ФГБУН ФИЦ «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера
Сибирского отделения Российской академии наук
ИКФИА СО РАН

Однопунктовые грозопеленгаторы дальномеры

Разряд молнии сопровождается электромагнитным излучением в широкой полосе частот, распространяющимся на большие расстояния. Наибольшая интенсивность в ОНЧ-диапазоне — от нескольких сотен герц до 30 кГц. В основе наземных наблюдений грозовых разрядов лежит пеленгация с помощью антенных систем, принимающих импульсные сигналы радиошумов от разрядов молний.

Рис 1. Диапазоны дальностей однопунктовых систем грозопеленгации, охватывающих территорию Республики Саха (Якутия). Желтые круги – грозопеленгаторы ДМ-400 (до 480 км), серый круг – грозопеленгатор ОГПД-1200 (от 250 до 1500 км). Зеленой линией, соединяющей Якутск и Нерюнгри, отмечена база двухпунктовой системы грозопеленгации.

Грозопеленгатор ОГПД-1200

   В ИКФИА СО РАН разработан однопунктовый грозопеленгатора-дальномер, задачей которого является определение пеленга (направление прихода) атмосферика и оценка дальности до ее источника. Грозопеленгатор-дальномер состоит из системы антенн и регистрирующей части. Применяется универсальная антенная система, дающая возможность вести наблюдения как за местными грозами, так и планетарными грозовыми очагами, в зависимости от выставленного порога регистрации сигналов естественных радиошумов ОНЧ диапазона. Антенная система включает в себя две скрещенные магнитные антенны и одну электрическую вертикальную. Конструктивно трехметровая электрическая антенна с конусной насадкой (для увеличения емкости антенны) установлена на семиметровой металлической мачте на изоляторе. Две двадцати витковые экранированные рамки, имеющие форму квадрата (эффективная площадь рамки 360 м2), размещены на той же мачте. Подбор необходимого коэффициента усиления действующей высоты штыревой антенны осуществляется шунтированием ее выхода конденсатором. С этой же целью выходы рамочных антенн нагружались низкоомными резисторами. Антенны удалены от наблюдательной станции на 400 метров, чтобы исключить помехи от станции.

Рис. 2. Анетенная система однопуктового грозопеленгатора дальномера на радиополигоне «Ойбенкель».
Рис. 3. Структурная схема приемно-усилительного тракта пеленгатора

Сигнал с предварительных усилителей в центральный пункт сбора информации подается по симметричным кабельным линиям связи через разделительные трансформаторы для устранения наводок на линии связи.      В канале электрической антенны применен антенный усилитель для согласования большого внутреннего сопротивления электрической антенны с последующими усилительными каскадами. Предварительные малошумящие усилители (ПУ) идентичные для всех антенн через трансформаторные входы усиливают сигналы в полосе частот 0,3-60 кГц, обеспечивая необходимую величину сигналов при передаче данных (ПД) по кабельным линиям связи. Оконечные усилители (ОУ) обеспечивают согласование с линиями связи и наиболее эффективное использование динамического диапазона аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Усиленный приемными трактами сигнал оцифровывается с помощью внешнего АЦП и обрабатывается в компьютере. Использование внешнего АЦП позволяет использовать переносные компьютеры с питанием от аккумуляторных батарей. Частота дискретизации АЦП – 250 кГц. Усиление всего тракта подобрано таким образом, что порог отбора атмосфериков для регистрации, составляющий на входе АЦП 50 мВ, соответствует сигналу на входе электрической антенны 150 мВ/м.      Со времени начала непрерывной регистрации ОНЧ-излучений несколько раз в год, а также после технических сбоев, проводится калибровка для проверки и корректировки регистрирующей аппаратуры. Калибрующие сигналы с шумового и импульсного ОНЧ-генераторов подаются на антенные входы. Значения этих сигналов находятся в диапазоне от 0 до 150 мВ.      Длительность реализации выбрана равной 3 мс, не менее трех длительностей атмосферика (~ 1 мс), а интервал между отсчетами (8 мкс) меньше четверти первого квазиполупериода атмосферика. В 95% длительность наблюдавшихся летом атмосфериков от грозовых разрядов облако-земля в радиусе 2000 км от пункта наблюдения составляла до 0,7 мс. Мода распределения равна 0,35 мс.      Направление на грозовые разряды  определяется по отношению среднеквадратичных значений сигналов атмосфериков Uс-ю, i и Uв-з, i, поступающих с ортогональных магнитных антенн. Для устранения погрешности, вносимой шумовой составляющей поля в измеряемые значения, из квадратичных значений сигналов атмосфериков вычитается фоновый уровень Uф.     Фоновый уровень определяется на предшествующем атмосферику интервале длительностью 1 мсек. U2ф=(Uф, iUср)2. При этом предполагается, что средние значения величины флуктуационной составляющей шумов естественного происхождения и величины сигналов низкочастотных радиостанций на соседних интервалах, длительностью в единицы миллисекунд, остаются неизменными [5]. Азимут прихода сигнала в этом случае:

=arctg(((Uс-ю, iUср, с-ю)2U2ф, с-ю)0,5/ ((Uв-з, iUср, в-з)2U2ф, в-з)0,5),

где Uср, с-ю=Uс-ю, i/n и Uср, в-з =Uс-ю, i/n – соответственно, средние значения сигналов в течение одной миллисекунды с начала атмосферика, принятые с ортогональных магнитных рамочных антенн направленных С-Ю и В-З; n – число отсчетов АЦП по каждому каналу в течение одной миллисекунды.

     Обычно при приеме узкополосных сигналов неоднозначность пеленга устраняется, исходя из соотношения фаз между горизонтальной и вертикальной составляющих сигнала [6]. При приеме широкополосного сигнала этот метод не применим. Неоднозначность пеленга устраняется путем сопоставления знаков взаимной корреляции () электрической и магнитной компонент сигнала атмосферика. Заметим, что знак измеряемого коэффициента корреляции смеси полезного сигнала и аппаратурного шума определяется только знаком коэффициента корреляции сигнала, поскольку аппаратурный шум некоррелирован. Если ЭДС, наведенные на две антенны, имеют одинаковые знаки, то коэффициент корреляции будет положительный, а противоположные знаки дают отрицательный коэффициент корреляции. Антенны подключаются таким образом, чтобы знаки коэффициентов в первом квадранте (С-В) были положительными. Для этого случая соответствующие углы () прихода сигнала можно определить с помощью таблицы 2.1., где (Нсювз), (Нвзz), (Нсю,Ez) – коэффициенты взаимной корреляции между соответствующими реализациями сигнала, полученных с антенн;  — азимутальный угол, отсчитанный по часовой стрелке от северного направления.
Таблица 1. Определение азимутальных углов () прихода атмосфериков в зависимости от знаков коэффициентов взаимной корреляции () сигналов, принимаемых на антенны.

 

( Нсю, Нвз )

( Нвз, Еz)

( Нсю, Ez)

>0

>0

>0

*

<0

>0

<0

180 — *

>0

<0

<0

180 + *

<0

<0

>0

360 — *

 

    Для оценки погрешности пеленгации проведены синхронные измерения пеленгов атмосфериков и сигналов СДВ радионавигационных станций двумя комплексами пеленгаторов, расположенных на расстоянии несколько сотен метров. Для источников атмосфериков и радиостанций, удаленных на сотни километров, можно считать, что пеленгаторы расположены в одной точке. Были определены одновременные пеленги для 200 атмосфериков и около 10 радиостанций, пришедших приблизительно со всех направлений. Стандартное отклонение погрешности пеленгования составило 2,5о для всех направлений. Оценка систематических ошибок, обусловленных неточностью установки антенн и не идентичностью приемных трактов, показывает, что их вклад составляет не более 1о.      Начиная с 1996 г. рассчитывается коэффициент автокорреляции сигналов, снимаемых с Е – антенны, со сдвигом в 8 мкс. При этом используется частота дискретизации АЦП 250 кГц. Было проанализировано распределение этого коэффициента автокорреляции для летних атмосфериков и найдено пороговое значение, соответствующее одной трети наиболее низкочастотных атмосфериков. Атмосферики, имеющие коэффициент автокорреляции, превышающий этот порог, то есть, более низкочастотные, рассматриваются, как вызванные молниевыми разрядами облако-земля.      Мертвое время регистратора (при использовании внешнего АЦП типа Е-330 с частотой дискретизации 250 кГц), затрачиваемое на обработку сигналов и запись информации составляет ~0,5 сек, что позволяет регистрировать половину потока атмосфериков при частоте атмосфериков ~3600 разрядов в час, собираемых с наблюдаемой площади. Вероятность пропуска разряда приблизительно равна 1,4*10-4f, где f – количество разрядов, собираемых за час со всей площади наблюдения до частоты 7200 разрядов в час, считая, что разряды равномерно распределены по времени.      Дальность (L) до грозового разряда определяется как среднегеометрическая величина по ансамблю признаков. Нами были выбраны четыре регистрируемых параметра (два амплитудных и два спектральных): среднеквадратичное значение Е-составляющей (Eср.кв.) и Н-составляющей сигнала атмосферика (Hср.кв.) и количество положительных (N+) и отрицательных (N) полупериодов Е-составляющей атмосферика, превосходящих уровень, равный 0,1 максимальной величины сигнала атмосферика.

L=D((N+* N)/( Eср.кв.* Hср.кв))0,5,

где D – постоянный (нормировочный) коэффициент; Eср.кв. .=((EiEср)2/n)0,5; Ein оцифрованных АЦП значений Е- составляющей атмосферика, Eср – среднее значение Е-составляющей в течение той мс, на которой зарегистрирован атмосферик.

Для получения величины H-составляющей вычисляется корень квадратный из суммы квадратов величин сигналов принятых на две скрещенные рамочные антенны.

Hср.кв=((((Uс-ю, iUср, с-ю)2U2ф, с-ю)+ ((Uв-з, iUср, в-з)2U2ф, в-з))/n)0,5.

Среднеквадратичные значения амплитуды сигналов атмосфериков, приходящих из одного очага, имеют асимметричное распределение. Мода этого распределения сдвинута в сторону меньших амплитуд, трактуемых как большие расстояния. Амплитуды сигналов, принимаемых антеннами обратно пропорциональны дальности.      Распределение числа переходов также асимметрично, но его мода сдвинута в сторону меньшего числа переходов, трактуемых как меньшее расстояние. Количество переходов прямо пропорционально дальности. Использование четырех признаков нормализует распределение и уменьшает погрешность измерений. Надо отметить, что дальности от пункта наблюдения до грозового разряда, определяемые по отдельным признакам, коррелирован между собой.      Применение временных и фазовых признаков для достижения приемлемой точности, требует увеличения частоты дискретизации АЦП на порядок, что в несколько раз удорожает аппаратуру.      Для оценки погрешности пеленгации были проведены синхронные измерения пеленгов атмосфериков и сигналов СДВ радионавигационных станций двумя комплексами пеленгаторов, расположенных на расстоянии несколько сотен метров. Для источников атмосфериков и радиостанций, удаленных на сотни километров, можно считать, что пеленгаторы расположены в одной точке. Были определены одновременные пеленги для 200 атмосфериков и около 10 радиостанций, пришедших приблизительно со всех направлений. Стандартное отклонение погрешности составило 2,5о для всех направлений. Оценка систематических ошибок, обусловленных неточностью установки антенн и не идентичностью приемных трактов, показывает, что их вклад составляет не более 1о.      Мертвое время регистратора (при использовании внешнего АЦП типа Е-330 с частотой дискретизации 250 кГц), затрачиваемое на обработку сигналов и запись информации составляет ~0,5 сек, что позволяет регистрировать половину потока атмосфериков при частоте атмосфериков ~3600 разрядов в час, собираемых с наблюдаемой площади. Вероятность пропуска разряда приблизительно равна 1,4*10-4f, где f – количество разрядов, собираемых за час со всей площади наблюдения до частоты 7200 разрядов в час, считая, что разряды равномерно распределены по времени.

 

Характеристики ДМ-400

— Потребляемое напряжение : 11.8-18 V,  0.8 А — Блок питания: 220V, 50Гц — RS232 порт:  9600 бит/c, 8 бит, 1 стоповый бит, отсутствие контроля четности. — Кабель USB — Антенный кабель CAT5, 25 метров — Формат данных RS232-порта: ASCII, NMEA — Размер LD-250: 123 x 178 x 29 мм — Размер антенны: 38 x 51 x 94 мм. — Вес LD-250: 375 гр. — Вес антенны: 200 гр. — Операционные системы: Windows 2000, XP, 98, 95, NT 4.0 and 3.1 — Поддержка СОМ-порта: COM1, COM2, COM3, COM4 — Возможные диазоны грозопеленгации: 160, 320 and 480 км