CC BY
8
УДК 621.37
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-90-95
КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД НАБЛЮДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ В АТМОСФЕРЕ
О.А. Топчий
К рассмотрению предлагается описание опробованного комбинированного метода регистрации и обработки информации о наблюдаемых электромагнитных явлениях в атмосфере. Для исследования была разработана и проверена в работе программа в среде ЬаЬ¥1ЕЖ для системы дистанционного наблюдения электромагнитной атмосферной активности. Выполнена запись и обработка большого количества файлов сигналов грозовых разрядов.
Ключевые слова: рамочная магнитная антенна, грозовой разряд, спектр сигнала, многопунктовый метод наблюдения.
Грозовые явления детально и серьезно изучаются современной наукой. «Белых пятен» здесь еще очень много. Электрические и информационные сети, лесное хозяйство, жилые постройки получают значительный ущерб от поражения грозовыми разрядами. Отслеживание развития грозовых фронтов, раннее предупреждение о возможных местах грозовой активности, во многих случаях помогает снизить или даже избежать материальных потерь. Очень важна такая информация для авиации, нефтеперерабатывающих предприятий, сельского хозяйства.
Отслеживание местоположения молниевых разрядов производится метеорадиолокаторами, искусственными спутниками Земли. Но их информации не всегда хватает для достоверного определения координат молниевых разрядов. Эту недостачу данных возможно восполнить от пассивных однопунктовых и многопунктовых радиотехнических систем наблюдения. Для наблюдения используются методы измерения изменения пространственно-временных электрических и магнитных характеристик свойств поля источника электромагнитного излучения.
Многопунктовый метод наблюдения заключается в следующем: каждый пункт наблюдения, кроме фиксации грозовых разрядов, ведет регистрацию времени получения сигнала. Вокруг нескольких пунктов регистрации, по разности времен прихода сигналов, геометрическими методами определяются гиперболы. Пересечение гипербол указывает на место источника электромагнитного излучения.
Однако, у таких систем есть существенные недостатки: они используют диапазон ультракоротких волн, точность системы гарантируется только в пределах прямой видимости, в пунктах регистрации должна быть очень точная синхронизация системного времени. Кроме того, присутствуют зоны с повышенной ошибкой местоопределе-ния, а также возникают затруднения с определением принадлежности сигнала одному и тому же молниевому разряду [1].
Так сложилось, что у нас чаще всего развивались однопунктовые грозопелен-гаторы-дальномеры. Такие системы характеризуются простотой и невысокой стоимостью, непритязательны в использовании, автономны.
В однопунктовых системах наблюдения, как правило, используется рамочная антенна. У нее диаграмма направленности - восьмерка (рис.1,а). Эта характеристика и определяет ее применение для пеленгации.
На рис.1,а представлена симметричная магнитная рамка для случая максимального приема электромагнитной волны (ЭМВ), плоскость антенны совпадает с плоскостью принимаемой ЭМВ. Если сигнал вертикально поляризован, токи ¡1 и ¡2 находятся в противофазе из-за разной удаленности от источника ЭМВ в сторонах «А-В», «С-О» [2].
На практике собрать рамку симметричной практически невозможно. На антенну обязательно происходит какое-либо постороннее влияние. В связи с этим возникает искажение диаграммы направленности и получается «антенный» эффект из-за несимметричности протекающих токов в рамке.
Поскольку рамка принимает только магнитную составляющую поля [3], то ее можно электрически экранировать (рис.1,б). Если рамка экранирована, то ее емкость относительно экрана одинакова. Потенциал между рамкой и экраном образуется из-за противофазных токов, наведенных электромагнитным сигналом.
Рамка содержит в себе один или несколько витков провода. Общая длина антенны - 0,1-0,2 (иногда больше) от длины волны, рассчитанной для приема. Коэффициент полезного действия рамочных антенн низкий (часто не более 3%). Но данное обстоятельство не создает больших проблем для использования антенн в качестве приемных. В этом случае ее делают многовитковой, из тонкого провода, поэтому размеры ее могут быть уменьшены.
Благодаря тому, что рамочные антенны реагируют только на магнитную ЭМВ составляющую, их можно устанавливать даже внутри железобетонных зданий. Однако лучше их располагать на открытом пространстве. Это устранит влияние неизбежных промышленных помех и разрешит полностью использовать направленные свойства рамочных антенн.
Для того, чтобы наблюдать за электромагнитной обстановкой в полном секторе обзора (360°), система наблюдения состоит из 2-х рамочных антенн, расположенных одна относительно другой под углом 90° (рис.1, в).
Сигналы такой антенной системы имеют синусо-косинусоидальные характеристики направленности. Направление на приходящий электромагнитный сигнал (рис.1, г) определяется из отношения двух сигналов
Q = arctan
север V и восток
Д.н.
направление ЭМВ
Север'
Рис.1. Магнитная рамочная антенна: а — магнитная антенна в положении максимального усиления и ее диаграмма направленности; б — симметричная экранированная рамка; в — система двух рамочных антенн (двухканальный пеленгатор); г — сигналы от источника электромагнитного излучения,
наводимые в рамках
Как было сказано выше, КПД рамочных антенн очень мал. Для нормальной работы со слабыми сигналами, их нужно усиливать. Для усиления используется классический инструментальный усилитель (рис. 2) [4].
91
Входной каскад - два операционных усилителя (ОУ), обеспечивают большой дифференциальный коэффициент усиления. Коэффициент усиления синфазных сигналов - приблизительно единица даже без точного согласования резисторов третьего ОУ. Резистор Л определяет коэффициент усиления входного сигнала:
(
К =
1 +
2Я2_)
)
100,0 и« <Н I—
гЦп^
к
Ю
зН
И2
10 Ют
ЮкОт
из
1*4
и ПЫХ —>
К4
Рис. 2. Схема усилителя одного канала для рамочной антенны
Система рамочных антенн с усилителями связывается с компьютером посредством звуковой карты. Звуковая карта, кроме основного назначения - записи аудиосигналов и/или их воспроизведения, широко используется в лабораторных и промышленных системах для обработки сигналов в диапазоне от 0 до нескольких десятков килогерц [5].
Звуковой диапазон современных карт производители заявляют от 20 до 20000 Гц. Однако, реально рабочие частоты карты превышают верхние пределы границы. Частоты дискретизации (частоты выборки) сигналов аналого-цифровых и цифро-аналоговых каналов преобразователей приближаются к 200 Квыборок/с. Это позволяет уверенно обрабатывать сигналы порядка 80-90 КГц [5].
Для наблюдения, записи и обработки сигналов электромагнитной среды была разработана программа в системе ЬаЪУ1ЕШ, которая обладает широкими возможностями по обработке сигналов периферийных устройств персональных компьютеров, в том числе и полученных от звуковой карты.
Обработка и анализ большого объема информации в виде аналоговых сигналов, полученных при наблюдении за грозовыми разрядами - очень кропотливая и затратная по времени работа. Для ускорения обработки информации, аналоговые сигналы переводят (преобразуют) в цифровую форму, а потом выполняют обработку данных на компьютере.
В среде ЬаЪУ1ЕШ выложен широкий набор способов обработки данных и присутствует большая корзина готовых узлов [6]. Из предложенных наборов был собран виртуальный прибор, который реализует задуманный алгоритм наблюдения, регистрации, запоминания, обработки и получения готовых результатов при наблюдении за электромагнитной средой.
Поскольку окружающее нас пространство перенасыщено электромагнитными волнами, различить «наш - не наш» сигнал - довольно сложно. Для идентификации сигналов грозовых разрядов был применен метод дискретного преобразования Фурье (ДПФ). ДПФ - одна из наиболее распространенных и мощных процедур цифровой обработки сигналов и определения их частотного состава [7].
Согласно теореме Фурье, любой периодический сигнал во временной области можно представить в виде взвешенной суммы синусов и косинусов с частотами, определяемыми периодом анализируемого сигнала. Этот же сигнал можно отобразить в частотной области в виде амплитуд и значений начальной фазы для каждой гармонической составляющей [8].
Ниже представлена осциллограмма грозового разряда (рис.3,а) и осциллограмма его спектра (рис.3, б). Чаще всего пиковыми для сигналов грозовых разрядов являются частоты в диапазоне 6 - 14 кГц.
а
4Е-12-3.5Е-12-ЗЕ-12-t 2.5Е-12-; 2Е-12-1.5Е-12-1Е-12-5Е-13-
0- , 3702,725678
>LkL
•UJm
illi..................................
9000 10000 11000 12000 13000
Частота, Гц
14000 15095,061.
б
Рис. 3. Запись грозовых сигналов: а — осциллограмма полученного сигнала;
б — его спектр
Определив Umax сигнала в одном из каналов, находим соответствующую этой точке на графике амплитуду во втором канале. Соотношение этих амплитуд Ui и U2 будет указывать направление на сигнал
Ui
tgp =
U 2
Из данной формулы получается два результата: р = в и р = 6 + я. Чтобы уточнить место происхождения сигнала, дальше действуем по многопунктовому раз-ностно-дальномерному методу [9].
Координаты места происхождения грозового разряда (рис.4) рассчитываются для точки земной поверхности с координатами хр и ур. Разность между временем получения сигнала в каждом пункте регистрации и временем его излучения можно описать следующим уравнением
t — t =
Ч 1 р
-Jix — xp )2+(yj— Ур )2
c
где с - скорость света.
Произведем необходимые преобразования и получим систему из трех (по количеству пунктов регистрации) уравнений
((1 -Хр1 У -Ур1 г2 = 0
(x2 "xp2)+(У2 -Ур2r22 = 0 ' -xp3)2 +(Уз-Урз)2
Г32 = 0
где г - расстояние от места грозового разряда до соответствующего пункта наблюдения.
Грозовой
Пункт регистрации 1
IfcfeM_____
разряд (хр, yv) ~ " ~ "
tl-tp
\ - — _ t.> /,.
\ V
\ te-tp ч \ Ч 1 ч I ч
4 ч Пункт регистрации 3 \L (хз,уз) \ ч ч ч ч
Пункт
регистрации 2
Ьъуд
Рис. 4. Расчет координаты места происхождения грозового разряда из трех пунктов регистрации
Любой из используемых сейчас методов наблюдения и регистрации грозовых разрядов имеет свои плюсы, но и не лишен недостатков. Соединение (для данного рассмотренного случая) пеленгационного и разностно-дальномерного методов предполагает:
- один (каждый) пункт регистрации определяет прямую, на которой находится точка происхождения грозового разряда;
- трех пунктов регистрации достаточно для определения координат места возникновения грозового разряда.
Список литературы
1. Панюков А.В., Будуев Д.В., Малов Д.Н. Системы пассивного мониторинга грозовой деятельности // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика, физика, химия». 2003. № 8(24). C. 11-20.
2. Ротхаммель К. Антенны. М.: «Энергия», 1979. 320 с.
3. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. М.: Радио и Связь, 1983. 296 с.
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.: «Мир», 1998. 704 с.
5. Магда Ю.С. LabVIEW: практический курс для инженеров и разработчиков: практическое руководство. ДМК Пресс, 2014. 209 с.
6. Федосов В.П., Нестеренко А.К. Цифровая обработка сигналов в LabVIEW: учеб. пособие / под ред. В. П. Федосова. М.: ДМК Пресс, 2007. 456 с.
7. Бойко Б.П., Тюрин В.А. Спектр сигнала: учебно-методическое пособие. Казань: Казанский федеральный университет, 2014. 38 с.
94
8. Лайнос Р. Цифровая обработка сигналов: Второе издание. Пер. с англ. М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. 656 с.
9. Захаров А.В. Современные методы мониторинга грозовой активности на основе многопунктовых систем наблюдения // Научный поиск. Естественные науки: материалы третьей науч. конф. аспирантов и докторантов / отв. за вып. С. Д. Ваулин ; Юж.-Урал. гос. ун-т. Челябинск : Издательский центр ЮУрГУ, 2011. С. 24-27 .
Топчий Оксана Александровна, аспирант, инженер, o.topchy@mail.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет.
COMBINED METHOD FOR OBSERVING ELECTROMAGNETIC ACTIVITY IN THE
ATMOSPHERE
O.A. Topchy
The description of a tested combined method for registration and processing information about observed electromagnetic phenomena in the atmosphere is proposed for consideration. For the research, the program was developed and tested in the LabVIEW for a system for remote observation of electromagnetic atmospheric activity. A large number offiles of lightning discharge signals has been recorded and processed.
Key words: loop magnetic antenna, lightning discharge, signal spectrum, multipoint observation method.
Topchy Oksana Alexandrovna, postgraduate, engineer, o.topchy@mail.ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-95-105
РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ БОРТОВОЙ СЕТИ
У.В. Брачунова, В.Н. Козловский, М.В. Шакурский
В работе представлены результаты расчетного исследования технико-эксплуатационных характеристик генераторной установки легкового автомобиля при различных уровнях номинального напряжения бортовой сети
Ключевые слова: легковой автомобиль, бортовой электротехнический комплекс, генераторная установка.
Главными размерами генератора принято считать диаметр расточки статора Ц и длину пакета статора I., которые определяют объем активных материалов и мощность генератора при заданных электромагнитных нагрузках.
Эксплуатационные качества генератора определяются токоскоростной характеристикой (ТСХ), представляющей зависимость тока, отдаваемого генератором 1а, от
частоты вращения п при неизменном максимальном токе возбуждения 1т и неизменном напряжении на нагрузке иа [1]. Токоскоростную характеристику 1Л = /(п) (рис. 1)
