Вариации электронной концентрации в плазмосфере по данным свистящих атмосфериков Шагимуратов Ирк Ибрагимович

Содержание к диссертации

Введение

Глава I. Автоматизированный комплекс регистрации свистящих атмосфериков (СА)

1.1. Прием, регистрация и анализ свистящих атмосфери-ков 12

1.2. Автокорреляционный метод обнаружения свистящих атмосфериков 17

1.2.1. Выигрыш в отношении сигнал/шум при использо вании автокорреляционного приемника для обнаружения .. 18

1.2.2. Автокорреляционные функции СА и атмосферного шума 22

1.2.3. Обнаружитель свистящих атмосфериков 26

1.3. Периодоанализатор свистящих атмосфериков 33

1.4. Система автоматического сбора свистящих атмосфериков на магнитную ленту 44

1.5. Автоматическая станция свистящих атмосфериков 50

1.6. Выводы 56

Глава II. Анализ периодограмм и методы обработки динамических спектров СА 59

2.1. Методы обработки и интерпретация динамических спектров свистящих атмосфериков 60

2.1.1. Механизм канализированного распространения СА в магнитосфере Земли 60

2.1.2. Методика расчета электронной концентрации в плазмосфере по динамическим спектрам СА 63

2.1.3. Многоточечные методы обработки динамических спектров СА 67

а) Метод линейной экстраполяции динамических спектров СА 68

б) Метод гиперболической аппроксимации динамических спектров СА 71

2.2. Анализ периодограмм свистящих атмосфериков 75

2.2.1. Основные особенности периодограмм СА 75

2.2.2. Методика обработки периодограмм 81

2.3. Анализ ошибок метода периодоанализа и его сравнение с другими методами 86

2.4. Выводы 98

Глава III. Исследование регулярных вариаций электронной концентраций в плазмосфере по данным СА 100

3.1. Статистические свойства появления СА на ст.Калининград 101

3.2. Суточные вариации электронной концентрации в плазмосфере 107

3.3. Годовые вариации электронной концентрации в плазмосфере 117

3.4. Вариации электронной концентрации в плазмосфере в цикле солнечной активности 136

3.5. Широтные вариации электронной концентрации в плазмосфере 143

3.6. Долготные особенности распределения электронной концентрации в плазмосфере 146

3.7. Моделирование распределения электронной концентрации в плазмосфере 153

3.7.1. Описание модели 154

3.7.2. Распределение электронной концентрации в экваториальной плоскости 157

3.7.3. Сопоставление расчетов с данными измерений. 160

3.8. Выводы 164

Заключение 166

Литература 169

• Выигрыш в отношении сигнал/шум при использо вании автокорреляционного приемника для обнаружения
• Система автоматического сбора свистящих атмосфериков на магнитную ленту
• Методика расчета электронной концентрации в плазмосфере по динамическим спектрам СА
• Вариации электронной концентрации в плазмосфере в цикле солнечной активности

Введение к работе

В изучении физических процессов в околоземной плазме важное место отводится исследованиям характера распределения электронной концентрации в плазмосфере Земли на высотах выше максимума Р2-СЛОЯ ионосферы. Интерес к этим исследованиям связан с решением таких проблем солнечно-земной физики, как структура магнитосферной плазмы и ее динамика, магнитосферно-ионосферное взаимодействие. Сведения о плотности плазмы и ее планетарном распределении используются при исследовании эффектов распространения радиоволн различных частот, а также для решения ряда практических задач, например, дальней космической связи, спутниковой радионавигации, разработки прогностических моделей ионосферы.

Основным наземным средством изучения вариаций электронной плотности в плазмосфере являются свистящие атмосферики (СА). Метод свистящих атмосфериков эффективен при изучении средних свойств плазмы и регулярных вариаций, поскольку может использоваться продолжительное время на одной станции. Вероятность приема СА максимальна на средних широтах, и, в среднем,продолжительность их регистрации составляет несколько часов в сутки. Однако случайный характер и трудоемкость сбора СА сдерживают внедрение метода в регулярную диагностику плазмосферы. Получение систематических сведений об электронной концентрации требует большого количества СА, анализ и обработка которых довольно сложны и требуют значительных затрат времени. Особенно это относится к среднеширотным СА, в спектре которых не наблюдается носовая частота. Дополнительно обработка осложняется нелинейным характером следа СА на спектрограмме. Нелинейность обусловлена тем, что в аппаратурном спектральном анализе принято использо-

вать линейную сетку частот с представлением результатов анализа в линейных координатах частота-время. В этом случае динамические характеристики анализаторов трудно оптимально согласовать со спектральными особенностями свистящих атмосфериков. Это противоречие было разрешено применением для анализа спектров свистящих атмосфериков принципа периодоанализа. Получение периодограмм максимально автоматизировано.

Таким образом, разработка средств автоматизации сбора, анализа и обработки СА, поиск простых эффективных методов расчета параметров плазмы по динамическим спектрам является важной и актуальной задачей. Работы в этом направлении ведутся в различных странах / Sm.i.tk et. at., 1979; Okada et.aC, 1981; Джаков и Ралчовски, 1983/. В данной работе эти вопросы решены в комплексе. На основе разработанного автоматизированного комплекса наблюдений свистящих атмосфериков был получен основной экспериментальный материал по вариациям электронной концентрации в плазмосфере в окрестности L -оболочки ст.Калининград.

В настоящее время наименее изученными являются долготные вариации электронной плотности в плазмосфере. Если для долгот американского региона распределение электронной концентрации известно довольно хорошо ( здесь расположено наибольшее число станций, на которых проводятся наблюдения СА), то для европейского региона данные носят разрозненный характер. Проведенные Парком / Pctt/k et.at., 1978/ сопоставления электронной плотности по измерениям СА на долготах X = I80W/ Motgctn. , 1976/ и X = 70Е / Cotcuff et. at., 1972/ не выявили существенных долготных различий в плотности. Однако эти сведения получены на ограниченном материале и относятся к умеренно высоким широтам (L~4). Долготные вариации на средних широтах в литературе не рассматривались. До настоящего времени остаются необъясненными

до конца и годовые вариации электронной плотности в плазмосфере, хотя они известны давно / Catpen-tet, 1962/. Необходимы дополнительные данные, особенно по восточному региону, для объяснения долготных эффектов в годовых вариациях. Для решения практических задач имеющиеся данные требуют уточнения и обобщения.

Таким образом, исследования вариаций электронной плотности в плазмосфере, проводимые по данным СА на ст. Калининград, являются актуальными и способствуют, с одной стороны, более глубокому пониманию процессов взаимодействия между ионосферой и плазмосфе-рой, а с другой - расширяют наши знания о планетарной картине распределения электронной плотности во внешней ионосфере.

Перечисленный выше ряд вопросов определяет цель настоящей работы:

а) создание автоматизированного комплекса регистрации свистя
щих атмосфериков, разработка и усовершенствование аппаратуры для
анализа спектров СА и методов их обработки;

б) исследование особенностей поведения электронной концентра
ции в плазмосфере в регионе ст.Калининград;

в) построение модели распределения электронной концентрации
в плазмосфере на основе обобщения оригинальных данных и данных
мировой сети наблюдений свистящих атмосфериков.

Работа состоит из введения, трех глав и заключения.

В первой главе рассмотрены вопросы автоматизации наблюдений СА и представлены аппаратурные средства регулярной диагностики плазмосферы. В первом разделе, носящем обзорный характер, рассмотрены принципы приема, регистрации и анализа СА, приемно-регистри-рующая аппаратура и состояние автоматизации наблюдений свистящих атмосфериков. В разделе 1.2 рассмотрены автокорреляционный метод обработки ОНЧ-сигнала и созданный на его основе автокорреляционный приемник для автоматического обнаружения СА. Обнаружитель

является ключевым элементом в системе автоматической записи СА на магнитную ленту (раздел 1.4), которая совместно с аппаратурой стандартных ОНЧ-наблюдений и многоканальным анализатором (раздел 1.3) входит в состав автоматической станции свистящих атмос-фериков (раздел 1.5). Анализатор построен по принципу периодоана-лизатора и его характеристики отвечают особенностям динамических спектров среднеширотных СА. Периодограммы являются исходным материалом для определения электронной концентрации в плазмосфере.

Вторая глава посвящена анализу периодограмм и методам обработки свистящих атмосфериков. В первом разделе главы обсуждается механизм канализированного распространения сигналов СА и дано обоснование его применимости к свистящим атмосферикам, регистрируемым на ст.Калининград. Далее излагается методика пересчета параметров СА в L - оболочку траектории распространения и электронную концентрацию. Здесь же дан критический анализ многоточечных методов обработки СА, используемых для диагностики плазмо-сферы. Во втором разделе представлен метод перио до анализа, в котором для расчета ключевых параметров СА - предельной дисперсии D₀ и L - параметра траектории распространения используются периодограммы. В третьем разделе дан анализ ошибок метода перио-даанализа и его сравнение с другими известными методами.

В третьей главе представлены результаты исследований регулярных вариаций электронной плотности в плазмосфере в окрестности L - оболочки ст.Калининград - суточных, годовых, циклических, широтных. Отдельно рассматриваются долготные вариации концентрации электронов в плазмосфере. В последнем разделе дано описание эмпирической модели распределения электронной концентрации в плазмосфере и сопоставление модельных расчетов с измерениями.

В заключении формулируются основные результаты диссертационной работы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

а) впервые использован для обнаружения свистящих атмосфери-
ков автокорреляционный метод обработки ОНЧ-сигнала и на его осно
ве разработан автокорреляционный приемник для автоматического
обнаружения СА;

б) в отличие от общепринятого подхода для получения динами
ческих спектров использован принцип периодоанализа; исследованы
особые свойства периодограмм и разработан эффективный метод их
обработки;

в) впервые детально изучены регулярные вариации электрон
ной плотности в плазмосфере на средних широтах; на основе статис
тического материала получены, для соответствующих вариаций,
средние величины относительных изменений электронной концентра
ции в экваториальной плоскости;

г) выявлены и впервые количественно исследованы долготные
вариации в плазмосфере;

д) построена эмпирическая модель распределения электронной
концентрации в плазмосфере, которая впервые учитывает долготные
эффекты.

Практическая значимость полученных в работе результатов связана с их приложениями к диагностике и прогнозу состояния плазмосферы и условий распространения радиоволн различных диапазонов. Автоматизированный комплекс регистрации СА и методика обработки обеспечивают возможность регулярного получения сведений об электронной концентрации в плазмосфере. Эти данные могут быть использованы для оперативного контроля состояния плазмосферы и калибровки прогностических моделей ионосферы. Представленная модель плазмосферы использовалась в конкретных

разработках и в исследованиях эффектов трансионосферного распространения радиоволн. На защиту выносятся:

1. Автокорреляционный метод обнаружения свистящих атмосфе-риков; автоматизированный комплекс регистрации СА.

2. Метод периодоанализа, периодоанализатор СА и методика расчета электронной концентрации по периодограммам свистящих атмосфериков.

3. Результаты экспериментальных исследований вариации электронной концентрации в плазмосфере в окрестности L - оболочки ст.Калининград.

4. Эмпирическая модель распределения электронной концентрации в плазмосфере.

Апробация работы: Основные результаты работы докладывались на семинарах Калининградской обсерватории ИЗМИРАН, на научных семинарах, конференциях и секции ученого Совета ИЗМИРАН, на Всесоюзном совещании по итогам выполнения проекта "Международные исследования в ионосфере" (Ашхабад 1981), на Всесоюзных семинарах по ОНЧ-излучениям (Апатиты, 1974, 1980; Тбилиси 1978; Звенигород 1983), на Всесоюзном семинаре по моделированию ионосферы (Иркутск 1980).

- II -

Г Л А В A I

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС РЕГИСТРАЦИИ СВИСТЯЩИХ

АТМОСФЕРИКОВ

Основным средством регулярной наземной диагностики плазмосферы являются наблюдения свистящих атмосфериков. В настоящее время в мире имеется ограниченное число станций, на которых производятся такие наблюдения. Трудности внедрения в службу наблюдений СА обусловлены, в основном, их случайным характером, громоздкостью и трудоемкостью получения и обработки динамических спектров. Неопределенность момента появления СА затрудняет сбор и подготовку исходных данных. Существующий способ регистрации сигнала на магнитофон 1-2 минутными сеансами несколько раз в час не позволяет использовать полностью возможности метода свистящих атмосфериков, поскольку при таких малых интервалах записи неизбежны пропуски данных. Поэтому актуальной является разработка средств автоматизации наблюдений СА.

В настоящей главе обсуждаются вопросы разработки и создания автоматической станции свистящих атмосфериков и описываются ее основные элементы. В первом разделе рассматриваются вопросы приема, регистрации, анализа СА и современное состояние техники ОНЧ-наблюдений и свистящих атмосфериков.

В проблеме автоматизации наблюдений СА одной из главных задач является их обнаружение. Из теории оптимального приема известно, что наиболее эффективным методом обнаружения сигналов на фоне случайных помех является автокорреляционный прием. В разделе 1.2 исследуются возможности использования автокорреляционной обработки для обнаружения СА и

описывается работающий на этом принципе обнаружитель.

Другим важным вопросом автоматизации является создание аппаратуры для анализа СА с возможностью получения спектрограмм в реальном масштабе времени. При создании анализаторов важным моментом является согласование их аппаратурных характеристик со спектральными свойствами сигналов с целью получения наилучшего разрешения спектров по времени и частоте. Специализированный анализатор СА, в котором учтены эти требования, описываются в разделе 1.3. В последующих разделах описываются система автоматического сбора СА на магнитную ленту и макет автоматической станции свистящих атмосфериков с результатами ее испытаний на ст. Калининград.

I.I. Прием, регистрация и анализ свистящих атмосфериков

Свистящие атмосферики относятся к разряду естественных радиосигналов, спектр которых заключен в диапазоне звуковых частот. Их малые мощности в сочетании с большим динамическим диапазоном, спектральные особенности, нерегулярный, шумовой характер предъявляют ряд особых требований к приемно-регис-трирующей аппаратуре.

Аппаратура стандартных иНЧ-наблюдений состоит из двух основных частей: приємно-усилительной и регистрирующей. Типовая схема включает следующие основные элементы: антенна, входной фильтр, предварительный усилитель и регистраторы -широкополосный (*J~0,l4- 10 кГц) и узкополосный, представляющий собой простейший спектроанализатор на 4-6 фиксированных частотах / Jiticek e,t а., 1973; Вершинин и др., 1974; Щеко-тов и Маркеева, 1974; Вальков и др., 1976; Беляков и др., 1978; Джаков и Ралчковски, 1983/. В последнее время ОНЧ-на-блюдения дополняются аппаратурой для измерения углов прихода

- ІЗ -

ОНЧ-волн в сигнале СА /TsiLtudcL and Hauashi, 1975; Федо-ренко, 1980; OkacLa et at., 1981/.

Для приема ОНЧ-еигнала обычно используются магнитные антенны, выполненные в виде воздушных рамок, рамок с феррито-выми и пермаллоевыми сердечниками. Воздушная рамка позволяет просто реализовать высокую чувствительность за счет увеличения площади рамки. Рамки с сердечниками компактны и удобны, но сложнее в изготовлении; для них труднее получить высокую пороговую чувствительность /Крылов, 1974/.

К ОНЧ-приемнику предъявляются следующие основные требования: низкий уровень шумов (^1 мкв), большой динамический диапазон по амплитуде ("60 дб), малый коэффициент нелинейных и перекрестных искажений во всем диапазоне принимаемых частот.

На средних широтах для приемника важно обеспечить как можно более высокую верхнюю граничную частоту, поскольку это дает возможность более точно определять носовую частоту у среднеширотных СА путем экстраполяции следа по имеющейся части спектра.

Основным препятствием для расширения диапазона принимаемых частот приемником являются сигналы СДВ-станций с нижней границей рабочих частот ~ 10 кГц. Мощные сигналы СДВ-станций, находящиеся за пределами рабочего диапазона приемника, создают перекрестные помехи за счет нелинейностей прием-но-усилительного тракта. Для борьбы с перекрестными помехами необходимо увеличивать динамический диапазон приемника по амплитуде.

Основной естественной помехой в ОНЧ-диапазоне является атмосферный шум. Максимум его спектральной мощности приходится на рабочий диапазон регистрации ОНЧ-сигнала. Поэтому уровень атмосферного шума существенно сказывается на прием свистящих атмосфериков. Из искусственных помех ОНЧ-диапазона

можно отметить излучения, создаваемые линиями электропередач и радиовещания, мощных электродвигателей и прочих промышленных установок.

Для ослабления влияния помех обычно используются различного рода фильтры - полосовые, режекторные, ФНЧ, ФВЧ. Включение фильтров на входе увеличивает помехозащищенность приемника, но снижает его чувствительность, поэтому желательно их включать после входного усилителя. Активные фильтры, если не принять специальных мер, могут приводить к увеличению нелинейных искажений, поэтому предпочтительнее использовать пассивные фильтры. Для уменьшения влияния гармоник электросети антенну совместно с предусилителем желательно располагать на достаточном удалении от производственных помещений. Для передачи сигнала можно, в зависимости от расстояния, использовать телеметрию или кабель.

Регистрация СА обычно производится на аналоговый магнитО' фон, к которому предъявляются те же требования, что и к приемнику, с добавлением требования малых детонаций лентопротяжного механизма, вносящих искажение в спектральные характеристики исследуемых сигналов /Михайлова и Капустина, 1977/. Поскольку момент появления СА заранее нельзя предсказать, а объем информации, который может быть записан на магнитную ленту ограничен, регистрация ОНЧ-сигнала в широкой полосе ведется обычно сеансами длительностью 1-2 минуты несколько раз в час.

Нестационарность сигналов СА обусловливает и особенности их частотно-временного анализа. Здесь возможны два подхода /Калинчук и Пиастро, 1973; Воллернер, 1974/. В одном из них сигналу сначала придается стационарный характер, например, путем его записи на кольцо магнитной ленты, после чего проводится последовательно частотно-временной анализ. Такой

- 15 -подход реализован, например, в спектроанализаторе "Сонограф" В анализаторах последовательного типа время анализа составляет десятки секунд /Галахов и Першаков, 1982/.

Второй подход реализуется в анализаторах параллельного типа. Поскольку отдельные участки спектра СА носят квазипериодический характер, для получения динамического спектра можно использовать настроенный на конкретные частоты набор фильтров. Разрешающая способность фильтров зависит не только от их параметров, но и от скорости изменения мгновенной частоты в исследуемом сигнале. Для увеличения избирательности необходимо уменьшать полосу пропускания фильтров, а с другой стороны, для правильной передачи огибающей спектра и наилучшего разрешения по времени необходимо ее расширять. Поэтому приходится искать компромиссное решение между избирательностью и разрешающей способностью /Башилов и др., 1974/.

Главным достоинством параллельных анализаторов является возможность проведения анализа в реальном масштабе времени, а к неудобствам известных многоканальных анализаторов, например, серийного СК4-72 и описанного в работе / їїііЛсе.Ц , 1975/ можно отнести фотографический способ регистрации. Регистрация на фотопленку затрудняет оперативное получение спектрограмм исследуемых сигналов.

В большинстве ОНЧ-анализаторов используется линейная развертка по времени и частоте. При этом след СА на спектрограмме получается существенно нелинейным, а на низких частотах, в области ниже носовой, имеет место плохое разрешение и его обработка затруднена. Это обстоятельство существенно для низко- и среднеширотных станций, поскольку для них характерна регистрация атмосфериков в диапазоне частот ниже носовой. Одним из возможных способов линеаризации следа является использование нелинейной развертки по времени /Лих-

тер и др., 196I/. Другой подход заключается в замене частотного анализа на периодоанализ /Саенко и Шагимуратов, 1974/. Аппаратурная реализация, эквивалентная по конечным результатам периодоанализу, используется в анализаторе с равномерным распределением каналов по периоду /Шагимуратов, 1978/.

Использование СА для регулярной диагностики плазмосферы требует осуществления непрерывного сбора и обработки данных. Случайность момента появления СА создает определенные трудности для приема, регистрации СА и подготовки исходных данных для первичной обработки. Естественный путь преодоления этих трудностей - комплексная автоматизация наблюдений СА.

Универсальный анализатор, представленный в работе / Smith et а&.,1979/ обеспечивает полуавтоматическое получение и обработку спектрограмм СА и измерение углов прихода волн. Анализатор облегчает и ускоряет процесс обработки, однако его отличают большие затраты времени на предварительную подготовку исходного материала. Анализатор по функциональным признакам можно отнести к последовательному типу, и поэтому он не может быть использован для получения данных в реальном времени.

Аппаратурный комплекс / Okada eta&., 1979/ обеспечивает регистрацию частоты появления и измерение дисперсии низкоширотных СА в реальном времени. Для них информация о дисперсии практически является полной, т.к. сведения о траектории распространения на низких широтах невозможно получить из динамического спектра. Для среднеширотных СА недостаточно знать дисперсию, нужно иметь дополнительно информацию о траектории. Поэтому здесь необходимо автоматизировать как процесс приема и обработки СА, так и получение динамических спектров.

В последнее время автоматизации ОНЧ-наблюдений уделяется много внимания, и работы в этом направлении ведутся в раз-

ных странах /Мардиросян и Ралчковски, 1978; Ota and. EQutchi , 1979;Smiik et aL, 1979; Okada et al.,I98I/. В последующих разделах этой главы описываются аппаратурные разработки средств автоматизации наблюдений СА, созданные на ст. Калининград при непосредственном участии автора.

1.2. Автокорреляционный метод обнаружения свистящих атмосфериков

При создании автоматизированного комплекса наблюдений свистящих атмосфериков основной задачей является их обнаружение. Как уже отмечалось выше, СА являются случайными сигналами шумоподобного типа. Для них характерен малый уровень отношения сигнал/шум, неизвестно время появления, не определены период следования, длительность и скорость изменения частоты в отдельных посылках сигнала и ряд других параметров, которые обычно используются для обнаружения детерминированных сигналов.

Для создания устройств, эффективно выделяющих СА на фоне помех, необходимо знать характеристики последних. В силу многообразия и сложной природы реальных помех в ОНЧ-диапазоне определить эти характеристики не всегда удается. Учитывая случайный характер помех и сигнала, целесообразно для обнаружения СА применять методы и критерии, основанные на использовании статистических характеристик помехи и сигнала. Одним из таких эффективных методов обнаружения сигналов является корреляционный прием.

Из теории оптимального приема известно, что идеальный приемник вырабатывает аналог функции корреляции между принятым сигналом u(i) и полезным сигналом s(t) в соответствии с формулой /Гуткин, 1972/:

Ти.
Ог(*)п$и(Ь)ъ(Ъ-х)<ЬЪ (I.I.)

где t - время задержки, Т^ - время интегрирования.

Подобным свойством обладает и согласованный фильтр, т.е. оптимальный фильтр для обнаружения сигналов заданной формы на фоне флуктуационной помехи.

На практике невозможно заранее знать форму сигнала и время его прихода, поэтому одним из возможных путей для выделения свистящих атмосфериков является использование автокорреляционного приемника.

На выходе такого приемника образуется функция следующего вида:

То.

В отличие от функции идеального приемника (I.I) здесь вместо копии полезного сигнала представлен полный сигнал

!<

t-Ъ) , принимаемый совместно с шумом. В результате автокорреляционный приемник несколько уступает взаимнокорреляционному в отношении улучшения отношения сигнал/шум.

I.2.I. Выигрыш в отношении сигнал/шум при использовании автокорреляционного приемника для обнаружения СА

Используя общий подход к определению выигрыша в отношении сигнал/шум при оптимальной обработке смеси сигнала и помехи /Харкевич, 1973/, рассчитаем выигрыш в отношении сигнал/шум для метода автокорреляционной обработки свистящих атмосфериков Діагимуратов и Саенко, 1978/.

Пусть на вход обнаружителя поступает смесь полезного

сигнала S(i/) и помехи П("Ь) в виде белого шума со спектральной мощностью N_Q :

fl(i>)*s(t)+n(t) (1.3)

На выходе перемножителя образуется произведение прямого и задержанного сигналов.

ї(*) ї(*-»)-[*(*)* "(tj] [в(*-1>) * П (*-*)] -

^(і)_П(^).П(і)П(1,-г) = Р₅^Р_п_₅,Р__{п +} Р_

После перемножения на выходе кроме составляющей аддитивной помехи P_{n п} появляется еще мультипликативная помеха Р * Р . Если не использовать мультипликативную помеху для дополнительного выигрыша в отношении сигнал/шум при обнаружении, то ее можно добавить к аддитивной и считать помехой сумму Р + Р + Р . Если время задержки Ъ превышает интервал корреляции шума, то составляющие полной помехи можно считать независимыми случайными процессами и мощность на выходе перемножителя можно представить в виде суммы мощностей составляющих

(Р ₊ р ₊р \*V^l +Р² + Р²" (1.5) п.п s.n n.s/ п.п n.s s.n

Член P_{R п} соответствует произведению мощностей двух некоррелированных процессов.

Простейшим эквивалентом интегратора служит фильтр нижних

частот. Ширина полосы пропускания A J этого фильтра обратно

пропорциональна времени интегрирования. Следовательно, мощность процесса Р на выходе составит величину:

^ =(N uf,) (1.6)

п.п ^v о ^jh/

_2 2

Составляющие Р. и Р физически соответствуют мгновенной

5-П П.о

мощности синхронно принятого шума в окрестности мгновенной

частоты СА в полосей л-f:

« н

В моменты времени, когда t кратно периоду текущей ча-стоты СА, мгновенная мощность составляющей г^ ^ в выражении (1.4) достигает максимального значения и равна

P_ss^BS⁺(t) (1.8)

Используя (1.7) и (1.8) отношение сигнал/шум на выходе (P_._1V )

0 ВЬ1X

можно представить в виде:

(1.9)

_JU^W^^V***)]

С учетом отношения мощности сигнала и мощности шума на входе обнаружителя о =2>("b)/N д^ (где д - полоса пропускания входного фильтра) выигрыш в отношении сигнал/шум при использовании автокорреляционной обработки определится следующим выражением:

(1.10)

При малой величине о зависимость р близка к квадратичной и переходит при больших 0 в линейную. В случае, когда О =1, Др„= Ю кГц, ьj = 100 Гц, отношение сигнал/шум на выходе равно 50.

Приведенные оценки показывают, что автокорреляционный приемник может быть использован как эффективное средство для обнаружения свистящих атмосфериков.

Реальный спектр помех ОНЧ-диапазона, однако, отличен от спектра белого шума, в связи с этим следует ожидать в действительности меньшего выигрыша в отношении сигнал-шум.

В общем случае свистящие атмосферики регистрируются на фоне естественных и искусственных ОНЧ-излучений, в том числе обычных атмосфериков, непрерывных или импульсных излучений радиостанций, работающих в ОНЧ-диапазоне, гармоник промышленной сети, а также на фоне возникающих за счет нелинейностей тракта приемника перекрестных помех и собственных шумов приемника.

Автокорреляционную функцию принимаемого сигнала w(t)=s(i)+ n(t) с учетом выражения (1.4) можно представить как

— сО

где "R_s - и R- _п - автокорреляционные функции сигнала и шума и "R_{& п} t ^ ^ - взаимно корреляционные функции. Так как сигнал и шум характеризуются независимыми величинами напряжения, то

^R_{s.n =} ^R_n.5-

Следовательно, выходное отношение сигнал/шум при автокорреляционном приеме определяется через отношение автокорреляционных функций полезного сигнала и помехи.

Основной помехой, которая затрудняет обнаружение СА, являются атмосферики. Атмосферики, как и сами СА, представляют собой сигналы импульсного типа. Как известно, при приеме импульсных сигналов имеется некоторое оптимальное время задержки X , при котором обеспечивается максимум отношения сигнал/шум на выходе /Каневский и Финкельшейн, 1963/. Выбор оптимального времени задержки % определяется свойствами автокорреляционных функций сигнала и помехи, которые рассматриваются в следующем разделе.

1.2.2. Автокорреляционные функции СА и атмосферного шума

Учитывая, что мгновенная частота СА в первом приближении ,2. меняется как^(і)'⁴'/^ , введем в рассмотрение следующую

аппроксимирующую функцию для свистящего атмосферика:

2JCD S(-b)* A(t)cos ,₂ ^а A (*)cos(o)(t)) (I.I2)

х Т

где D - дисперсия СА, i> - время, отсчитываемое от начала запуска СА, A(i) - амплитуда; A(t) - медленно меняющаяся функция, максимум которой приходится на частотный диапазон 3-7 кГц.

После перемножения прямого и задержанного сигналов и фильтрации высокочастотных составляющих получим:

г±ч п. \ A(i) А(-Ь-чу) / 2.JCD² Л
s(i)s(i-L)« — 1 *— cos ( фг-у = _(1ЛЗ)

, A(i)Afr-i) ^^^) Соответственно, автокорреляционная функция принимает вид:

Ц-ОО

^) = 1 A(^)A(t-tf)cos(w(i)T;)cLt (I.I4)

-со

Если частота не меняется во времени ш(і) - a)_Q , то (І.І4) запишется в виде:

К(*)^я jn J A(i)A(i-x?)dt = ^cosc0^d.I5)

-во

Это выражение соответствует автокорреляционной функции амплитудно-модулированного колебания /Гоноровский, 1967/, в котором Т*₀(т) является автокорреляционной функцией огибающей сигнала.

Очевидно, что при времени задержки, превышающем время длительности СА (*v I сек), автокорреляционная функция свистящего атмосферика обращается в нуль, поскольку при этом

Щч)= 0.

Аналог автокорреляционной функции СА, получаемый на выходе интегратора, определяется следующим выражением:

Ти, 2. . 2-^1)

Н^Н Пі) cos ( _Ь2. -g) oLt СІ.Іб)

Здесь учтено, что при f<.4t можно ПОЛОЖИТЬ A(t-"C)*A("b).

Подынтегральная функция в (I.I6) является осциллирующей функцией, период осцилляции определяется дисперсионными характеристиками СА и временем задержки *$ .

Моменты времени і* и t , когда осциллирующий множитель принимает нулевые и экстремальные значения, кратны времени задержки и находятся по формулам:

_{і -- 2D}

(2пИ)

(I.I7) rt= 4,2,5...

n N n +

К (I.18)

Амплитудный множитель /\(т) влияет на положение экстремумов функции, но не влияет на положение нулей. Количество переходов через нуль определяется максимальной частотой в спектре СА.

На рис. I.I штриховой линией нанесен график функции S(i) s(t-t) для *D = 50 сек¹/ , t = 160 мксек, штрих-пунктирной линией - амплитудный множитель А(-Ь) и сплошной -ожидаемый вид сигнала на выходе с учетом амплитудного множителя

На рис. 1.2 представлен образец экспериментальной записи сигнала на выходе автокорреляционного приемника. Видно, что характер теоретической и экспериментальной кривых для автокор-

іД t,«K

Рис.І.І. Автокорреляционная функция СА (теоретическая
кривая); фазовый множитель, ампли
тудный множитель, -результирующая
кривая

Рис.1.2. Сигнал на выходе автокорреляционного приемника (аналог автокорреляционной функции)

реляционной функции довольно неплохо согласуется.

Перейдем к рассмотрению автокорреляционной функции атмос-фериков - той части возбуждаемых молниевыми разрядами радиосигналов, которые распространяются в волноводе Земля-ионосфера.

Согласно работе /Кашпровский, 1966/ на расстояниях больше 1000 км от источника атмосферики достаточно хорошо описываются следующей временной функцией:

_-г*¹

n(t)*Ct eos2.3nf-Ub(t)cos2Lxf (1.19)

где С - амплитуда. Для типичного атмосферика можно принять \« 2.10⁷сек~².

Спектры атмосфериков имеют резко выраженные максимумы в области частот 60-100 Гц и 6-8 кГц /Альперт, 1972/. Низкочастотный максимум находится за пределами диапазона частот СА, поэтому обычно отсекается применением фильтра верхних частот. Для типичного атмосферика можно принять частоту

После перемножения прямого и задержанного сигналов и

фильтрации высокочастотных составляющих получим выражение,

аналогичное (I.I3): „

2. і * 2.

n(i)n(t-T?)*-jr4 COS 2xjT*^^C0SSLKfT (1.20)

Сигнал на выходе пропорционален огибающей. Если время задержки кратно четверти периода частоты заполнения: ^/#*Л.(2п + 4.) > ^т0 выражение (1.20) обращается в нуль. Первый нуль приходится на время задержки % - ЗОНО мсек, все последующие - кратны этому времени.

Следовательно, корреляционная функция атмосферика представляет произведение корреляционной функции огибающей и высокочастотного заполнения. Интервал корреляции, определяв-

мый расстоянием между последующими нулями на временной оси, кратен 35-40 мксек. Интервал корреляции для огибающей можно считать равным длительности атмосферика.

Как следует из анализа автокорреляционной функции СА и атмосферика, интервалы корреляции для них существенно отличаются по величине, следовательно, можно подобрать такое время задержки, при котором обеспечивается максимальное отношение сигнал/шум на выходе приемника.

Из рис. 1.2 видно, что интервал корреляции СА составляет десятые доли секунд, что намного превышает длительность атмосферика. Естественно, наиболее высокое отношение сигнал/шум можно обеспечить, если выбрать время задержки больше длительности огибающей атмосферика, т.к. при этом Н₀(т) для атмосферика обращается в нуль. Длительность атмосферика можно принять равной ^0,5-1 мсек /Альперт, 1972/. Обычными средствами обеспечить время задержки * І мсек в широком диапазоне частот достаточно трудно. Поэтому проще выбрать время задержки равным 30-40 мксек или кратным ему, при которых автокорреляционная функция для атмосферика обращается в нуль.

1.2.3. Обнаружитель свистящих атмосфериков

Структурная схема обнаружителя (рис.1.3) включает широкополосный ограничитель уровня (схема ШОУ), входной полосовой фильтр, перемножитель, линию задержки, импульсный ограничитель уровня и минимальный детектор. Автокорреляционная функция получается в результате перемножения прямого и задержанного сигналов и усреднения их интегратором. В качестве перемножителя используется фазовый детектор, выполненный по кольцевой схеме; эквивалентом интегратора служит фильтр нижних

с ОНЧ-приемника

Рис.1.3. Блок-схема обнаружителя СА

частот (ФНЧ). Схема ШОУ обеспечивает глубокое широкополосное ограничение входного сигнала, что значительно уменьшает влияние на работу обнаружителя мощных атмосфериков.

Для подавления влияния в спектре атмосферного шума низкочастотного хвоста атмосферика и уменьшения влияния гармоник сети рабочий диапазон частот ограничивается входным фильтром.

Как было показано, выходное отношение сигнал/шум для автокорреляционного : приемника определяется отношением полосы пропускания входного фильтра к полосе пропускания выходного фильтра нижних частот. Ширина полосы пропускания ФНЧ определяется характером автокорреляционной функции СА (рис.1.1). Для правильной ее передачи полоса фильтра должна быть согласована с частотой осцилляции огибающей в соответствии с выражением (I.I6). Квазипериод осцилляции согласно (I.I7) и (I.I8) зависит от времени % и дисперсии Ъ . В рабочем варианте обнаружителя полоса пропускания ФНЧ составляет л* 40 Гц.

Максимальное отношение сигнал/шум обеспечивается при времени t , кратном четверти периода частоты в выражении (1.20). Для защиты от атмосфериков, имеющих параметры, отличные от среднего, в обнаружителе используется минимальный детектор, который повышает отношение сигнал/шум в 2-3 раза.

Регистрация выходного сигнала обнаружителя производится на самописец. Напряжение на выходе в первом приближении пропорционально мощности СА.

На рис. 1.4 можно видеть как меняется выходное отношение сигнал/шум ( р ) от времени задержки <\f . Всплески на

о ъъ\х.

записи, соответствующие СА, показаны стрелками, а точками -отклики сильных помех. Значение задержки V = 160 мксек является оптимальным в смысле выигрыша в отношении сигнал/шум. На фоне помех четко выделяются по амплитуде сигналы одиннад-

т^бо ллксек

.

,

т= ^20 мксек

: Jt ими" LLuiIJJJJjUhiU J_b

li < H I k

^**^y^^^y^Nfe^i*ifN«

С = WO MKOCK,

It .1 Л U I Г і

'^'^ІІ^^^І^^\4^МШ^

- зо -

цати СА, в то время как для X - 60 мксек их идентифицируется семь. Дальнейшее увеличение времени задержки не улучшает существенно J_bbl4 . На практике оптимальное время задержки подбиралось экспериментально в окрестности X = 160 мксек. На рис. 1.5 представлены характерные записи сигналов одновременно на входе обнаружителя, на выходе ФНЧ после автокорреляционной обработки и на выходе обнаружителя после мини-мального детектора за двухминутные сеансы 17 05 и 17 20^т 27 декабря 1978 года. На входе (а) отношение сигнал/шум I, и сигналы СА практически невозможно отличить от помех. Автокорреляционная обработка сигналов дает существенный выигрыш в отношении сигнал/шум (б). Дополнительный выигрыш получен благодаря использованию схемы ограничения уровня и минимального детектора. На выходе обнаружителя (в) практически все наблюдаемые всплески соответствуют откликам СА (отмечены стрелками).

h m

На рис. 1.6 дан образец записей сигнала за сеанс 23 05 21 декабря 1980 года. Этот сеанс характеризуется высокой частотой следования свистящих атмосфериков. За двухминутный интервал на слух было зарегистрировано 43 СА, из них 23 сильной и средней интенсивности. На записи было идентифицировано 36 всплесков, амплитуда которых превысила уровень шума (пунктир). Таким образом, процент обнаружения СА средней и большой интенсивности составил 100%, а слабых - 66%.

Другой подход к обнаружению СА заключается в использовании ЧМ-приемника. Принцип частотного дискриминатора реализован в анализаторе, описанном в работе /Okaclct, 1979/. Прибор обеспечивает на низких широтах обнаружение 56% СА. Признаком наличия свистящих атмосфериков является превышение их амплитуды над опорным пороговым уровнем, который зависит от уровня

Рис.I.5. Напряжение на входе обнаружителя (а); на выходе ФНЧ после автокорреляционной обработки (б); на выходе обнаружителя после минимального детектора (в)

]L^«*A*I

Рис. 1.6. Запись сигнала на выходе обнаружителя за сеанс 23 50^трегистрации СА 21.12.80 г. Всплески на записи соответствуют откликам СА

шума на входе. Эффективность работы дискриминатора, как отмечают авторы, сильно зависит от уровня этого порога.

Для ЧМ-приемника выходное отношение сигнал/шум в случае белого шума оценивается следующим выражением /Кантор и Дорофеев, 1977/:

JV ^sdJW*fj/^A*_H) (1-22)

где &f - девиация частоты, д - полоса пропускания ШЧ.

Частотный дискриминатор настроен на центральную частоту 5,6 кГц. При использовании в частотном детекторе избирательного контура величину девиации можно принять равной полосе пропускания фильтра, т.е. &4 ^ 200-300 Гц. В этом случае при полосе ФНЧ"Ю0 Гц выигрыш в отношении сигнал/шум при использовании частотного детектора может составить величину 12*30, что сравнимо с выигрышем для автокорреляционного приемника. Однако в ЧМ-приемнике такой выигрыш обеспечивается только для сильных сигналов ( р_в >1 ). При уменьшении входного от-ношения сигнал/шум выигрыш резко падает, и при приближении

к пороговому уровню (р ~i) ЧМ-приемник работает неустойчи-

о ьх

во /Кантор и Дорофеев, 1977/.

В автокорреляционном приемнике высокое выходное отношение сигнал/шум может обеспечиваться и при р .1. Созданный на его основе обнаружитель помехоустойчив и сохраняет работоспособность в самых разнообразных геофизических условиях. Обнаружитель универсален, его показатели не зависят от дисперсионных характеристик СА. Эффективность обнаружения слабо зависит от вариаций уровня шума на входе, что особенно важно при его использовании в автоматическом режиме (в реальном времени). Обычно уровень шума существенно меняется во времени, например, при переходе ото дня к ночи, изменении режима работы СДВ-стан-

ций или во время геомагнитных возмущений, когда может резко возрасти уровень ОНЧ-излучений. Наконец, немаловажно, что сигнал на выходе автокорреляционного приемника пропорционален мощности СА. Это дает возможность проводить измерения энергетических характеристик свистящих атмосфериков.

1.3. Периодоанализатор свистящих атмосфериков

Определение электронной концентрации в плазмосфере методом свистящих атмосфериков основано на анализе их динамических спектров. Исходным материалом при этом являются спектрограммы, на которых результаты анализа обычно представляются в координатах частота - время с использованием линейной развертки по обеим осям. Однако, получаемый в этих координатах след СА (сонограмма) существенно нелинеен. На частотах ниже носовой он резко опускается вниз в сторону меньших частот, а затем плавно переходит в гиперболическую зависимость, асимптотой которой является ось времени. Обработка такого следа затруднена, т.к. отснять отсчеты на низких частотах с хорошей точностью невозможно. Как известно, на средних широтах низкочастотная часть используется для определения основного параметра СА - предельной дисперсии Ъ , которая используется в расчетах при определении электронной концентрации в плазмосфере. Если же результаты анализа представить в координатах период-время, т.е. построить периодограмму, то в следе СА появляются ряд особенностей. Во-первых, такая развертка приближает след к линейной зависимости от времени. Во-вторых, низкочастотная параболическая асимптотика, которая при этом получается, позволяет существенно улучшить разрешение на низкочастотном участке свистового следа. В третьих, на периодо-

грамме появляется такая особенность, как точка перегиба, которая может быть полезной при обработке среднеширотных СА /Саенко, Шагимуратов, Душкина, 1974/.

Один из методов получения периодограмм представлен в работе /Саенко и Шагимуратов, 1974/. Метод основан на непосредственном анализе входного сигнала по периоду. Анализ периодов смеси полезного сигнала и помехи производится по моментам перехода анализируемого сигнала через ноль. В работающем на этом принципе периодоанализаторе отсутствуют какие-либо частотно-избирательные цепи. Это значительно упрощает конструкцию прибора, но качество периодограмм сильно зависит от отношения сигнал/шум входного сигнала. Неудобством этого прибора является и фотографический способ регистрации результатов анализа.

Здесь представлен более совершенный прибор, выполненный по схеме многоканального спектроанализатора синхронного типа /Абрамов и др., 1975/ с представлением результатов анализа в линейных координатах период-время. Частотная избирательность осуществляется синхронным детектором совместно с фильтром нижних частот, а частота настройки канала определяется внешней опорной частотой (f_nn ) В отличие от обычной сетки с равномерным шагом по частоте, здесь используется обратная сет-

ка. Частота настройки канала, имеющего номер rv , связана с соотношением f = f In, что означает равномерный шаг по периоду. Такую сетку можно создать синтезатором, построенным на принципе деления опорной частоты на все целые числа в диапазоне от I до к .

Периодоанализатор имеет следующие характеристики: диапазон рабочих частот от I до 32 кГц; число каналов 32; частоты каналов распределены равномерно по периоду: 1 = п>₀;

XI = I,2,3...,32; T₀ = 1/32 мсек; выходное напряжение анализатора пропорционально мощности сигнала, динамический диапазон по выходу - 20 дб; ослабление помех, которые обусловлены совпадением частот составляющих анализируемого сигнала с гармониками опорного напряжения не менее 40 дб; регистрация спектра производится на электрохимическую бумагу в виде яркостных отметок /Шагимуратов и Саенко, 1978/.

Анализатор состоит из трех блоков: синтезатора частот, блока обработки и регистрирующего устройства. Синтезатором формируется сетка опорных частот каналов. Для каждого канала синтезатор вырабатывает два меандра, сдвинутых по фазе на 90.

Из высокостабильного внешнего опорного колебания частотой 100 кГц путем умножения на 32 и последующего деления на 25 образуется сигнал частотой 128 кГц. Сетка частот формируется путем деления этой частоты на натуральный ряд чисел IX = 1,2,3,...32 с последующим фазорасщеплением и делением на четыре. Таким образом, синтезатором формируется 32x2 выходных напряжений₇имеющих форму меандра. Особенностью синтезатора является то, что для минимизации числа используемых в нем элементарных делителей каждая из синтезируемых частот должна быть продуктом последовательного деления опорной частоты на те простые числа, которые входят в разложение данного номера канала на простые множители. Это положение иллюстрируется рисунком 1.7, на котором представлена схема синтеза частот. Цифры над кружочками указывают номер канала, которому соответствует частота, получаемая путем последовательного деления. Цифры в кружках указывают коэффициенты деления. Минимизация позволила сократить число используемых делителей и тем самым упростить схему синтезатора.

В блоке обработки, состоящем из 32-х идентичных кана-

ев со

о S

(

О)

Е*

ft О С О

Св 0 СО

лов, осуществляется спектральный анализ исследуемого сигнала. Для получения исходного напряжения, пропорционального мощности спектральных составляющих сигнала, используется квадратурная обработка. Структурная схема одного канала представлена на рис. 1.8.

Входной сигнал с ОНЧ-приемника в диапазоне 0,5-10 кГц поступает на избирательный усилитель, который осуществляет предварительную селекцию сигнала в каждом канале. Селекция обеспечивается простым одиночным LC - контуром, настроенным на центральную частоту с добротностью Ql = 10. Применение предварительного селектора позволило использовать в качестве опорной частоты не синусоиду, а меандр. Поскольку в спектре меандра присутствуют нечетные гармоники, селектор должен обеспечить подавление во входном сигнале каждого канала частоту, равную третьей гармонике опорного напряжения. Включение в схему избирательного усилителя привело к существенному сокращению в выходном сигнале помех, связанных с гармониками опорного сигнала. С избирательного усилителя сигнал поступает на синхронные детекторы, которые осуществляют операцию его перемножения соответственно с синусной и косинусной составляющими опорного сигнала.

Необходимая избирательность осуществляется фильтром нижних частот. Использование принципа синхронного приемника дает возможность реализовать высокую избирательность простыми средствами. Отпадает необходимость настройки фильтров, поскольку центральная частота задается внешней опорной частотой. При этом обеспечивается и высокая стабильность частоты настройки канала, нет необходимости в ее контроле. Высокая избирательность реализуется двумя четырехзвенными "RC - цепочками. Полоса пропускания определяется параметрами этой цепи.

Рис Л .8., Структурная схема одного канала

С фильтров нижних частот выделенные и усиленные синусная и косинусная составляющие сигнала поступают на схему взятия модуля, которая в первом приближении эквивалентна схеме возведения в квадрат. Замена операции возведения в квадрат на операцию взятия модуля позволила исключить блок извлечения квадрата из суммы. В сумматоре производится сложение составляющих сигнала, и на выходе получается напряжение, пропорциональное мощности анализируемого сигнала в полосе 2 &J фильтра нижних частот. Такая схема является оптимальным фильтром не только для гармонического сигнала, совпадающего по частоте с опорной, но и для сигналов со случайными амплитудой и начальной фазой /Лезин, 1969/, какими являются свистящие атмосферики.

При разработке анализатора была учтена и еще одна характерная особенность периодоанализа. Так как частоты настройки соседних каналов приближаются по мере уменьшения частоты каналов, то и полоса пропускания каналов должна также уменьшаться. Ширина полосы должна примерно соответствовать разности частот между данным каналом и ближайшим соседним. Следовательно, добротность эквивалентного каналу фильтра должна расти пропорционально номеру канала. Это положение также согласуется с требованием учета,при выборе оптимальных параметров фильтра, скорости изменения мгновенной частоты в анализируемом сигнале. Действительно, по мере понижения частоты мгновенная скорость df/At в СА падает, а это означает, что полосу пропускания фильтров можно уменьшать при сохранении разрешающей способности по времени. Таким образом в периодо-анализаторе одновременно удовлетворяются требования высокой избирательности и наилучшего разрешения как по времени, так и по частоте.

Расчет полосы пропускания фильтров производится из уело-

вий наилучіпего разрешения по времени. Для расчета использует
ся выражение, связывающее оптимальные статистические парамет
ры фильтра со скоростью изменения частоты /Башилов и др.,
1977/. г ,

Скорость изменения мгновенной частоты свистящего атмосфери-ка можно определить, воспользовавшись низкочастотным приближением для зависимости времени группового запаздывания от частоты t ~ Ь₀/if"*»

Ц/м-Ч^Ъ/2/ъ₀

В качестве регистрирующего устройства используется многоперьевой самописец щеточного типа с регистрацией на электрохимическую бумагу. Интенсивность каждой из анализируемых в сигнале гармонических составляющих отмечается на таком индикаторе степенью почернения бумаги. Степень почернения определяется мощностью сигнала в полосе пропускания фильтра и временем действия сигнала;

I~ki4_x>;f*t

где at - длительность действия сигнала в полосе фильтра Д-f

^а&*.~ ^Ш11ШТУ№ входного сигнала, ^ - коэффициент усиления. При оптимальных параметрах фильтра д- bt «* і и при условии, что коэффициент усиления для каждого канала один и тот же, степень почернения будет пропорциональна спектральной мощности сигнала в окрестности центральной частоты канала.

На рис. 1.9 представлены типичные периодограммы СА, полученные на описанном периодоанализаторе. На периодограммах сделана засветка 26 каналов, рабочие частоты которых находятся в диапазоне частот ОНЧ-приемника. Первому каналу (верхнему на периодограммах) соответствует частота 2 кГц, а последнему -

_f ^г _{\ \л>. Щ . ,}

_{'і Ж}

_,MS*

_{4 № і т}

- г*

частота 9,14 кГц. Периодоанализатор четко разрешает разнообразные типы СА и эхо-сигналы, для которых время запаздывания кратно времени запаздывания основного сигнала. Количество скачков, число прохождений между полушариями, на записях отмечено цифрами у буквенных индексов. Особенностью периодограмм является возможность по одной реализации видеть в группе те СА, которые распространялись по различным траекториям в магнитосфере (многокомпонентные СА). Для таких СА характерна веерная структура, когда временной интервал между следами на низкочастотных каналах больше, чем на высокочастотных (следы А« В. С.). Для следов к_А и С. были определены ключевые параметры СА - предельная дисперсия D и значение L -оболочки: D₀= 63 сек¹/², L = 2,5 для А и *]) = 78 сек¹/², ]__ = 2,78 для С. . Периодоанализатор хорошо разрешает диффузные и короткие СА (СА с малой дисперсией), обычные и частично-диспергированные атмосферики.

Описанный анализатор обладает рядом преимуществ перед анализаторами с резонансными контурами: легко реализуемая высокая избирательность; простота настройки, установки полосы и частоты. Регистрация спектров на бумажном носителе позволяет проводить не только экспресс-анализ сигналов, но и практически одновременно обработку спектров.

Согласование аппаратурных характеристик анализатора со спектральными свойствами СА повысило частотно-временное разрешение динамических спектров. Это, в свою очередь, повысило точность определения искомых параметров СА, особенно дисперсии D ; прямолинейность следа облегчила их обработку.

1.4. Система автоматического сбора свистящих атмосфериков

на магнитную ленту

Получение сведений об электронной концентрации в плазмо-сфере по данным СА является довольно трудоемким процессом, требующим значительных затрат времени как на стадии сбора данных, так и на стадии получения спектрограмм и их обработки. Действительно, при подготовке исходного материала магнитофонную ленту с записями ОНЧ-сигнала необходимо прослушать, отобрать СА, годные.для обработки, переписать их на ленту для архива и последующего спектрографирования.

При использовании анализаторов последовательного типа на получение спектрограмм требуется значительное время (несколько минут на одну спектрограмму). Использование анализаторов параллельного типа с фоторегистрацией не дает существенной экономии во времени и кроме того разделяет по времени процесс спектрографирования и обработки СА. Гораздо производительнее и удобнее использовать анализаторы параллельного типа с регистрацией на бумажной ленте, как это сделано в разработанном нами периодоанализаторе. С его помощью анализ СА можно проводить в реальном времени, причем, обработку периодограмм можно проводить сразу после их получения. Однако, если пытаться проводить спектрографирование всего материала, то будет неэкономно расходоваться регистрирующая бумага, которая должна протягиваться со скоростью 50-100 мм/сек. Следовательно, при обычном подходе к получению и использованию данных невозможно обеспечить оперативную обработку всего имеющегося материала.

Другая особенность существующей стандартной службы наблю' дений СА связана с их случайным характером, когда неизвестны время появления и длительность, в течение которого они будут

наблюдаться. Обычно регистрация СА производится сеансами несколько раз в час. При таком режиме наблюдений неизбежны пропуски данных в промежутках между сеансами. Естественной попыткой преодоления этих трудностей явилась разработка системы автоматического сбора данных в реальном времени /Ерогов и Шагимуратов, 1981/.

Функциональная схема системы автоматической записи и сбора СА на магнитную ленту представлена на рис. 1-Ю. С ОНЧ-приемника сигнал поступает в блок обнаружения для анализа и принятия решения о наличии во входном сигнале СА. Одновременно сигнал записывается в буферном магнитофоне на кольцо магнитной ленты. Информация на кольце непрерывно обновляется путем записи сигнала и его последующего стирания. Буферный магнитофон осуществляет задержку между записанным и считанным сигналами на время, необходимое для обнаружения СА и подготовки к принятию информации основного магнитофона. В описываемой установке время задержки составляет 5-6 сек. Обнаружитель вырабатывает сигнал, привязанный к моменту прихода СА. В нем имеется схема выборки сигнала по уровню, позволяющая отбирать свистящие атмосферики необходимой интенсивности (годные для обработки). При наличии во входном сигнале СА блок управления выдает сигнал включения основного магнитофона. При этом производится перезапись сигнала с кольца на магнитную ленту основного магнитофона. В процессе непрерывного функционирования системы на магнитной ленте производится последовательное накопление СА, тем самым формируется архив исходных данных.

Работоспособность системы проверялась по записи на маг-нитной ленте ОНЧ-сигнала за период 14-15 LT 16.01.78 г. Частота следования составляла " I СА в минуту. На рис. I.II представлена запись сигнала на входе обнаружителя за рассмат-

Рисо 1оЮ_в Функциональная схема автоматизированной системы сбора СА на магнитную ленту

_Ш^^

ъ»

ф-

%р-

Рис. I.II. Иллюстрация работы системы в режиме сигнала с магнитофона. Импульсные отметки на временной оси соответсвуют моментам записи СА по стандартной

программе

риваемый период, на которой видна последовательность поступления СА на вход системы и их относительная интенсивность. Пунктиром указан уровень, при превышении которого происходила перезапись сигнала с буферного магнитофона на магнитную ленту основного магнитофона. Свистящие атмосферики, интенсивность которых превышала этот уровень, были собраны на магнитную ленту. Это подтверждено идентификацией всплесков на диаграммной ленте самописца и сигналов СА на магнитной ленте. За интервал времени 60 минут на магнитную ленту было собрано 67 СА, из них 24 сильных, остальные были средней и малой интенсивности. Поскольку интервал записи при разовом включении магнитофона составляет 7,5 сек, то наряду с сильными СА были записаны и слабые. Число ложных срабатываний системы составило 2 из 57. В исходной записи на магнитной ленте было зафиксировано 96 СА. Таким образом, на магнитную ленту было собрано 70% всех принятых СА. Входная информация длительностью I час была сжата во временной интервал примерно до 10 минут за счет пропусков временных промежутков, не содержащих полезной информации, т.к. запись производилась во. время действия СА.

Запись текущего времени (часы, минуты) производится на второй дорожке магнитофона в импульсном коде через интервал времени 32 мсек. Информация о времени берется с электронных часов 47-9. Одновременно с информационными импульсами на ленте записываются синхроимпульсы. Синхроимпульсы служат для привязки информационных сигналов и обеспечивают правильную регистрацию времени с любого участка магнитной ленты.

Блок-схема записи и воспроизведения времени представлена на рис. I.I2. При записи (а) информация о времени в параллельном двоично-десятичном коде 1-2-4-8 с электронных часов

Щэ/

Ч&сы 41-9

ЧАСЫ, МИН.

-remj

[Форм И P0 & АГГЄ Л b СИНХРОИМПУ льсое,

J = ІкГи,

Сумматор

Hh rOKObKiJ 5АПИСИ

магнитофон а

ПРЄОБРАЗОВ&ТЄЛьІ ТиЩ М₀ЛЧЛ<ГГПР

W /^ ft ЇХ ВЭ S"''"" " ^її""" ~ "^' 5S^\a ^^'ТТ -—" ' ** ^^ '

Гєнєратор

*ло кГц