Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Корреляция рядов интенсивностей измеренных линий атмосферного озона и нейтронного потока .
1.1. Описание радиометра и метода измерения атмосферного поглощения 25
1.2. Методика поиска связи содержания озона с космическими факторами 32
1.3. Ранние результаты сопоставления данных наблюдения линий озона с внеземными источниками 39
1.4. Обнаружение корреляции потоков нейтронов с декрементами измеренных линий озона 41
Глава 2. Исследование широтной и высотной зависимости связи озона с действием космических лучей .
2.1. Описание задачи и используемых данных 51
2.2. Сравнение расчета корреляции интенсивностей линий озона с потоком космических лучей по данным микроволновых наблюдений разных станций 53
2.3. Сравнение влияния протонного и нейтронного потоков на содержание озона в разных географических широтах и на разных высотах 60
2.4. Толкование влияния вариаций потока нейтронов на содержание озона 67
2.5. Наблюдение вариаций озона во время солнечного затмения 31 мая 2003 г 70
Глава 3. Исследование возможностей повышения разрешающей способности радиометра по частоте .
3.1. К вопросу о повышении частотного разрешения и чувствительности 75
3.2. Особенности применения цифровых методов в радиометрических задачах 77
3.3. Описание аппаратной и программной реализации блока цифровой обработки 81
3.4. Результаты измерений линий озона при использовании цифровых фильтров 86
3.5. Дополнительная аналоговая система узкополосных фильтров 91
3.6. Криогенный блок для понижения шумовой температуры, первого каскада приемника 94
Заключение 99
Приложение 102
Список литературы
- Методика поиска связи содержания озона с космическими факторами
- Обнаружение корреляции потоков нейтронов с декрементами измеренных линий озона
- Сравнение влияния протонного и нейтронного потоков на содержание озона в разных географических широтах и на разных высотах
- Описание аппаратной и программной реализации блока цифровой обработки
Введение к работе
Озон оказывает большое влияние на жизнь на Земле, поскольку является естественным защитным экраном для ультрафиолетового излучения Солнца. Превышение уровня радиации этой части спектра может губительно сказаться на живых организмах, т.к. органические молекулы могут изменяться под ее воздействием. В последние годы интерес к проблеме атмосферного озона возрос в связи с обнаружением влияния ряда факторов антропогенного происхождения на его содержание, обнаружены области с аномально низкими значениями содержания озона - так называемые "озоновые дыры". В связи с этим исследования вариаций концентрации озона становятся актуальными.
Для озона характерно неравномерное распределение по высоте. Примерно до 15 км плотность озона остается практически постоянной (~10|2см"3), далее с увеличением высоты она растет, достигая максимума на 20-25 км (~1013 см"3). На больших высотах, наоборот, уменьшается с высотой (~10п см"3 на высоте 45 км). Около 90% озона находится в стратосфере. Кроме использованной выше концентрации, как меры количества озона, часто применяется понятие общего содержания озона (ОСО), как интеграл от концентрации по всей толще атмосферы.
Озон обладает закономерностями в распределениях по широте и по временам года. В масштабе полушария одно из самых ярко выраженных изменений - сезонные вариации. Установлено, что ОСО в северном полушарии увеличивается примерно на треть от минимального значения в ноябре до максимального в апреле. В южном полушарии, наоборот, ОСО максимально в октябре и минимально в феврале-марте, причем разница между экстремальными значениями меньше, чем в северном [1]. Кроме того, исследования последних лет установили зависимость годового хода максимума концентрации озона от высоты [2]. ОСО также обладает заметной
широтной зависимостью: минимум концентрации наблюдается вблизи экватора, максимум концентрации в северном полушарии, приходящийся примерно на 60 с.ш., заметно выше, чем в южном [1].
По характеру протекающих процессов с участием озона атмосфера разделяется на две части. Диапазон высот до 20-30 км принято считать областью динамических вариаций озона, область высот выше 30-40 км -фотохимической областью.
В последние годы интерес к проблеме атмосферного озона возрос в связи с обнаружением влияния ряда факторов антропогенного происхождения на его содержание. С конца 70-ых - начала 80-ых годов наблюдается сильное уменьшение количества озона в весенний период над Антарктидой [3]. Полное содержание озона на высоких широтах в окрестности Южного полюса сократилось более чем на 50% в сравнении с тем, что наблюдалось до появления озоновой дыры. Оценка трендов изменения полного содержания озона в атмосфере такова: убывание содержания озона по данным 90-ых годов составляет 1.7+0.4% за десятилетие, в широтной зоне 35-90 - 2.0±0.8% за десятилетие [4].
До сих пор ученые не пришли к единому мнению о причинах уменьшения содержания озона в атмосфере. Большинство из них придерживается теории химического разрушения озона. Считается, что значительные потери обусловлены наличием в атмосфере химически активного хлора, основным поставщиком которого являются хлорофтороуглеводороды (фреоны, галогены и фтораны). Будучи химически нейтральными, фреоны образуют накопитель реагентов, разрушающих озон, таких как атомный хлор и окись азота. Другим естественным стоком озона является «нечетный» азот (NOx).
Для Антарктиды характерны чрезвычайно холодный полярный вихрь
весной и полярные стратосферные облака из кристаллов льда и азотной
кислоты. В таких физических условиях фреоны продуцируют
озоноразрушающие соединения. В связи с этим был принят целый ряд
международных соглашений (Монреальский протокол 1987, 1990г., Копенгагенское соглашение 1992 г., Киотский протокол) об ограничении выбросов в атмосферу фреонов. Даже с учетом этих ограничений, в связи с многократно увеличившимся за полвека содержанием хлора в атмосфере, с учетом накопления фреонов и глобальным потеплением, предполагается, что озоновая дыра над Антарктидой сохранится до 2045 г. [5]. В последние годы спутниковые наблюдения показали ослабление убывания озона в районе Южного полюса [6]. Также в последние годы появились исследования, указывающие на возможность дополнительного разрушения озона в результате ядерных взрывов, полетов сверхзвуковой авиации, запуска ракет, роста использования удобрений и т.д.
Отметим, что гипотеза связи озоновой дыры с выбросом фреонов считается доказанной, однако потери озона в средних широтах обусловлены той же причиной только с некоторой вероятностью. Наблюдаемая скорость убывания -2% в десятилетие дает годовые изменения озона такие же по порядку величины, как его годовые флуктуации. Поэтому кроме антропогенного воздействия, активно рассматриваются также естественные вариации озона. В качестве примеров естественных причин, вызывающих понижения концентрации озона, выдвигаются вулканические выбросы и сейсмоактивность. Например, резкое уменьшение содержания озона в период 1991-93 гг. связывают с извержением вулкана Пинатубо в Чили [7, 8]. Разрабатывается гипотеза связи озона с сейсмоактивностью [9, 10]. Существует предположение о влиянии северного полярного вихря на понижение концентрации озона над Сибирью [11].
Выяснение причин изменчивости стратосферного озона является важной задачей физики атмосферы. В настоящее время хорошо известно, что значительные колебания содержания озона на высотах выше 20 км могут быть связаны с динамикой атмосферы, в частности, со стратосферными потеплениями и внутренними гравитационными волнами [12, 13]. Существует ещё один тип возможных вариаций озона, обусловленных
образованием окиси азота за счет космических лучей. Исследование этих вариаций является важным по следующим причинам. Во-первых, оно может наглядно показать, что стратосферный озон реагирует на известное изменение скорости преобразования молекул NOx. Во-вторых, эти вариации позволяют физически объяснить причины предполагаемого 11-летнего изменения ОСО. В-третьих, с вариациями связаны некоторые гипотетические механизмы длительных изменений земного климата, определяемых стратосферой. Основное внимание исследователей приковано к изучению реакции мезосферного озона на солнечную вспышку и озона нижней атмосферы на вариации галактических космических лучей, при этом практически нет сведений о том, как фоновые вариации космических лучей влияют на стратосферный озон..
В современной геофизике атмосферный озон рассматривают как возможный фактор, определяющий связующий механизм между активностью Солнца и погодными и климатическими изменениями. При этом главная роль стратосферного озона состоит в том, что его слой является буферной зоной, где приток энергии от внешних (в том числе тропосферных) источников модулируется, фильтруется, а затем передается в тропосферу или отражается от нее [1].
Предположение о влиянии флуктуации поступления энергии из космоса на атмосферу Земли и жизнедеятельность человека возникло несколько веков назад. Отдельно при этом выделялась компонента солнечного происхождения, как достаточно доступная для оптических наблюдений. Сформировалась область исследований, названная физикой солнечно-земных связей, которая активно развивается и в наши дни. Для того, чтобы выделить различие между кратковременными энергичными всплесками и слабо меняющимся солнечным излучением, используют понятия солнечной активности и солнечной постоянной. Для описания корпускулярных потоков, поступающих из космоса, применяется термин «космические лучи» (КЛ). Последние разделяют на галактические
9 космические лучи (ГКЛ) и солнечные космические лучи (СКЛ). Различие связано с источником происхождения, а также сильно выражено в особенностях временных и спектральных характеристик.
ГКЛ состоят из протонов, ядер элементов и электронов с энергиями от -10 до 10 эВ. Основные их составляющие - протоны (93,6 %) и альфа-частицы (6,3 %). Остающиеся 0,14 % включают в себя все другие элементы. Интенсивность электронов с энергиями более 100 МэВ, по крайней мере, на порядок величины меньше, чем интенсивность протонов [14].
В интервале энергий от 1010 до 1015 эВ интегральный спектр всех частиц описывается функцией Ег с постоянным показателем степени у ~ 1.7 (Е - полная энергия). При величинах энергий, меньших 1010 эВ, рост потока частиц замедляется и практически прекращается при Е < 109 (т.е. спектр становится плоским). Последнее означает, что в составе ГКЛ почти отсутствуют частицы очень малых энергий. При больших энергиях, в интервале 10 -10 эВ, падение интенсивности происходит быстрее (у~ 2.2). Излом в спектре исчезает при самых высоких энергиях. Энергетическое распределение ядер подобно распределению протонов. Наблюдаются вариации КЛ с циклом солнечных пятен для энергий, меньших ~5 БэВ. Измеренная величина потока частиц с энергией свыше 40 МэВ около максимума солнечных пятен составляет ~ 0.2 частиц/см сек. стер. Для минимума солнечных пятен эта величина в - 2.5 раза меньше. Поскольку частицы КЛ заряжены, их траектории искривляются магнитными полями, и низкоэнергичные частицы не достигают поверхности Земли на низких географических широтах (геомагнитное «обрезание»). Ограничивающим фактором служит так называемая «жесткость»: отношение импульса частицы к ее заряду. Интенсивность КЛ на поверхности Земли на экваторе на 10% меньше, чем вблизи полюса. Но широтный эффект сильно увеличивается с высотой: уже на высоте 6 км он возрастает до 40%. Тем не менее, полное число пар ионов, образуемое ГКЛ в год в высоких широтах (географическая
10 широта <р > 60), меньше, чем в оставшейся части Земного шара за счет соотношения площадей.
Солнечные вспышки сопровождаются испусканием высокоэнергичных протонов, электронов и нейтронов. Спустя полчаса или более после регистрации больших видимых вспышек, на Земле наблюдаются протоны и более тяжелые ядра с энергиями до 200 МэВ. В СКЛ энергия протонов ограничивается обычно долями ГэВ, иногда достигает нескольких ГэВ. Интенсивность СКЛ падает с увеличением энергии резче, чем у ГКЛ, причем показатель степени интегрального спектра меняется от события к событию от 2 до 7. В случае если в потоке СКЛ содержатся релятивистские протоны с энергией выше 1 БэВ, то таковые регистрируются на уровне моря. Иначе на уровне моря солнечные протоны не фиксируются. Если вспышка СКЛ нарастает медленно, то интенсивность КЛ может увеличиваться в течение 30-32 ч. В случае бы строи арастающей вспышки поток частиц достигает максимума уже спустя 30 минут после оптической вспышки. Многие численные характеристики ГКЛ и СКЛ изложены в [14].
Отличительная черта КЛ низких энергий — значительные временные изменения потока этих частиц, связанные как с процессами их распространения в межпланетной среде, так и с генерацией частиц на Солнце во время взрывных процессов. Напротив, поток КЛ высоких энергий практически не меняется со временем. Высокоэнергичные частицы КЛ при попадании в атмосферу Земли взаимодействуют с ядрами атомов кислорода и азота, образуя ливни вторичных частиц. Рожденные в первом взаимодействии вторичные частицы снова сталкиваются с ядрами атомов и дают новые частицы. Таким образом, процесс носит каскадный характер, увеличивающий число частиц в ливне во много раз [15].
Наблюдаются 11-летние, а также более длительные периоды в потоке ГКЛ. Отмечается отрицательная корреляция между ГКЛ и СКЛ. Максимум ГКЛ может быть сдвинутым на 2-3 года относительно минимума СКЛ в
сторону запаздывания, причем величина сдвига различна на разных станциях [1].
Наряду с долговременными происходят и более короткопериодные изменения потока КЛ. К ним, прежде всего, относятся 27-дневные и суточные вариации. Кроме того, наблюдаются спорадические вариации, называемые Форбуш-понижениями (ФП), когда внезапно, в течение нескольких часов, поток частиц, регистрируемых наземными станциями, в атмосфере Земли или на космических аппаратах, начинает резко падать. Такие события происходят после мощных взрывов на Солнце. Образовавшаяся ударная волна распространяется в межпланетной среде со скоростью, достигающей 1 000 км/с и более. Эта ударная волна несет перед собой усиленное солнечное магнитное поле, которое затрудняет проникновение заряженных частиц внутрь высокоскоростного потока. Поэтому, когда Земля оказывается за фронтом ударной волны, интенсивность КЛ падает. Поскольку вспышки на Солнце происходят чаще всего в годы высокой солнечной активности, в эти периоды наиболее часто генерируются ударные волны и наблюдаются Форбуш-понижения КЛ [15].
Поскольку энергетический спектр космических частиц лежит в широком диапазоне, для регистрации КЛ используют разные подходы: используются как небольшие детекторы, устанавливаемые на космических аппаратах, так и огромные наземные установки, регистрирующие частицы предельно высоких энергий. Существует планетная сеть нейтронных мониторов для регистрации вторичных космических лучей. Иногда измеренное число нейтронов интерпретируют как ГКЛ, хотя, строго говоря, в нем есть и солнечная составляющая. Нейтронная компонента солнечного корпускулярного излучения (выбросов корональной материи) достаточно надежно обнаруживается с помощью как внеатмосферных датчиков, так и наземных нейтронных мониторов [16]. Получены изображения Солнца в нейтронных «лучах» (аппарат COMPTEL). Но все же выделение солнечной компоненты нейтронного потока наземными средствами представляет известные
12 сложности по причине нестабильности нейтронов и из-за наличия их атмосферного «фона». В связи с этим для надежной регистрации солнечных нейтронных потоков используется планетная сеть мониторов (их насчитывается около 50). Считается, что нейтроны с энергиями более 300 МэВ, излучаемые солнцем во время вспышек, регистрируются со 100% надежностью по интегральному отклику сети мониторов [17]. Из других свойств нейтронов отметим, что время жизни свободного нейтрона составляет 103 секунд.
Для связи измеряемой на Земле меры интенсивности количества вторичных космических лучей с интенсивностью первичных КЛ, используется корректировка на давление атмосферного столба: считается, что величина последнего характеризует рассеяние ГКЛ в атмосфере, и, как следствие, образование вторичных КЛ.
В данной работе используются доступные в Интернет данные о протонах, зарегистрированных на спутнике GOES-8 и данные двух нейтронных мониторов, которые являлись наиболее близкими для рассматриваемых в работе радиометрических станций измерения озона.
Основной мерой солнечной активности является число солнечных пятен, видимых на диске Солнца - чем больше пятен, тем более активно. На поверхности активного Солнца возникают такие кратковременные явления, как солнечные вспышки, представляющие собой всплески электромагнитной энергии в видимой, ультрафиолетовой, рентгеновской части спектра, а также захватывает и радиодиапазон. Во время больших вспышек Солнце испускает релятивистские заряженные частицы: протоны, альфа частицы и электроны (называемые СКЛ). Косвенными показателями активности Солнца служат полярные сияния, геомагнитные бури, изменения в интенсивности ГКЛ [1].
Еще в 1801 г. Гершель, исходя из соответствия между минимумом солнечных пятен и минимумом осадков, допустил возможность существования косвенной связи между числом пятен на Солнце и ценами на зерно. Число солнечных пятен начали наблюдать при помощи оптических
13 телескопов в XVII веке, систематически фиксировать эту величину стали с начала XIX века, а в 1943 Швабе обнаружил циклическую закономерность минимумов и максимумов. Позднее были отмечены 11-, 22-, 80- и 90-летние циклы солнечной активности. Обнаружены корреляции активности Солнца с числом осадков, температурой, урожайностью, толщиной годовых колец прироста на срезе деревьев, а также содержанием озона и т.д. [1, 18, 19]. Как правило, речь идет о проявлении 11-летней периодичности в указанных величинах.
Космические лучи были открыты в 1912 голу Гессом. Кроме солнечной
составляющей, по современным представлениям, источниками
высокоэнергетичных КЛ (фактически ГКЛ) могут служить взрывы
сверхновых звезд, при этом частицы впоследствии ускоряются ударными
волнами, сопровождающими эти взрывы [15]. Существуют предположения о
связи ГКЛ с рядом климатических факторов на основе обнаруженных
корреляций (аналогично ситуации с солнечной активностью). Первая
гипотеза о связи ГКЛ с озоном была выдвинута в 1929 г. Андерсеном.
Согласно ей ГКЛ ответственны за образование озона, так как широтное
распределение интенсивности потока КЛ и общего содержания озона
совпадает, а также существует ярко выраженный максимум концентрации
озона примерно на тех высотах, где ГКЛ отдают основную часть своей
энергии. Гипотеза не получила своего развития, поскольку для объяснения
наблюдаемой концентрации озона согласно оценкам требуется
интенсивность ГКЛ в 106 раз выше существующей. К настоящему времени
показано, что совпадающими пространственно-временными
характеристиками озона и ГКЛ являются вид высотного профиля, широтный ход, широтная зависимость высоты максимума, совпадение координат аномалий, совпадение экваторов, одинаковая северно-южная асимметрия [20, 21]. В 60-70-ых гг. проводились попытки связать свойства ГКЛ с 11-летними вариациями озона, однако полной и убедительной оценки масштаба влияния КЛ на озон не получено. Однако в то же время появлялись работы, в которых
14 говорилось об обнаруженной положительной корреляции содержания озона и КЛ в 11-летнем солнечном цикле [14].
Влияние солнечных событий на содержание озона привлекло внимание исследователей с 70-ых годов XX века (см, например, работы Крутцена и др. [22,23]). После сильной протонной вспышки 4 августа 1972 было замечено снижение уровня озона. Подобные явления в полярных широтах были зафиксированы после протонных вспышек в последующие годы [24, 25]. Падение содержания озона после протонных вспышек может достигать десятков процентов. Воздействия солнечных событий (1989, 1991, 1997 гг.) стали предметом для моделирования атмосферных процессов рядом авторов [14, 26 - 35]. Анализ современного состояния исследований в области наблюдений и модельных оценок влияния ГКЛ и СКЛ на малые газовые составляющие средней атмосферы изложены в обзорах [14, 36].
Проводились исследования, показывающие, что высыпания релятивистских электронов (ВРЭ) также могут привести к росту скорости образования N0, и таким образом влиять на содержание озона в атмосфере [14]. Существует гипотеза, согласно которой именно ВРЭ, являются постоянным источником Н0Х и NOy в атмосфере, и именно вариации этого источника объясняют долговременные тренды глобального содержания озона в период 1979-1985 гг., выявленные в данных экспериментов SAGE, SAGE-II.
Считается, что основной механизм воздействия КЛ сводится к росту ионообразования с последующим продуцированием озоноактивных соединений (Н0Х, NOy и др.) [14]. Механизм представляется как результат нескольких десятков химических реакций [26]. В последние годы появились утверждения о том, что гомогенная фотохимическая теория (которая включает только газофазные реакции кислорода, азота и их окислов) не в силах объяснить величины наблюдаемого эффекта в озоне. Поэтому был предложен триггерный механизм воздействия КЛ на содержание озона, включающий гетерогенные фотохимические процессы, нарушения
15 температурного или электрического баланса атмосферы, образование или разрушение полярных стратосферных облаков или аэрозолей. В пользу этих предположений идут полученные экспериментально результаты увеличения концентрации аэрозоля, а также исследования, выяснившие уменьшение облачности и отклонения в температурном профиле после солнечной вспышки. Однако гипотеза триггерного механизма еще не получила теоретической разработки [14].
Важные результаты были получены группой казахских ученых. Анализ данных сред неширотных озонометрических станций привел к заключению о том, что понижения ГКЛ вызывают уменьшения плотности озона на высотах от поверхности Земли до 20 км. Рассчитанный коэффициент корреляции составил 0.34. Также был предложен механизм вертикального перемещения озона, который может объяснить эту корреляцию на указанных высотах. Соответственно отмечалось, что при увеличении высоты должна наблюдаться смена знака коэффициента корреляции [20, 21]. Что касаемо ОСО, то однозначного ответа о реакции озона не получено. В работе [37] сообщается о 10-15%-ном увеличении ОСО на шести станциях европейской территории России во время ФП потока ГКЛ 15 февраля 1978г. В то же время в работе [38] говорится уже о понижении ОСО в периоды ФП. В работе [39] автор делает вывод о постоянстве общего содержания озона во время ФП.
В работе [40] приведено сравнение моделирования влияния КЛ на атмосферные составляющие. Для озона модель показала положительный отклик до 0.5% на высотах 0-20 км, такой же отрицательный на высотах 20-35 км, и на порядок слабее положительный на высотах 40-50 км. Отмечено, что в эксперименте наблюдаются значительно большие значения реакции озона, чем в расчетах.
Как следует из вышесказанного, характер воздействия КЛ на озон еще не изучен полностью. Кроме того, многие результаты оказываются в противоречии друг с другом. При этом достаточно надежно определен сам факт влияния КЛ на озон. Поэтому актуальными являются как теоретические
разработки, касающиеся проблемы, так и дополнительные экспериментальные исследования. В данной работе рассмотрено влияние КЛ на вариации озона с использованием результатов микроволновых наблюдений.
Классические способы измерения озона сводятся к баллонным и спутниковым наблюдениям. Систематические наблюдения озона проводятся с начала XX века. Во второй половине этого столетия получил развитие еще один метод, получивший название радиометрического. Основан он на измерении оптической толщины собственного излучения атмосферы на частотах, соответствующих энергетическим переходам молекулярного озона, являясь разновидностью наземного дистанционного зондирования. Преимуществами этого метода являются возможность проведения долговременных непрерывных измерений независимо от сезона и времени суток, экологическая безвредность наземных приборов по сравнению с аппаратурой, устанавливаемой на носителях, и относительно низкая стоимость. Традиционно для зондирования атмосферы использовались инфракрасный и ультрафиолетовые диапазоны [41]. Измерения в переходах, лежащих в микроволновом диапазоне, в меньшей степени зависят от наличия в атмосфере аэрозолей и легкой облачности. Для микроволнового диапазона выше верхний высотный предел зондирования (до 70-80 км против 40 км в ИК диапазоне). Верхним высотным пределом называется высота, при превышении которой ширина линии перестает зависеть от высоты, тем самым пропадает возможность восстановления высотного профиля газов. Микроволны большей частью поглощаются в линиях водяного пара и кислорода. Только в частотных интервалах между этими линиями, называемых окнами прозрачности, возможны наблюдения линий примесных атмосферных газов, в том числе озона. Радиометрические измерения озона в линиях микроволнового диапазона иногда называют еще микроволновыми или радиоастрономическими (по сути метода).
Активное применение радиоастрономических методов в исследованиях озоносферы ведется с 80-ых годов XX века как с использованием бортовых радиометров, так наземных станций [42, 43]. Впервые линии примесных газов были обнаружены при помощи микроволновых методов в конце 60-ых начале 70-ых годов [44 - 47]. В нашей стране работы, связанные со спектральными измерениями атмосферного поглощения в линиях озона и других примесных газов, начались в Научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ) и Институте прикладной физики АН СССР (ИПФ) (оба в Н. Новгороде, до 1990г. - Горьком). Первые наблюдения велись методом последовательного анализа с достаточно низким разрешением (5-10 МГц), которое со временем улучшалось (до 1 МГц и меньше).
Измерения оптической толщины в линиях озона, результаты которых дали согласие с расчетом, впервые проведены в г. Н.Новгороде в 1974-75 гг. [47, 48], линия озона на частоте 96,2 ГГц получена в 1978 г. [49], в 1979 г. измерен контур линии на частоте 142,2 ГГц [50]. В 1983 г. в горах Заилийского Ала-Тау проводились измерения линии озона на частоте 142,2 ГГц. По результатам трехдневных измерений определено количество озона в атмосфере Земли, обнаружено, что вариации количества озона для Н.Новгорода и Алма-Аты противоположны по знаку [51, 52]. С осени 1986 до весны 1988 проведены долговременные круглосуточные наблюдения в г. Апатиты (Кольский п-ов) [53-56]. Выяснилось, что по сравнению со средними широтами в полярных изменения интенсивности и контура линии озона отличались большим разнообразием. В зимне-весенний период 1988-89 гг. на о. Хейса (архипелаг Земля Франца-Иосифа) выполнен комплексный эксперимент по изучению структуры и динамики озонового слоя в полярных широтах, по результатам которого наряду с другими методами микроволновый показал свою надежность [57-59]. В 1989-1990 проводились наблюдения атмосферного озона в Антарктиде [60]. В 90-ых годах при помощи двухлучевого радиометра были обнаружены пространственные
18 неоднородности в распределении стратосферного озона, названные «озоновыми облаками» [61].
Исследования озона микроволновым методом в России проводятся также в Физическом Институте Академии Наук (ФИАН, Москва) [41, 62-64]. В последние годы был разработан комплекс для исследований озона на частоте 142 ГГц. В его состав входит акустический анализатор спектра, который превосходит другие типы анализаторов по чувствительности и широкополосности [65].
В ННГУ был построен измерительный комплекс для дистанционного зондирования атмосферы в полосе 90-110 ГГц, основным достоинством которого является возможность быстрой перестройки, позволяющей проводить почти одновременные наблюдения нескольких линий [66-69]. Цель этой программы наблюдений заключается в поиске нестационарных явлений в атмосфере, в т.ч. вызванных космическими причинами. Аппаратные возможности позволяли получать информацию о содержании озона в диапазоне 30-50 км при усреднении около 1 часа. При использовании данного комплекса были получены серии наблюдений поглощения в линиях озона на частотах 101736МГц и 96228 МГц [66, 67]. Подчеркнем, что это были впервые проведенные одновременные измерения двух линий озона. Именно одновременность наблюдений двух линий позволяет получать такую характеристику как отношение интенсивностей двух линий озона.
Несколько слов о физической интерпретации отношения интенсивностей линий. В последние годы в атмосфере были обнаружены нарушения локального термодинамического равновесия для вращательных степеней свободы молекул. Ранее такие нарушения наблюдались, прежде всего, для колебательных степеней свободы. Выполнение условия локального термодинамического равновесия необходимо при решении обратной задачи восстановления профиля концентрации озона [70]. Нарушение равновесного распределения молекул по энергетическим уровням приводит к отклонениям отношения интенсивностей линий озона,
19 принадлежащих разным переходам. Отклонения в содержании озона при действии возмущающих факторов в верхней стратосфере происходят за время порядка нескольких часов [71]. Поэтому при интерпретации переменчивости радиоизлучения озона важно не только учитывать процессы фотохимии и переноса, но и следить за сохранением локального термодинамического равновесия озоновых молекул, что может быть реализовано одновременным наблюдением линий, принадлежащих разным переходам.
В данной работе решалась задача усовершенствования описанного измерительного комплекса. В результате построен блок для уменьшения его шумовой температуры, почти на порядок увеличена разрешающая способность радиометрического приемника по частоте. Полученные временные ряды интенсивностей линий (а также их отношения) позволили исследовать вариации перечисленных параметров. В данной диссертации была поставлена задача изучения воздействия таких внеземных источников на интенсивности линий озона и их отношения (в том числе протонных солнечных вспышек, солнечного ветра, космических лучей, УФ излучения). A priori не известно, влияние какого из них наиболее значимо. Отдельный интерес вызывают исследования влияния космических лучей (как СКЛ так и ГКЛ). С одной стороны, реакция озона на КЛ была обнаружена из результатов других методов, с другой, наибольшее влияние было отмечено на высотах, не попадающих в диапазон нашего прибора. Поэтому целью работы стали как получение независимых данных о влиянии КЛ, так и исследование высотной зависимости характера воздействия КЛ на озон, а также выяснения влияния КЛ на отношение интенсивностей линий.
Отдельным пунктом в целях работы стоит наблюдение вариаций озона во время солнечного затмения. До сих пор отсутствует однозначный ответ о присутствии отклика озона во время затмения, а набор имеющихся данных микроволновых наблюдений достаточно узок [72, 73]. Кроме того,
20 наибольший отклик озона ожидается именно на высотах, доступных микроволновому методу.
Цели и задачи работы
В данной работе ставились следующие цели:
Повышение верхнего высотного предела зондирования атмосферы путем повышения частотного разрешения радиометрического приемника.
Исследование влияния внеземных факторов на вариации атмосферного озона.
Для достижения целей решались задачи:
Усовершенствование комплекса дистанционного зондирования атмосферы ННГУ. Повышение частотного разрешения и чувствительности измерительного комплекса.
Проведение измерений нескольких спектральных линий атмосферного озона как для выявления временных вариаций каждой из них, так и для сравнения относительных интенсивностей линий.
Исследование корреляции временных вариаций интенсивностей теллурических линий озона и отношений интенсивностей линий с различными факторами, описывающими околоземные процессы.
4. Наблюдение вариаций интенсивностей линий во время частичного
солнечного затмения.
Научная новизна работы
Обнаружена устойчивая корреляция {Ккор ~ 0,3...0,5) интенсивностей линий озона на частотах 101736 и 96228 МГц с количеством нейтронов в зимне-весенний период. Это первое обнаружение корреляции нейтронов на основе данных микроволновых наблюдений озона с содержанием озона на высотах 30-50 км.
Исследована зависимость коэффициента корреляции KKOp(At) от временного сдвига. В ряде случаев обнаружен максимум KKop(At) при
сдвиге около 50-100 часов. В некоторых случаях в зависимости KKOp(At) четко проявляется периодичность с периодами около суток и 650 часов, совпадающими с периодами вращения Земли и Солнца вокруг своих осей.
Обнаружено изменение знака коэффициента корреляции между числом нейтронов и концентрацией озона (от отрицательного к положительному значению) при переходе от слоя h = 25-30 км к слою h = 40-60 км. Этот результат получен методом радиометрии впервые. Проводившиеся ранее оптические наблюдения давали сведения только о нижнем слое озона, а теоретическое моделирование предсказывало на порядок меньший эффект, чем приводимый в диссертации.
Исследована возможность повышения частотного разрешения измерительного комплекса ННГУ для дистанционного зондирования атмосферы. Спектрорадиометр дополнен блоком цифровой обработки сигнала с цифровой фильтрацией на промежуточной частоте
Практическая и теоретическая значимость работы
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при исследованиях атмосферы Земли. Данные об иптенсивностях теллурических линий озона и отношении их интенсивности могут открыть новый способ исследования солнечно-земных связей. Разработанная аппаратура может быть использована для дальнейших исследований атмосферных процессов и влияния солнечных и галактических процессов на атмосферу.
Работа велась в рамках
гранта РФФИ 01 -02-16435,
гранта ведущих научных школ НШ-1489.03,
федеральной программы «Интеграция» (раздел «Фундаментальная радиофизика»),
-нескольких госбюджетных научно-исследовательских работ в НИЧ ННГУ.
22 Вклад автора
Личное участие автора в полученных результатах следующее:
автор принял участие в разработке и изготовлении ряда блоков измерительного комплекса, провел их тестирование и апробацию;
выполнил серию наблюдений радиоизлучения атмосферы в спектральных линиях озона в трехмиллиметровом диапазоне длин волн;
самостоятельно разработал алгоритм и программное обеспечение для блока цифровой обработки данных;
исследовал данные, полученные из наблюдений, в том числе связь интенсивностей линий озона и их отношения с интенсивностями галактического и солнечного корпускулярного излучения.
Апробация результатов работы и публикации
Результаты диссертационной работы докладывались на «XX всероссийской конференции по распространению радиоволн» (Нижний Новгород, 2002), на годичном семинаре РАН (Апатиты, 2004), на всероссийской сессии молодых ученых МАПАТЭ (Нижний Новгород, 2003), на седьмой и восьмой нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2002, 2003), на научных конференциях по радиофизике ННГУ (Нижний Новгород, 2001-2003), на региональном семинаре совета РАН по проблеме распространения радиоволн, а также на семинарах Научно-исследовательского Радиофизического Института и кафедры радиотехники ННГУ.
По результатам работы опубликовано 3 статьи в рецензируемых центральных журналах и 15 работ в материалах научных конференций.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результат сопоставления данных измерений интенсивностей линий озона на частотах 101736 и 96228 МГц за период 1996-2003 г. с числом нейтронов: обнаружение устойчивой корреляции {Ккор ~ 0,3...0,5) интенсивностей линий озона с числом нейтронов в зимне-весенний период.
Изменение знака коэффициента корреляции между числом нейтронов и концентрацией озона (от отрицательного к положительному значению) при переходе от слоя h = 25-30 км к слою h = 40-60 км. Этот результат получен методом радиометрии впервые. Проводившиеся ранее оптические наблюдения давали сведения только о нижнем слое озона, а теоретическое моделирование предсказывало на порядок меньший эффект, чем приводимый в диссертации.
Методом «наложения эпох» показано, что солнечные протонные вспышки приводят к уменьшению содержания озона в полярных широтах в среднем на 20%, в умеренных широтах такой эффект не наблюдаете
Повышение частотного разрешения спектрорадиометра до 800 кГц на основе созданного блока цифрового анализа и соответственное понижение шумовой температуры приемника с помощью криогенного входного устройства до 400 К. Это позволяет повысить высотный предел зондирования озона до - 60-65 км.
Вкратце о содержании работы.
В первой главе в начале описываются аппаратура и метод измерения содержания озона, при помощи которых выполнена работа, приводятся примеры наблюдаемых линий озона. Основная часть главы посвящена результату сопоставления данных наблюдений теллурических линий озона с числом нейтронов. Описаны подход к отбору экспериментальных данных, используемых для анализа, методика сопоставления. Приведены рассчитанные коэффициенты корреляции, исследована зависимость коэффициента корреляции от временного сдвига.
Во второй главе производится верификация результата предыдущей главы, путем сравнения с данными других станций микроволновых наблюдений озона. С другой стороны, определение коэффициентов корреляции КЛ с плотностью озона на выделенных высотах выступает как независимый тест. Приведены значения коэффициентов корреляции
24 плотности озона на нескольких высотах с потоками ГКЛ и СКЛ. Сделан вывод о тенденции смены знака корреляции плотности озона с ГКЛ при изменении высоты и появления значимых коэффициентов корреляции озона с СКЛ при повышенной активности Солнца. Приведены результаты применения альтернативного независимого способа исследования связи двух величин - метода «наложения эпох». Этот независимый тест показал, что в полярных широтах влияние вспышек на Солнце на плотность озона на высотах 40-60 км сильнее, чем в умеренных. Также в данной главе приводится результат измерения линии озона во время солнечного затмения 31 мая 2003 г.
Третья глава посвящена вопросу повышения частотного разрешения радиометра, исследованы несколько путей достижения этого, попутно рассмотрен вопрос повышения чувствительности. Подробно описана реализация тех блоков радиометра, в изготовлении, внедрении, тестировании которых автор принял участие. Особое внимание уделено реализации цифровой фильтрации и последующего детектирования после оцифровки на промежуточной частоте. Приведены результаты испытаний модернизированной радиометрической системы.
В заключении перечислены основные результаты работы, указаны вопросы, которые остались открытыми для дальнейшего исследования.
Методика поиска связи содержания озона с космическими факторами
На установке, описанной в разделе 1.1, в течение 1996-2003 гг. проведены серии наблюдений поглощения атмосферного озона во вращательных переходах на частотах 96228 МГц и 101736 МГц, интенсивности которых будут обозначены в дальнейшем /; и І2, соответственно. Накоплен достаточный статистический материал для сопоставления его с различными внеземными факторами, которые предположительно могли бы влиять как на содержание озона в атмосфере, так и на его перераспределение по вращательным энергетическим уровням. В первом случае мерой становится интенсивность тех или иных спектральных линий, во втором - отношение их интенсивностей.
Отдельно рассмотрим вопрос отбора материала для дальнейшего анализа. В работе [66] показано, что декремент линии d=AI=Imax-Imax-25Mrtf является достаточно информативной характеристикой анализа вариаций поглощения в исследуемых линиях озона. Для большей уверенности в достоверности используемых данных, были наложены дополнительные требования, как на ряды интенсивностей, так и на измеренные спектры озона, по которым была произведена оценка интенсивностей. Ниже перечислены эти требования.
1) Статистическая достоверность рядов данных. Были отброшены точки, отклонения которых от среднего превышали Зет, где а- стандарт отклонения для ряда интенсивностей линий. (Обычно ряд состоял из 15-40 точек, полученных в течение одного-трех месяцев.)
2) Малость нерезонансного поглощения относительно некоторого уровня. Как правило, завышенные значения атмосферного поглощения возникают в результате роста содержания водяного пара (в периоды либо сильной облачности, либо большого испарения), в результате влияние широких линий поглощения водяного пара приводят к «замыванию» спектральных линий озона в окне прозрачности или даже к полному их перекрытию. Исходя из опыта проведения микроволновых измерений, обычно принято считать удовлетворительными значения нерезонансного поглощения ниже 0.2 - 0.25 Неп в 3-мм диапазоне длин волн.
3) Следующие требования относятся к форме измеренных спектров и их ошибкам. Здесь за ошибку измерения каждой точки измеренного спектра принимается стандарт отклонения от среднего для измеренной мощности каждого канала радиометра, а усреднению подвергаются отсчеты, получаемые на выходе АЦП примерно каждые 2 минуты.
Поскольку декремент представляет собой разность двух величин, то его погрешность будет представлять собой сумму погрешностей на тех частотах, между которыми берется разность интенсивностей ad= а{ +&1 .В итоге критерий пригодности измеренной спектральной линии озона будет выглядеть следующим образом где Л обычно принимает значения 2...3, характеризует точность, с которой измеряется декремент. Соотношение Nd 2 обеспечивает с точки зрения статистики вероятность того, что измеренная кривая и есть спектр с вероятностью больше 60-70%. Дополнительными условиями, которые только увеличивают вероятность, являются правильный градиент линии и наличие выраженного максимума. Однако в условиях реального эксперимента могут быть еще такие осложнения, как
а) отсутствие выраженного максимума (из-за флуктуации в соответствующих ему и соседних спектральных каналах или уходе частоты гетеродина);
б) участки спектра с противоположным градиентом. Они находятся в крыльях линий и вызваны кроме указанных ранее флуктуации еще влиянием нерезонансного поглощения, возникновением стоячей волны и, возможно, другими причинами.
В первом случае, пренебрегая вероятностью ошибочной настройки на центр линий, можно считать, что ошибка определения 1тах меняется незначительно. Во втором же можно оценить дополнительную ошибку определения декремента d, как ст/ = Д/., Д/_ - изменение спектральной плотности линии на участке, где градиент Д//Д/ противоположен по знаку ожидаемому.
Обнаружение корреляции потоков нейтронов с декрементами измеренных линий озона
В Таблице 1.2 систематизированы полученные результаты. Приводятся усредненные (усреднение делалось по 25-ти отсчетам, это соответствует интервалу времени I сутки при zi/ = 0 и по 50-ти отсчетам при At 200 ч, т.е. в интервале отсчетов 175-225) значения коэффициента корреляции Ка и Кш (с их стандартами отклонения), соответствующие сдвигам At 0 и 200 ч между функциями /;(?), hif), h{t)lh(f) и нейтронными рядами. В нижней части Таблицы 1.2 отображены знаки градиентов озонных рядов данных и знаки градиентов соответствующих им временных рядов нейтронов.
Большая часть полученных зависимостей подобна одному из трех случаев, приведенных на Рис. 1.4 а, б, в. Т.е. для Ккор{АЇ) характерны или а) падение от некоторого положительного значения до нулевого на интервале Дг=0..,200 часов, или б) "подъем" от отрицательного до нулевого значения на том же интервале времени, или в) уменьшение коэффициента корреляции на интервале At 0 при KKop(At) 0. Однако встречаются и отклонения в поведении Ккор(Аі) от описанных выше 3-х ситуаций. Это, в частности, отражают и данные Таблицы 1.2, из которой видно что знаки Ккор или его градиента иногда отличны в один и тот же период наблюдений для различных параметров озонового ряда.
В 10-ти случаях из 25-ти, которые отображены в Таблице 1.2, наблюдался максимум KKop(At) при сдвиге в районе 50-100 часов, а сам вид KKOp{At) принимал такой вид, какой приведен на Рис 1.4 а. Используемое в Таблице 1.2 представление данных нацелено в первую очередь на выявление изменения коэффициента корреляции на сдвиге 200 ч., упуская при этом случай, когда максимум Ккор(Аі) приходится в промежутке между At = 0 и 200 ч. Поскольку кривая Ккор(Аі) лишь в 40 % случаев имеет максимум при сдвиге 50-100 ч., то мы не будем заострять внимание на данном факте. Отметим только, что это указывает на возможность того, что максимум коэффициента корреляции при сдвиге 2-4 суток определяется какими-то физическими процессами, связанными с воздействием космических лучей на озоносферу.
Полученные графики коэффициентов корреляции в зависимости от сдвига позволяют провести верификацию найденных зависимостей: тенденция изменения значения коэффициента корреляции к нулю при увеличении сдвига до 200 и более часов может быть подтверждением корректности расчета коэффициента корреляции. С другой стороны, если эффект запаздывания существует (особенно в случае, когда он приближается к 200 часам), то такая верификация должна применяться с осторожностью.
Отметим, что максимальное значение коэффициента корреляции, как правило, для отношения интенсивностей несколько ниже, чем для самих интенсивностей линий. Это может быть следствием того, что погрешность измерений для отношения выше, чем для интенсивности отдельной линии. Что касается наклонов прямых регрессии, то они, как видно из Таблицы 1.2, в абсолютном большинстве случаев одинаковы для озонных и нейтронных данных. Важно упомянуть, что большая часть лет, когда велись измерения (1998-2002), приходилась на тот полупериод 11 летнего цикла, когда число нейтронов убывает. Возможно, это и определило совпадение знаков. Тем самым возрастает интерес к исследованию этого вопроса в дальнейшем.
Интересен тот факт, что нейтронный ряд имеет отрицательный градиент для всех периодов наблюдений 03, приходящихся обычно на январь-март, за исключением одного периода 1996-97 г.г., когда цикл измерений начинался с конца ноября. Таким образом, для периода перехода от зимы к весне характерно уменьшение интенсивности потока нейтронов по тем данным, которые использовались в нашей работе. Как исключение, отметим 1997 г., результаты которого не приводятся в виду недостаточной уверенности в их достоверности. Типичные графики нейтронных рядов приведены на Рис. 1.5 а, б. На первом из них заметна явная периодичность. Там, где периодичность четко проявляется, период соответствует приблизительно 650 ч, что близко периоду вращения Солнца вокруг своей оси (см Рис. 1.5 а). На некоторых графиках для коэффициента корреляции были также заметны участки с периодической картиной, но четкого соответствия с поведением нейтронных рядов установить не удалось. На некоторых графиках прослеживался период около суток. Он мог проявиться вследствие неявного наличия его в рядах нейтронов или интенсив но стей линий озона, поскольку и те и другие могли содержать такую периодичность в неявной форме. Для озона может быть характерен суточный ход, обусловленный влиянием прямого солнечного света на концентрацию 03. Нейтронный ряд также мог оказаться промодулированным с суточным периодом, в случае если его источник анизотропен. Для солнечной составляющей КЛ последнее условие, очевидно, выполняется. Отметим, что [15] подтверждает наличие в КЛ суточных и 27-дневных периодических вариаций.
Сравнение влияния протонного и нейтронного потоков на содержание озона в разных географических широтах и на разных высотах
В этом разделе сосредоточимся на выводах, которые можно получить при сопоставлении рядов озонных данных с потоками нейтронов и протонов. Здесь будем опираться на данные высотного распределения озона по результатам наблюдений в Н.Новгороде (ИПФ) и г. Апатиты. Ставилась задача поиска закономерностей и связей вариаций озона с интенсивностями потоков СКЛ и ГКЛ, рассмотрение возможных отличий характера этих связей для разных географических точек и для различных высот.
Предпосылками и априорными данными являются сведения о том, что влияние заряженных частиц, присутствующих как в СКЛ, так и ГКЛ, сильнее проявляется в полярных широтах, нежели в умеренных. Что касается вопроса зависимости влияния от высоты, существует расчет, показывающий что максимум влияния СКЛ в северном полушарии имеет место на 40 км [24]. Основная же область влияния ГКЛ совпадает с расположением основной массы озона, т.е. это 25 км и ниже, что почти не пересекается с диапазоном высот, доступных для радиометрического метода.
Результаты обработки всех данных наблюдений приведены в Таблице 2.3. Для каждого периода указан 95%-ый доверительный интервал, а в скобках приведено пороговое значение К95%, при превышении которого коэффициент корреляции можно считать статистически значимым с вероятностью 95%. Ниже расположены оценки коэффициентов корреляции КРи KN. Дополнительным индексом у КР обозначена энергия в МэВ, которую превосходят протоны, учтенные этой величиной. Рассматривались пороги 10 и 100 МэВ (максимально возможный и тот, при котором могут наблюдаться различия в характере вариаций), порогу 100 МэВ соответствует нижняя кривая для протонов (см. Рис. 2.1-2.2). Использованы четыре периода микроволновых измерений в Апатитах и в Н. Новгороде, в том числе и одновременные (левая и правая части Таблицы 2.2, соответственно). В четвертом ряду Таблицы 2.2 приводятся данные тех временных периодов, когда не было одновременных микроволновых измерений. В третьем ряду Таблицы 2.2 приводятся величины КР и KN для короткого двухнедельного интервала наблюдений. В этот период на Солнце произошло несколько идущих друг за другом протонных вспышек (см. Рис. 2.1, 2.2).
Отметим, что поскольку вертикальное распределение озона выше 20 км подвержено значительному влиянию атмосферных процессов (в частности, отмечается четкая положительная корреляция озона и температуры на высотах 20-30 км) целесообразно исключить такие факторы в нашей задаче. Явно выделенным периодом стратосферного потепления в ряде данных микроволновых наблюдений 03 зимой 2002/2003, используемых в этой статье, является только фрагмент 22-29.01.2003. На Рис. 2.1 эффект потепления проявляется как резкий подъем плотности озона на 25 км. В Таблице 2.2 приводятся два значения коэффициента корреляции для зимы 2002/2003, а именно, верхний с учетом стратосферного потепления, нижний без него (отброшены точки за 8 дней). Доверительный интервал и порог статистической значимости для этих двух случаев одинаковы в пределах той точности, с которой они приведены в Таблице 2.2 . Видно, что коэффициент корреляции с нейтронами и протонами высоких энергий резко возрастает. Для протонов с энергией выше 10 МэВ существенных отличий не наблюдается. С одной стороны, полученный результат дает аргумент в пользу влияния КЛ на стратосферный озон в предположении, что атмосферные процессы маскируют этот эффект, а с другой стороны мы продемонстрировали единичный «удачный» случай. Динамические процессы (атмосферная циркуляция, стратосферные потепления и др.) могут оказать существенное влияние на поведение 03 на интервале высот 20-60 км и тем самым скрыть факт воздействия КЛ на озон [90].
Рассмотрим подробнее результаты расчетов коэффициентов корреляции [90-92]. Сначала коснемся связи плотности озона с нейтронами. Из Таблицы 2.2 мы видим, что на 25 км KN может быть либо незначимым, либо значимым отрицательным, на 60 км - либо незначимым, либо значимым положительным, а на 40 км присутствуют на ряду с незначимыми значимые величины обоих знаков. Т.е. в среднем при повышении высоты знак коэффициента корреляции будет меняться от отрицательного к положительному.
Теперь перейдем к вопросу влияния протонов. Отметим, что число случаев значимой корреляции с протонами в процентном отношении к общему числу вычисленных Кр примерно вдвое меньше, чем то же число для нейтронов. Случаи, когда Кр превышает порог статистической значимости можно разделить на две группы. В одну из них входит период зимы 2002/2003. Заметим, что коэффициент корреляции чисел нейтронов и высокоэнергичных протонов (только им соответствуют высокие значения KF) для выбранного периода 2002/2003 составляет около 0.8. Это означает, что Крт и KN выражают один и тот же характер связи озона с КЛ. В таком случае разумно ожидать близких значений Крт и KN, что и зафиксировано в соответствующей части Таблицы 2.3.
Описание аппаратной и программной реализации блока цифровой обработки
Цифровой анализатор имеет в своем составе полосовой усилитель ПУ, аналого-цифровой преобразователь АЦП и блок цифровой обработки БЦО. Эти вновь введенные функциональные блоки подключаются к одному из каналов Ф; (і = 1, 2, ... 30). На Рис. 1.1 таким каналом является первый, настроенный на частоту/0 = 30 МГц.
Частота дискретизации /D (период Т = l/fD) задается импульсами тактового генератора ТГ. Модулирующее (управляющее коммутатором К) напряжение um(t) синхронно с импульсами дискретизации, и его частота получается путем деления /D на N. Это позволяет исключить из процедуры синхронного детектирования операцию умножения на опорный сигнал um(t), поскольку текущую фазу um(t) легко определить простым подсчетом числа вводимых с АЦП данных. При этом N выбрано таким, чтобы частота модуляции FM =/D/N удовлетворяла технически обусловленному требованию FM 1 кГц. Полосовой усилитель ПУ обеспечивает необходимый для нормальной работы АЦП уровень входного сигнала u{t). Настройка усилителя совпадает с настройкой фильтра Ф]. Аналого-цифровой преобразователь (интегральная схема AD9050) представляет собой 10-разрядный АЦП конвейерного типа, способный работать при выборках с частотами до 40 МГц. Устройство выборки-хранения встроено в интегральную схему (ИС) АЦП. В составе этой же ИС имеется и источник эталонного напряжения. АЦП работает совместно с буфером временного хранения - статическим оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), имеющим байтовую организацию и объем 32 К. Из общего числа разрядов выходного двоичного кода АЦП используются только восемь старших. С одной стороны это обусловлено структурой ОЗУ, а с другой - требуемым числом уровней квантования. Цифровой анализатор спектрорадиометра - это совокупность фильтровых каналов, выполняющих однотипные операции по алгоритму, результат которого определяет мощность сигнала, поступающего на этот канал. Было рассмотрено два альтернативных алгоритма реализации цифрового анализатора, схемы которых показаны на Рис 3.3 а,б. В первом случае, который условно назовем «прямой» схемой, обработка производится в той же последовательности и теми же алгоритмами, как это реализуется для аналогового сигнала. Сначала сигнал подается на полосовой фильтр ПФ, затем на квадратор KB, после чего пропускается через сихронный детектор. Второй случай - схема с квадратурным преобразователем КП. Рассмотрим ее подробнее. Сначала производится сдвиг спектра путем умножения на комплексную экспоненту e}27Wi = cos{27my) + j sin(2my), в которой у= Af/fD и удовлетворяет условию 0 0,5. Смещение попадающих в разные фильтровые каналы спектральных областей обеспечивается присвоением величине у соответствующих каналу значений у-, —f\lfo (i= 1, 2, ...), где/і -центральная частота сдвигаемой области спектра. Полосы fy каждого из каналов равны и определяются по полосе пропускания ЯФИч фильтров нижних частот КП.
Таким образом, после КП реальный сигнал и(пТ) преобразуется в комплексный у{пТ) = у\(пТ) +j yq{nT) с квадратурными компонентами упТ) и уо(пТ). Измеряемой является глубина модуляции мощности, поступающей в радиоканал спектрометра. Результат измерений определяется после синхронного детектирования квадрата модуля \у{пТ)\ =у?{пТ) + уц{пТ).
Поэтому в каждом из квадратурных каналов выполняется операция возведения в квадрат. Полученные результаты суммируются и синхронно детектируются по опорному сигналу UuinT).
Блок-схема одного цифрового канала с использованием квадратурного преобразователя КП; ФНЧ -фильтр нижних частот; KB - квадратор; СД - синхронный детектор; и(пТ), им{пТ) - отсчеты входного и опорного (модулирующего) сигналов
Заметим, что поскольку спектр аналитического сигнала у(пТ) в квадратурном преобразователе значительно уже, чем спектр исходного сигнала и(пТ), то допустимо значительное прореживание у(пТ), которое позволяет сократить объем используемой памяти и время обработки. Коэффициент прореживания Кир зависит от полосы пропускания #ФНч ФНЧ в КП.
Перечислим преимущества схемы с использованием квадратурного преобразо вателя: 1) Отсутствие ограничения (3.2) на полосу частот анализа внутри зоны Найквиста; 2) Возможность прореживания сигнала перед KB; 3) Как правило, можно использовать неизменные параметры ФНЧ вместо нескольких полосовых, настроенных на разные диапазоны частот 4) Отсутствует «зеркальный» канал.
С другой стороны, основные временные затраты при вычислении приходятся на операцию фильтрации (ФНЧ или ПФ), а в квадратурном преобразователе предстоит фильтровать два сигнала, что приводит к увеличению длительности вычислений при том же порядке фильтров ФНЧ и ПФ.
Описанные выше два алгоритма цифровой обработки были реализованы программно. Фильтрующие звенья квадратурного преобразователя ФНЧ, как и полосовые фильтры ПФ в прямой схеме, выполнены как цифровые фильтры. Цифровой фильтр - это дискретная линейная система, на вход которой подается вектор отсчетов x(i), а выходной вектор y(i) описывается разностным уравнением [103]
