

e = 1 / r N ,

где N - количество усредняемых реализаций. Эта оценка погрешности использовалась при получении средних спектров и составляла = 10 % при N = 100. Паспортная погрешность измерения амплитуды спектроанализатором составляет при этом 10 %.

В результате обработки были получены средние спектры двух типов: гладкие, имеющие широкий максимум в диапазоне 4-8 кГц, и содержащие характерные максимумы вблизи частот 2, 4 кГц. На Рис.2.1 представлены спектры вертикального электрического поля атмосфериков, полученные в результате усреднений по ансамблям, состоявшим из 80 и 84 спектров отдельных импульсов. Здесь по вертикальной оси в логарифмическом масштабе отложена средняя амплитуда спектральных составляющих поля и ее разброс, пропорциональный r N . По горизонтали отложена частота в кГц. Для набора одного ансамбля требовалось от 10 до 45 минут в зависимости от сезона и времени суток. Резонансная структура средних спектров сохранялась в нескольких подряд идущих сериях измерений. Время жизни резонансной структуры составляет от нескольких десятков минут до единиц часов, что согласуется с временем существования локальных грозовых очагов [36].

Таким образом, результаты наблюдений позволили заключить, что эффект поперечного резонанса проявляется в средних спектрах, если во время записей существовал достаточно мощный компактный грозовой очаг. В этом случае процедура усреднения сглаживает тонкую структуру пиков спектров отдельных атмосфериков, выделяя резонансные максимумы. Если же во время наблюдений грозовая активность была обусловлена несколькими источниками, распределенными в широких пределах по дистанции, процесс усреднения приводит к "замыванию" как тонкой структуры спектров, так и самих резонансных максимумов. Следовательно, ПР должны проявляться более ярко при спектральной обработке индивидуальных атмосфериков.

2.3 Результаты наблюдений ПР в спектрах отдельных атмосфериков

Записи вертикальной электрической и двух взаимно ортогональных компонент горизонтального магнитного поля атмосфериков в полосе частот от 0.3 до 13 кГц были сделаны в течение 42-го рейса НИС "Академик Вернадский" в 1991 г. Временные реализации компонент длительностью 40 мсек. регистрировались и накапливались в цифровом виде на дискетах с помощью аналого-цифрового комплекса (Гл. 1.) Электрическая и магнитные антенны были сориентированы и сфазированы таким образом, что ось z была направлена вертикально вверх, ось y совпадала с курсом судна, а ось x была направлена в сторону правого борта, образуя правую декартову систему координат.

Всего было зарегистрировано около 300 импульсов в акваториях Индийского и Атлантического океанов в южном полушарии. Для записи отбирались импульсы характерной "отражательной" формы (в классификации, предложенной в [47]), которые наблюдались в ночное время суток. Моменты локальных закатов и восходов Солнца в течение рейса представлены в Табл.3.2.1. Дальнейшая обработка полученных записей проводилась с помощью ЭВМ типа IBM PC AT.

Чтобы выделить поперечную и продольную компоненты горизонтального магнитного поля, с помощью методики, описанной в Главе 3, определялся пеленг на источник атмосферика, а затем составляющие магнитного поля преобразовывались к системе координат, в которой ось 0r направлена на источник, а ось 0v перпендикулярно ей, по следующим формулам:

H (t) = -H (t)sina + H (t)cosa ;

где H (t), H (t) соответственно поперечная и продольная компоненты магнитного поля по отношению к направлению на источник, a - азимутальный угол вектора Умова-Пойнтинга в судовой системе координат. На Рис. 2.3, 2.4 приведены временные реализации и амплитудные спектры трех компонент поля типичного ночного "отражательного" атмосферика.

В спектрах ночных отражательных атмосфериков, взятых по полной реализации, формируется сложная интерференционная картина, из-за чего затруднено определение резонансных частот. Из временных форм компонент поля видно, что интервалы между последовательными отражениями монотонно увеличиваются, становясь практически эквидистантными к концу атмосферика. Этим обстоятельством мы воспользуемся для выделения поперечного резонанса, соответствующего углам падения волн близким к нормальному к границам (более подробно см. п. 2.1.)

На Рис.2.5 представлен спектр продольной магнитной компоненты хвостовой части атмосферика, записанного 21.1.91г. в Гвинейском заливе. В обработку взята реализация длительностью 30.72 мсек, начало которой отстоит от начала атмосферика на 8 мсек. Для снижения дисперсии спектральных оценок применялось временное окно Хэмминга H(k) [31], на которое предварительно умножалась анализируемая временная реализация:

H(k) = { (2.3.2)

где k - номер отсчета, а N - длительность цифровой реализации. Из полученного спектра можно определить частоты резонансов, а также их добротности Q'. Кроме того можно получить оценку частоты отсечки волновода Земля-ионосфера, взяв отсчет частоты там, где резонансный пик спадает к уровню шумов (см. Рис.2.5.) Полученная частота отсечки волновода может быть использована для оценки эффективной высоты отражения от ионосферы по следующей формуле [33] :

Чтобы контролировать ошибки при определении резонансных частот и связанных с поперечными резонансами добротностей, необходимо знать расстояние до молнии. Для определения расстояния мы будем использовать сонограммный метод (см. напр. [80]).

Для более детального изучения свойств поля атмосфериков строились цифровые динамические спектры (цифровые сонограммы) его компонент. При этом положение спектральных максимумов на оси частот определялось по центру тяжести соответствующего спектрального пика, т.е. по точке максимума и двум соседним отсчетам в спектре/

Текущий спектр при вычислении сонограмм получался по алгоритму быстрого преобразования Фурье (БПФ) 256 - точечных последовательных реализаций длительностью 2.56 мсек и последующей временной сдвижкой между ними, на 0.4 мсек. С целью уменьшения дисперсии спектральных оценок и подавления краевых эффектов реализация перед выполнением БПФ умножалась на временное окно Хэмминга (2.3.2) . Пример сонограммы приведен на Рис 2.6. Точки на этом графике соответствуют положению максимумов амплитудных спектров в координатах время - частота. Видно, что отсчеты группируются в дисперсионные ветви, спадающие по частоте с удалением от начала импульса и асимптотически приближающиеся к значениям частот отсечки. В сонограммах некоторых атмосфериков наблюдалось до восьми резонансных ветвей Рис.2.6, которые мы в дальнейшем будем называть модами (в терминологии, принятой в теории волноводов, модами обычно называют собственные или нормальные волны). В основной массе атмосфериков можно было выделить не более двух мод, пригодных для анализа.

Оценки частот первых восьми резонансов по сонограмме Рис.2.6, найденные путем усреднения данных в интервале от 7.2 мсек до 13.6 мсек, представлены в таблице 2.3.1. Здесь в первой колонке дан номер моды, во второй - частота резонанса, в третьей - стандартное отклонение значений резонансной частоты. Видно, что оценки резонансных частот, полученные для различных мод, кратны частоте первой моды/

Дальность до источника можно оценить, используя полученные экспериментально зависимости частота-время в рамках модели плоского волновода (см параграф 2.1.) Когда задержка t измеряется между моментами прихода составляющих с частотами f и f (f > f ), из формул (2.1.11 - 2.1.14) можно получить выражение для определения дистанции:

D = ct/(cosecq2 - cosecq1). (2.3.8)

В случае, когда задержка t прихода частотной составляющей измеряется относительно начала импульса данная формула преобразуется к виду:

D = c(t + T /2)/(cosecq-1) (2.3.9)

где T - длительность реализации по которой получается спектр. Значение частоты отсечки f можно получить измеряя спектр хвостовой части атмосферика (см. выше.)

Пример определения дальности до источника и высоты ионосферы приведен на Рис.2.7, где на сонограмме в более подробном масштабе представлены две первые резонансные ветви Рис.2.6. По этим данным для каждой точки определялась дальность с помощью формулы (2.3.9), при этом осуществлялся последовательный подбор частоты отсечки таким образом, чтобы получить минимальный тренд значений дальности. Полученные оценки дистанции до молнии, эффективной высоты отражения и их стандартные отклонения приведены на Рис.2.7.

Комплексные динамические спектры позволяют проследить изменение амплитуды (огибающей) и разности фаз между продольной и поперечной компонентами магнитного поля атмосферика. Необходимо отметить, что при приближении к "хвосту" атмоферика, когда угол падения парциальных волн стремится к вертикали, рассматриваемые параметры соответствуют поляризационным параметрам [41], введенным для плоской волны. При этом мы отходим от строгих определений параметров поляризации, которые справедливы для монохроматических сигналов, обобщая их для случая, когда сигнал имеет конечную полосу частот вследствие ограниченной во времени длительности анализируемой реализации.

На Рис.2.8, 2.9 приведены графики зависимостей текущей частоты, разностей фаз и отношения амплитуд продольной и поперечной компонент горизонтального магнитного поля для первой и второй моды атмосфериков, пришедших с запада (Рис.2.8) и с востока (Рис.2.9). На графиках, представляющих поведение разности фаз компонент магнитного поля, положительные значения угла соответствуют левой (вращение горизонтального магнитного поля - по часовой стрелке, при взгляде вслед падающей на землю волне) отрицательные - правой (вращение - против часовой стрелки), 0 и 180 - линейной поляризации. На графиках, представляющих отношение амплитуд продольной и поперечной компонент магнитного поля, значения больше единицы характеризуют преобладание квази-TE волн, значения меньше единицы - преобладание квази-TM волн [44].

В результате анализа банка данных, содержащего записи волновых форм 217 ночных атмосфериков, зарегистрированных в южном полушарии, были отмечены следующие закономерности их поляризации:

поляризация головной части атмосферика близка к линейной;

поляризация "хвоста" атмосферика является эллиптической (часто близкой к круговой), причем направление вращения вектора магнитного поля для южного полушария (если в системе координат корабля смотреть навстречу оси 0z) совпадает с направлением вращения часовой стрелки;

переход от головной части к хвосту может происходить тремя путями :

от линейной к левой;

от линейной к правой и затем к левой;

от линейной к левой, правой и к левой;

наблюдается поляризационная невзаимность распространения восток-запад (В-З) - запад-восток (З-В), которая проявляется в преобладании продольной компоненты магнитного поля ночных атмосфериков при распространении В-З (см. Рис.2.8) и в преобладании поперечной компоненты магнитного поля при распространении З-В (см. Рис.2.9).

2.4 Основные результаты и выводы главы

Проведены экспериментальные исследования явления поперечных резонансов ~ПР` естественного волновода, образованного поверхностью Земли и нижней кромкой ионосферы, в результате которых сделаны следующие выводы.

Показано экспериментально, что поперечные резонансы удается наблюдать в средних спектрах атмосфериков.

Резонансные максимумы в спектрах отдельных атмосфериков наблюдаются наиболее уверенно, если при обработке используется хвостовая часть импульса.

ПР проявляются наиболее ярко в спектрах горизонтальных магнитных компонент поля.

Обоснована методика оценки добротности системы Земля-ионосфера на поперечных резонансах.

В окрестности резонансных частот э/м поле атмосфериков, зарегистрированных ночью, обладает левой эллиптическойполяризацией независимо от азимута прихода. Это свидетельствует о существенной гиротропии ионосферной стенки волновода и подтверждает вывод о левой поляризации хвостовой части твиков, сделанный в работе [12].

Наблюдается преобладание продольной компоненты магнитного поля при распространении ночных атмосфериков с востока на запад и преобладание поперечной компоненты при распространении с запада на восток.

Проведенные исследования могут иметь и практическое значение. Так, описанные эксперименты, позволяют получать геофизическую информацию, например, оценивать высоту нижней границы ионосферы, ее параметры по результатам измерения резонансных максимумов в спектрах СДВ атмосфериков. Кроме того, при проектировании систем СДВ связи и навигации на частотах ниже 10 кГц следует учитывать резонансную структуру радиошумов промежутка Земля-ионосфера, обусловленную явлением ПР.

ГЛАВА 3. Глобальная грозовая активность по результатам пеленгации СДВ атмосфериков

Исследования электромагнитных излучений в диапазоне СНЧ- СДВ, возбуждаемых разрядами молний, дают ценную информацию о свойствах волновода Земля - ионосфера [43, 74, 53, 64], позволяют оценивать пространственное распределение гроз [50, 59, 45, 51, 68, 49], сезонную изменчивость грозовой активности [48, 46, 14]. Основная часть информации о пространственном распределении грозовой активности была накоплена континентальными пунктами наблюдения, расположенными, как правило, в средних широтах и путем сравнения космических и наземных записей [73, 65].

Основные источники земной грозовой активности сосредоточены в тропическом поясе, в так называемых мировых грозовых центрах, расположенных в Африке, Южной Америке, юго-восточной Азии [34]. Сезонные изменения пространственного распределения молний в работе [65] измерялись по спутниковым наблюдениям, при этом моменты измерений и области на поверхности Земли ограничивались параметрами орбиты спутника. Известны также работы, в которых приведены результаты длительных измерений азимутальных распределений атмосфериков в Южной Америке [46] и вариаций направлений на максимум регулярного шума в СДВ диапазоне [9, 10] в Сибири. Тем не менее, приведенные литературные данные не позволяют оценить одновременно динамику и пространственную структуру глобального распределения молний.

В данной главе рассматриваются результаты измерений временных вариаций интенсивности потока и азимутальных распределений атмосфериков, проведенных на борту научно- исследовательского судна (НИС) "Академик Вернадский". Маршрут судна (Рис. 3.1), проходил в тропической зоне Индийского океана между Африканским и Азиатским мировыми грозовыми очагами, а также в Атлантическом океане между Африканским и Американским очагами. Это обстоятельство в обоих случаях позволило наблюдать одновременно два мировых грозовых очага из одного измерительного пункта.

Для пеленгации атмосфериков была предложена и реализована на базе универсального аналого-цифрового комплекса методика, основанная на вычислении компонент среднего вектора Умова-Пойнтинга в широкой полосе частот. Предложенная методика отличается от известных узкополосных и широкополосных способов [4, 15] тем, что позволяет использовать полную энергию импульсных сигналов, а также работать во временной области.

3.1 Методика определения пеленгов

Для пеленгации атмосфериков обычно применяются амплитудный и фазовый методы или их модификации [4, 15]. В амплитудном методе сигналы горизонтальных магнитных компонент поля, принятые ортогональными рамочными антеннами, возбуждают в частотно-избирательном элементе квазисинусоидальные затухающие колебания. Предполагается, что амплитуды сигналов в каждом канале пропорциональны косинусу и синусу угла прихода атмосферика. Эти сигналы после усиления подаются на отклоняющие системы электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), при этом на экране высвечивается эллипс, наклон большой полуоси которого указывает азимут прихода атмосферика. Для устранения неоднозначности метода применяется ненаправленная электрическая антенна, сигнал с которой после фильтрации и усиления подается на управляющий электрод ЭЛТ и гасит ненужную половину эллипса.

В фазовом методе квазисинусоидальные сигналы от рамочных антенн (см. выше) сдвигаются друг относительно друга на 90 , после чего суммируются. Пеленг на источник сигнала получается путем измерения разности фаз между суммарным сигналом и опорным сигналом, полученным из канала ненаправленной электрической антенны.

К недостаткам этих методов, при измерении пеленгов импульсных источников, можно отнести потери в точности, вызванные рядом причин.

Оба метода являются узкополосными, вследствие чего неоптимально используется энергия импульса, распределенная в широком спектре частот.

Работа приемного устройства в узкой полосе предъявляет достаточно высокие требования к качеству настройки фильтров и стабильности их амплитудных и фазовых характеристик.

В обоих методах предполагается, что приходящая волна является плоской и в ней присутствуют только поперечные компоненты поля.

Последнее предположение в действительности часто не выполняется, а появление продольной магнитной компоненты H приводит к так называемым "поляризационным ошибкам" (ПО) пеленгации. Существуют две основные причины возникновения ПО [77, 78, 15]:

отклонение излучателя (молнии) от вертикали;

наличие в принимаемом сигнале отраженных от анизотропной ионосферы волн.

Чтобы исключить отраженные от ионосферы волны, в [39] был предложен широкополосный амплитудный метод, учитывающий только начальную часть атмосферика, формируемую прямой волной. В настоящее время подобный модифицированный метод [54], дающий точность 2 на дистанциях до 100 км., применяется для пеленгации атмосфериков в американской национальной сети локации молний [66].

Для определения направления прихода свистов (вистлеров) в [57, 63], в узкой полосе вычислялся вектор Умова-Пойнтинга во временном представлении. Такая методика эксплуатирует квазимонохроматиченость приходящих сигналов и не может быть использована непосредственно в случае широкополосных атмосфериков.

В [58] вектор Умова-Пойнтинга строился по спектрам трех компонент поля СНЧ атмосфериков в полосе частот от 5 до 50 Гц и использовался для определения пеленгов источников. В работе [60] применялась широкополосная методика (от 2 до 6 кГц) с использованием спектрального разложения компонент поля для определения углов прихода вистлеров, в которой учитывалась эллиптичность поляризации падающей волны. Основным препятствием для применения таких методик служили большие затраты времени, требующиеся при вычислении спектров всех трех компонент поля и двух компонент вектора Умова-Пойнтинга.

В данной работе был предложен и реализован иной метод определения пеленга импульсных источников излучения, основанный на измерении средних по частотам компонент вектора Умова - Пойнтинга, которые вычисляются во временной области.

Направление распространения энергии монохроматической волны в данной точке пространства описывается средним за период колебаний вектор Умова-Пойнтинга [27]:

P = 1/2 Re(P) = 1/2Re[ E(w)*H(w) ], (3.1.1)

где E(w) , H(w) -комплексные спектры компонент поля. * - обозначает комплексное сопряжение. На поверхности идеально проводящей Земли отличны от нуля только три ортогональные компоненты электромагнитного поля - H (w), H (w), E (w). Тогда из (3.1.1) получим выражения для горизонтальных компонент среднего вектора У-П:

P = -1/2 Re (E H ) = -1/2pE ppH pcos(j -j )

P = 1/2 Re (E H ) = 1/2pE ppH pcos( j -j )?

где j ,j ,j - фазы соответствующих спектральных компонент поля.

Направление, противоположное ориентации вектора Умова- Пойнтинга указывает на источник.

Для широкополосного импульсного сигнала введем интегральный вектор Умова-Пойнтинга путем усреднения его компонент по частоте.

G = P (w) dw . (3.1.4)

Здесь пределы интегрирования определяются рабочим диапазоном частот приемного устройства. Величина этого вектора определяет плотность общего потока энергии, а его ориентация указывает усредненное направление распространения потока энергии волн.

Проведем некоторые преобразования выражения (3.1.4). Вследствие действительности временных компонент поля (h(t)=h (t)) справедливы следующие соотношения для прямого и обратного преобразований Фурье комплексно-сопряженных спектральных компонент:

h(t)= H(w)exp(iwt)dw |Z

Запишем выражение для усредненного по частотам вектора УмоваПойнтинга, воспользовавшись обратным преобразованием Фурье для нормальных и комплексно-сопряженных компонент поля (3.1.5):

G = 1/2Re [ E(w)*H(w) ] dw = dw [ e(t)exp(-iwt)dt * h(t)exp(iwt)dt ]

Поскольку интегрирование во внутренних интегралах проводится по независимым переменным, произведение интегралов равно интегралу от произведения функций:

G = dw dt dt [ e(t) * h(t) ]exp(-iw(t-t))

Теперь поменяем порядок интегрирования:

G = dt dt [ e(t) * h(t)] dw exp(-iw(t-t))

В правой части данного равенства мы получили d-функцию Дирака, следовательно

G = - dt dt[ e(t) * h(t)] d(t-t)

Учитывая свойства d-функции проинтегрируем правую часть выражения по t. Получаем окончательное выражение для интегрального вектора Умова-Пойнтинга:

G = [ e(t) * h(t) ] dt . (3.1.6)

Соотношение (3.1.6) соответствуют хорошо известному в анализе равенству Парсеваля (теореме Планшереля) для интегрального преобразования Фурье.

Используя полученное выражение (3.1.6) для случая трех компонент поля, получим значение пеленга, которое определяется прямо из временных форм компонент, при этом исключаются трудоемкие вычисления преобразований Фурье всех трех компонент радиосигнала. Окончательная формула имеет следующий вид:

e (t)h (t)dt

e = arctg[-----------------------] (3.1.7)

e (t)h (t)dt

где t - длительность импульса.

Выражение (3.1.7) легко преобразуется в алгоритм вычисления пеленга с помощью ЭВМ путем перехода от непрерывных величин к дискретным и от интегралов по времени к суммированию временных рядов, составленных из отсчетов сигналов.

Физический смысл измеряемой в предложенном методе характеристики заключается в том, что определяется взвешенное или эффективное направление вектора групповой скорости импульса (цуга волн), т.е. направление распространения энергии импульса.

Имея в своем распоряжении записи реальных атмосфериков, сопоставим различные методики обработки, упоминавшиеся выше. При этом используем также и частотные зависимости пеленгов, определяемых с помощью узкополосного метода вектора Умова- Пойнтинга, т.е. по формулам (3.1.2, 3.1.3). Перед построением обсуждаемых зависимостей определим усредненный азимут прихода e во временной области по предлагаемой широкополосной методике по формуле (3.1.7), а затем приведем компоненты магнитного поля к цилиндрической системе координат (r,v,z) с началом, совпадающим с источником атмосферика, по формулам (2.3.1.)

На Рис.3.2.а (вверху) представлена зависимость пеленга от частоты, определенная по отношению реальных частей спектральных компонент вектора Умова-Пойнтинга Аp(w); на Рис.3.2.б (в центре) - спектры реальной части продольной P (w) и поперечной P (w) составляющих вектора Умова- Пойнтинга; на Рис.3.2.в (внизу) - амплитудные спектры продольной H (w) и поперечной H (w) компонент магнитного поля. Временные формы E (t), H (t) и H (t) этого атмосферика представлены на Рис. 3.3. Импульс был зарегистрирован в Индийском океане 15 февраля 1991г. в 13час. 14мин. 50 сек. московского времени, что соответствует ночным условиям в пункте наблюдения.

Нулевое значение соответствует азимуту, определенному по предложенной широкополосной методике интегрального вектора Умова-Пойнтинга. Видно, что это значение находится в области минимальных отклонений в зависимости, соответствующей узкополосному методу. Можно выделить два поддиапазона: СНЧ - ниже 2 кГц и СДВ - выше 6 кГц, в которых вариации значений пеленгов, полученные узкополосным методом, минимальны. В области 2 - 6 кГц, где существенно влияние поперечных резонансов, отклонения оказываются существенными и достигают 60 и выше. Погрешность определения пеленга также возрастает в минимумах спектральной плотности компонент поля, что легко трактовать как повышение влияния шумов. Поскольку не было возможности локации или пеленгации источников методами, обеспечивающими более высокую точность, такими, как, например, спутниковые наблюдения, было проведено сравнение предложенного метода с широкополосной амплитудной методикой, учитывающей только начальную часть атмосферика [54] длительностью около 100 мксек. Перед определением пеленга по данной методике временные реализации фильтровались в полосе частот от 7 до 13 кГц.

В таблицах 3.1.1 и 3.1.2 приведены результаты пеленгации двух групп атмосфериков. Таблица 3.1.1 содержит данные записей, полученных в Атлантическом океане (9 ю.ш.2 з.д.) в ночь с 9 на 10 апреля 1991г., в то время, как Таблица 3.1.2 - в локальное вечернее время 26 февраля 1991г. вблизи Сингапура (1 с.ш.104 в.д.)

В первой группе представлены сигналы, пришедшие с расстояния 1500 - 3000 км., во второй - от ближней грозы, наблюдавшейся визуально. Колонка "Азимут" содержит азимут атмосферика в градусах в корабельной системе координат, определенный широкополосным методом среднего вектора Умова-Пойнтинга. Следующая колонка содержит отклонения между пеленгами А и А , определенными двумя широкополосными методиками.

Из проведенных сравнений видны достоинства использованной нами методики, состоящие в следующем.

Методика является широкополосной и использует все спектральные составляющие сигнала. Из этого следует, что она более универсальна, чем узкополосные методики, поскольку оказывается не критичной к различиям в спектральном составе обрабатываемых атмосфериков.

Использование вектора У-П автоматически устраняет двузначность определения пеленга, присущую двухкомпонентным методикам.

Использование интегрального вектора Умова-Пойнтинга позволяет уменьшить ошибки за счет суммирования, когда определяющий вклад в результаты измерений угла прихода вносят большие когерентные частотные составляющие поля, а области малых значений полей (а значит и вектора Умова-Пойнтинга) существенной роли не играют.

Переход к работе во временной области позволяет существенно повысить скорость вычисления пеленгов и справиться с поставленной задачей в реальном масштабе времени без потерь во входном потоке импульсов.

Таблица 3.1.1. Результаты пеленгации для 14 атмосфериков, зарегистрированных 10 апреля 1991г.

[-------------------------------------------------------------------]

(N g/g Время, Мск. Азимут (А , градус) А -А ,градус)

[-------------------------------------------------------------------]

1 04:21:30 127.3 -1.7

2 04:21:42 -153.7 4.5

4 04:22:27 144.9 3.5

5 04:24:39 143.1 2.1

6 04:24:50 145.4 -2.1

7 04:25:55 160.3 3.3

8 04:26:30 134.6 1.1

9 04:28:55 136.9 2.3

10 04:30:20 140.6 2.6

11 04:30:27 141.2 -11.1

12 04:31:48 135.4 2.1

13 04:32:22 -155.0 -1.7

15 04:32:59 129.1 -4.1

16 04:34:20 -159.3 1.8

Таблица 3.1.2. Результаты пеленгации для 12 атмосфериков, зарегистрированных 26 февраля 1991г.

[-------------------------------------------------------------------]

(N g/g Время, Мск. Азимут (А , градус) А -А ,градус)

[-------------------------------------------------------------------]

1 12:56:19 98.2 1.2

2 12:57:21 -82.1 -5.0

3 12:58:16 94.2 0.8

4 12:59:14 95.9 5.1

5 13:00:16 94.0 -4.6

6 13:01:01 -97.0 -0.4

7 13:01:48 85.6 -1.8

8 13:04:09 68.1 3.1

9 13:05:04 94.2 74.1

10 13:07:56 -93.6 4.5

11 13:09:01 84.6 -0.6

12 13:14:50 179.3 0.8

3.2 Оценка погрешности измерений интенсивности потока атмосфериков

На Земле в среднем за каждую секунду происходит от 30 до 100 вертикальных разрядов молний [14, 69, 34]. Зарегистрировать весь поток порождаемых при этом атмосфериков оказывается невозможным вследствие таких причин, как ограниченные чувствительность и быстродействие аппаратуры, влияние индустриальных помех и т.п. Чтобы исключить срабатывание аппаратуры от помех, создаваемых силовой электросетью, устанавливают конечный пороговый уровень регистрирующей аппаратуры. Таким образом, заведомо вносится погрешность в измерения полного потока атмосфериков. Эта погрешность при фиксированном пороге определяется распределением амплитуд токов в молниях, характеристиками трассы распространения радиоволн в полосе регистрируемых частот, пространственным распределением разрядов молний. Для того, чтобы верно отслеживать вариации интенсивности потока атмосфериков, с одной стороны, необходимо понижать порог срабатывания аппаратуры, чтобы зарегистрировать удаленные разряды. С другой стороны, для уменьшения пропусков импульсов за счет конечного быстродействия аппаратуры, необходимо повышать порог срабатывания. Таким образом, компромиссным решением данной задачи является выбор порога, при котором потери регистрации за счет ограниченного быстродействия будут приемлемыми. Чтобы оценить пространственно-временную изменчивость грозовой активности, вследствие значительного уровня помех и уменьшения пропусков при регистрации, обусловленных ограниченным быстродействием аппаратуры, приходится проводить измерения потока атмосфериков на "хвосте" их амплитудного распределения. Этот порог выбирался экспериментальным путем и составил в наших измерениях E = 15 мВ/м. При этом верхняя оценка пропусков вследствие конечного времени обработки каждого импульса, рассчитанная путем моделирования алгоритма работы регистрирующего комплекса на ЭВМ, составила 32 % при интенсивности регистрируемого потока 2 имп./сек. (см. Табл.3.2.1., c.97).