Меню

Методика измерений КНЧ–шумов (Method of measuring ELF noise)

Для проведения мониторинга ЭМ–фона КНЧ–диапазона в Томском государственном университете (ТГУ) в лаборатории космической геофизики и экологии Сибирского физико-технического института (СФТИ) и на кафедре космической физики и экологии радиофизического факультета (РФФ) создан измерительно-вычислительный комплекс, позволяющий производить прием и обработку сигналов, получать их динамические спектральные и амплитудно-фазо-частотные характеристики в диапазоне частот от 0,1 до 40Гц [10 — 13].

В состав комплекса входят:

– штыревая антенна, высотой 5 м;

– высокочувствительный усилитель с выходным активным фильтром нижних частот с частотой среза 1 кГц с ослаблением за полосой пропускания 20 дБ/окт. (затухание в полосе пропускания не более 0,5 дБ/окт.) с высоким входным сопротивлением;

– входной малошумящий режекторный фильтр частоты 50 Гц с ослаблением в полосе заграждения 40 дБ/окт;

– высокочувствительный усилитель с выходным активным фильтром нижних частот с частотой среза 35 Гц с ослаблением за полосой пропускания 20 дБ/окт. (затухание в полосе пропускания не более 0,5 дБ/окт.);

– активный фильтр нижних частот с частотой среза 31,5 Гц с ослаблением за частотой среза не менее 24 дБ/окт. (затухание в полосе пропускания не более 0,5 дБ/окт., максимальное затухание за частотой среза 60 дБ/окт.);

– аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выполненный в стандарте PCI и входящий в состав компьютера, его технические характеристики представлены в таблице 2;

– персональный компьютер, который производит автоматическое управление аппаратурного комплекса по регистрации КНЧ–сигналов.

Таблица 2 – Технические характеристики аналого-цифрового преобразователя

Технические характеристики АЦПЗначение
Число дифференциальных каналов16
Разрядность АЦП12
Время преобразования2 мкс
Дифференциальная нелинейность0.02%
Нелинейность полной шкалы0.02%
Входное сопротивление1 МОм
Программная частота опроса150 кГц

Принятые антенной, и усиленные высокочувствительным усилителем электрические сигналы, соответствующие действующему в данный момент времени электромагнитному полю (вертикальной компоненте ЭМ–поля), поступают на последовательно соединенные два фильтра нижних частот, предназначенные для ограничения полосы частот сигналов, поступающих с антенны, до 40 Гц.

Сигнал на вход фильтров нижних частот поступает после прохождения узкополосного режекторного фильтра, настроенного на частоту 50 Гц. Этот фильтр применяется для подавления сетевой гармоники и максимального использования динамического диапазона приемно-измерительного тракта. Сигналы, прошедшие оцифровку, с выхода приемного тракта поступают на дальнейшую цифровую обработку в ЭВМ.

Случайная природа источников поля КНЧ–диапазона, неравномерность их распределения по Земному шару, непостоянство ЭМ–характеристик ионосферы, определяющих условия распространения электромагнитного поля в волноводе Земля-ионосфера, малость амплитуд ЭМ–поля, его сложный импульсно-шумовой характер с широким диапазоном изменения, наличие местных помех индустриального происхождения – все эти факторы обусловили методику проведения эксперимента.

Методика измерений КНЧ–шумов в исследованиях подчинена задаче обеспечить возможность массовых статистических исследований с целью выявления динамики изменения основных резонансных параметров в режиме мониторинга, в котором необходима длительная и непрерывная регистрация напряженности ЭМ–поля в течение нескольких суток. Поэтому, измерения проводятся круглосуточно с оцифровкой сигналов на АЦП с тактом 120 Гц.

Полученные экспериментальные данные обрабатываются следующим образом: в каждые 3 минуты определяются средние значения и среднеквадратичные отклонения основных резонансных параметров (частот, амплитуд и добротностей) для первых четырех мод шумановских резонансов путем статистической обработки ансамбля спектров КНЧ–шумов в диапазоне от 6 до 32 Гц.

Каждый спектр рассчитывается посредством дискретного Фурье–преобразования во временном окне 50 с, сдвиг по времени составляет 5 с. Таким образом, разрешение по частоте в каждом спектре составляет 0,02 Гц. В каждом амплитудном спектре вычисляются мгновенные значения основных резонансных параметров. На рисунке 1 схематично представлено определение мгновенных значений основных резонансных параметров для первых четырех мод шумановских резонансов. Средние значения и среднеквадратичные отклонения основных резонансных параметров определяются из ансамбля соответствующих значений (общим количеством 20 = (150 с – 50 с) / 5 с), рассчитанных из амплитудных спектров КНЧ–шумов в диапазоне от 6 до 32 Гц.

Рисунок 1 – Схематичное представление определения мгновенных значений основных резонансных параметров для первых четырех мод шумановских резонансов

Алгоритм вычисления значений резонансных параметров первых четырех мод состоит в следующем. Для каждой моды заранее известны начальные средние значения резонансных частот (таблица 1 № 8 на странице «Краткая история исследований»). В близи этих значений резонансных частот определяются значения частот, соответствующих максимуму спектральной плотности мощности. Эти значения и являются мгновенными значениями резонансных частот. Значение амплитуды резонансной моды соответствует квадратному корню из максимального значения спектральной плотности мощности. Добротность резонансной моды является отношением значения резонансной частоты к полосе частот на уровне половинной мощности от максимального значения или на уровне 0,707 от максимальной амплитуды соответствующей моды шумановских резонансов.

Каждая 3-х минутная запись является основным элементом в представлении длительных вариаций основных параметров резонансов. На странице «Сонограмма КНЧ-шумов» представлены текущие суточные сонограммы ЭМ–фона в полосе частот от 6 до 32 Гц, на которых можно видеть первые четыре моды шумановских резонансов в виде ярко выраженных горизонтальных полос повышенного уровня. Сонограммы представляют собой изменение во времени усредненных спектров КНЧ–шумов в диапазоне от 6 до 32 Гц из ансамбля спектров за каждые 3 минуты (в течение суток — 480 спектров).

На страницах раздела «Шумановские резонансы» представлены результаты работы алгоритма вычисления средних значений резонансных частот, амплитуд и добротностей первых четырех мод для трех экспериментальных дней.

Для всех четырех мод прослеживается свой собственный суточный ход, характерный для каждого сезона года. Обработка данных за весь период наблюдений (с 1997 по 2023 гг.) показала, что средние значения первых четырех мод резонансных частот близки к результатам, полученными ранее другими авторами (см. таблицу 1 на странице «Краткая история исследований»), что подтверждает, что регистрируемые КНЧ–сигналы являются шумановскими резонансами.

Продолжение следует…

Литература