CC BY
17
Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2019. Т. 27. № 2. С. 105-116. ISSN 2079-6641
DOI: 10.26117/2079-6641-2019-27-2-105-116
УДК 537.8
ОНЧ-РЕГИСТРАТОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ*
Г. И. Дружин, В. М.Пухов, Д. В. Санников, Е. И. Малкин, И. Е. Стасий
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт коемофизичееких исследований и распространения радиоволн
Дальневосточного отделения Российской академии наук,
684034, с. Паратунка, Елизовский район, Камчатский край ул. Мирная, 7,
E-mail: [email protected]
С целью исследования естественных шумовых электромагнитных излучений в Институте коемофизичееких исследований и распространения радиоволн ДВО РАН разработан и создан ОНЧ-регистратор, установленный на Камчатке, в экспедиционном пункте «Карымшина». Непрерывные наблюдения, проведенные с помощью ОНЧ-регистратора, позволили исследовать различные геофизические эффекты, связанные с распространением радиоволн, грозовой активностью, землетрясениями, циклонами.
Ключевые слова: антенный комплекс, система регистрации, электромагнитное излучение
(с) Дружин Г. И. и др., 2019
Введение
В экспедиционном пункте «Карымшина» (ф = 52049' N,X = 158°07/ Е) Федерального государственного бюджетного учреждение науки Института коемофизичееких исследований и распространения радиоволн Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИКИР ДВО РАН), расположенного на полуострове Камчатка, проводятся наблюдения за естественным электромагнитным излучением. В 1993 г был установлен ОНЧ-регистратор, принимающий на магнитную антенну шумовые излучения в диапазоне очень низких частот (ОНЧ). Применение ОНЧ-регистратора позволило исследовать эффекты, связанные с естественными электромагнитными излучениями перед камчатскими землетрясениями [1],[2] и циклонами [3].
*Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 19-05-00543, Механизмы грозообразования в условиях активной вулканической деятельности на полуострове Камчатка
Состав регистратора
ОНЧ-региетратор (рис, 1) состоя,:: из многовитковой рамочной антенны (РА), предварительного усилителя (ПУ), расположенного непосредственно у основания антенны, кабельной .пинии связи (клс), с помощью которой сигнал подавался на устройство обработки сигналов, состоящего из широкополосного усилителя (ШУ), полосовых фильтров (ПФ), детекторов (Д), интеграторов (ИНТ), усилителей постоянного тока (УПТ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и телеметрического канала (Т), Питание аппаратуры осуществлялось от аккумуляторных батарей, ОНЧ-региетратор был изготовлен но схемам, аналогичным приведенным в |4|, Дня уменьшения влияния помех от сети 50 Гц антенна вместе с предварительным усилителем была установлена на расстоянии 200 метров от источника возможных местных помех, Антенна имела эффективную площадь 3300 кв. метров и была согласована со входом усилителя с помощью трансформатора.
Рис. 1. Структурная схема ОНЧ-регистратора
Предварительный усилитель был собран на малошумящих микросхемах и содержа.;: фильтр нижних частот с частотой среза 8,5 кГц,
Огибающие выходного сигнала записывались и передавалась но системе телеметрии в ИКИР ДВО РАН, Запись огибающей сигнала осуществлялась на 5-ти фиксированных частотах (0,45, 0,72, 1,2, 2,5, 5,3 кГц), с полосой пропускания (5 — 10)% от центральной частоты. Пороговая чувствительность ОНЧ-регистратора но хуже 2 • 10—7 nT/y/Hz. Пример записи огибающих сигналов (на трех частотах), зарегистрированных па станции «Карымшипа», приведен па (рис. 2) |2|.
В 2005 г. была проведена модернизация имеющегося в экспедиционном пункте Карымшииа ОНЧ-регистратора. Была подключена антенная система, состоящая из двух взаимно-перпендикулярных рамочных антенн и одной штыревой электрической антенны (рис. 3). Рамочные антенны, предназначенные для приема магнитной составляющей электромагнитного ноля, были расположены вертикально, плоскостью в направлении север-юг и восток-запад. Высота рамочных антенн h = 8 м, ширина I = 8 м, количество витков N = 100. Штыревая антенна длиной 2 м была закреплена на верхнем основании рамочных антенн. В центре антенной системы была установлена малая рамочная антенна, предназначенная для калибровки ОНЧ-регистратора но магнитной составляющей излучений. Вблизи нижнего основания антенн находились
Рис. 2. Запись огибающей сигнала (а, б, в) и среднеквадратичных отклонений (г, д, е) в период Кропоцкого землетрясения 5 декабря 1997 г. Стрелкой показан момент землетрясения
предварительные усилители, сигналы с которых поступали по кабельной линии связи длиной 200 м па блок повторителей напряжения и записывались па персональный компьютер через 16-bit звуковую плату Fast Track Ultra 8R с частотой дискретизации 48 ООО Гц, Затем сигналы но системе телеметрии поступали в центр обработки данных, где проводилась предварительная обработка и храпение информации.
Рис. 3. Антенная система для регистрации радиосигналов в ОНЧ диапазоне, установленная в пункте наблюдения «Карымшипа»
С помощью установленной аппаратуры была проведена запись сигналов в период солнечного затмения 1 августа 2008 г., в результате которой были получены новые сведения о влиянии лунной тени на характеристики принимаемых излучений |5|; были исследованы излучения, возникшие в период глубокофокусного камчатского землетрясения, произошедшего 24 мая 2013 г, |6|; приняты па большом расстоянии слабые сигналы КНЧ-ОНЧ передатчика |7|; рассмотрена связь суточных периодов Земли с рентгеновскими источниками Солнца и галактики |8|,
В 2015 г, была построена и установлена новая антенная система, в которой к вертикально расположенным магнитным антеннам, ориентированных в направлениях север-юг и восток-запад, была добавлена горизонтально расположенная около поверхности земли рамочная антенна, а также проведена замена электрической антенны, расположенной в верхней части магнитных антенн, па отдельно отстоящую от магнитных штыревую антенну.
Основные параметры антенн
Вертикальные рамочные антенны. Длин а l = 11.6 м; высо та h = 8.9 м, геометрическая площадь S = lh = 103.24 м2. Количество витков приемной антенны N = 98, дополнительной калибровочной, намотанной вплотную к приемной, Nd = 2, Индуктивность приемной антенны север-юг Lns = 0.58 Гн, восток-запад - Lew = 0.56 Гн, Собственная емкость антенны север-юг Cns = 6.8 нФ, восток-зап ад - Cew = 6.6 нФ, активное сопротивление постоянному току антенны север-юг Rns = 433 Ом, восток-запад - Rew = 393 Ом,
Горизонтальная рамочная антенна. Расположена у поверхности земли, име-lh = 9. 9 N = 98
ровочной антенны Nd = 2, индуктивность горизонтальной прием ной антенны Lh = 0.55 Гн, собственная емкость Ch = 7.5 нФ, активное сопротивление постоянному току Rh = 433
Основные размеры магнитных рамочных антенн, установленных в 2015 г, приведены на рис, 4,
вертикальная рамка
Рис. 4. Размеры антенн, установленных на станции «Карымшина» в 2015 г
Предварительные усилители рамочных антенн расположены у нижнего основания вертикальных антенн и имеют коэффициенты усиления Крн = 2000,
Электрическая антенна представляет собой штырь высотой к = 6 м, установленный на фундаменте высотой кf = 3 м. Действующая высота электрической антенны кЕ = (к + к/)/2 = 4.5 м. Наведенная в электрической антенне ЭДС усиливается предварительным усилителем (ПУ) с коэффициентом усиления КрЕ = 20, После предварительных усилителей электрической и магнитных антенн сигналы но кабельным .пиниям связи поступают на повторители напряжения, с выходов которых они подаются на входы аналого-цифрового преобразователя, в качестве которого иеиоль-
зуется 16-bit звуковая плата Fast Track Ultra 8R, а также па блок звукового контроля сигнала. Частота оцифровки сигнала составляет 48 ООО Гц, Вся аппаратура в пункте «Карымшипа» питается от аккумуляторных батарей, подзарядка которых производится от местного дизель-генератора. Принятые в пункте «Карымшипа» сигналы но системе телеметрии передаются в центр обработки данных, расположенный в пункте «Паратупка», в главном здании ИКИР ДВО РАН, Дня передачи данных между пунктами «Карымшипа» и «Паратупка» используется радиосеть па базе оборудования компании Ubiquiti. В связи с тем, что между этими пунктами пет прямой видимости, дня функционирования радиосети используются два сегмента. Первый обеспечивает радиомост между н, «Карымшипа» и промежуточным пунктом, второй — между промежуточным и н, «Паратупка», Общее расстояние радиомоста 20 км, мощность передатчика 600 мВт, пропускная способность 100 Мбит, диапазон частот 5470-5825 МГц, В центре обработки данных проводится запись и хранение 15-мипутпых *,wav файлов, в имени которых содержится информация о дате, времени начала записи, номере канала (электрической и магнитной составляющих сигнала). Обработка данных *,wav файлов, полученных со станции «Карымшипа», производится в пункте «Паратупка»,
15.С6.2018 16,(6.3318 17.05.2W3 18.05.2018 19,® .2013 20.05,2018 2L05J018 22.05.2018 23.05.2018
Рис. 5. Амплитудные значения сигналов, зарегистрированных на станции «Карымшипа» с 15 но 26 июня 2018 г
На рис, 5 показан пример записи электрической и магнитной составляющая сигналов, обработка которых проводилась следующим образом, С помощью программы, использующей быстрое преобразование Фурье с окном Чебышева, соответствующей секундной выборке, с перекрытием 93.75%, проводилась частотная фильтрация принятых с электрической и магнитных антенн излучений. Регистрируемые частоты (в Гц) показаны в правой части рис, 5, Частотный интервал был выбран таким образом, чтобы отфильтрованные частоты были распределены но возможности равномерно в логарифмическом масштабе и чтобы они не совпадали с частотами гармоник сети 50
Калибровка
Калибровка ОНЧ-регистратора осуществляется путем подачи синусоидального или шумового сигнала на приемные антенны через устройства калибровки ОНЧ-регистратора,
Калибровка ОНЧ-регистратора через магнитные антенны. Имеется возможность осуществлять калибровку двумя способами.
Рис. 6. Схема калибровки регистратора через магнитные антенны
В нервом случае напряжение подается на вход калибровочной антенны (имеющей 2 витка), намотанной вплотную к приемной (см, рис, 6), При условии аLk << Rk (а = 2п - циклическая частота, { - частота сигнала, Lk — индуктивность калибровочной антенны, Rk - сопротивление, соединенное последовательно с витками калибровочной антенны) ток калибровочной антенны 4 практически не зависит от частоты в широком диапазоне частот и определяется подаваемым на вход калибровочной системы напряжением Uk'.
к = Uk/Rk. (1)
При этом магнитный поток Фk охватывает всю площадь приемной антенны и величина этого потока связана с током калибровочной антенны следующим образом:
Фk = 1Л. (2)
Величина магнитной индукции:
B = Фk/Seff, (3)
где Seff = NaSa — эффективная площадь, ^ — количество витков, Sa — геометрическая площадь приемной антенны,
Э.д.с,, возникающая в антенной цени:
U = - jаBSeff, (4)
Напряжение па выходе приемной антенны:
^ = UKa, (5)
где коэффициент передачи антенной цепи ^ = Zн/(jаLa + Ra + Zн), Zн = (RвxXc)/(Rвx + Xc) - комплексное входное сопротивление нагрузки, Rвx ~ входное активное сопротивление предварительного усилителя, Xc - суммарное емкостное
сопротивление антенны и входной емкости предварительного усилителя, La и Ra -индуктивное и активное сопротивление антенны.
Во втором случае подача сигнала па вертикально расположенные магнитные антенны осуществляется путем подачи напряжения па малую (по сравнению с приемной) рамку, которая излучает па приемную антенну. Калибровочная антенна, размер которой приведен па рис, 4, установлена в центре приемных магнитных антенн, иод углом 450 к ним.
Основные параметры малой калибровочной антенны: диаметр антенны - Бк= 0,95 м, количество витков Хк=120,
активное сопротивление постоянному току Лк=17.2 Ом, индуктивность Ьк=43,7 мГн, емкость Ск= 0,935 иФ, резонансная частота 1к=24,9 кГц,
геометрическая площадь калибровочной антенны Бк=0,709 м2, эффективная площадь Бэ= Бк Х=0,709 120=85,08 м2.
Рис. 7. Эквивалентная схема магнитной антенной цепи
Эквивалентную электрическую схему рамочных антенн представим в виде, изображенным на рис, 7, Э.д.с,, возникающая в антенной цени:
и = - jа BSaNaCos(a), (6)
где а - циклическая частота, В - величина магнитной индукции, Sa - геометрическая площадь, N,2 - число витков антенны, а - угол между нормалями к плоскостям калибровочной и приемной антенн.
Измерив коэффициент передачи по напряжению от калибровочной до приемной антенны, из формулы (6) определяем величину магнитной индукции В.
Калибровка ОНЧ-регистратора по электрической составляющей сигнала.
пого или шумового напряжения с генератора сигнала (ГС) па вход предварительного усилителя (ПУ) осуществляется через делитель напряжения, выполненный па резисторах Rkl,Rk2■, и калибровочную емкость Ск. Эквивалентная схема калибровки антенной цепи представлена на рис, 9, а, где Ск - калибровочная емкость, Са - емкость
Рис. 8. Схема калибровки регистратора с применением электрической антенны
антенны, Яра - входное сопротивление предварительного усилителя. При условии, когда входное сопротивление предварительного усилителя много больше емкостного сопротивления антенны Яра >> 1/(юСа) и емкость антенны много больше входной емкости первого каскада предварительного усилителя Са >> Сра, коэффициент передачи антенной цени
Кас = Ск/(Са + Ск) (7)
Из (7) находим емкость антенны:
Са = Ск(1 — Кас)/Кас (8)
Если подобрать калибровочную емкость, равную емкости антенны, то Кас = 0.5.
Рис. 9. Схемы антенной цепи, а) схема калибровки по электрической составляющей сигнала, Ь) схема антенной цепи при приеме Е составляющей электромагнитного юлу чепия
Эквивалентная схема антенной цени при приеме электромагнитных излучений показана на рис. 9, Ь, Определив емкость антенны, легко рассчитать напряженность Е
иЕ = ЕНеКЕ (9)
где Не - действующая высота приемной антенны, Ке - коэффициент передачи антенной цепи, определяемый по формуле:
КЕ = Ъра/(Ха + Хра). (10)
Здесь Хра - комплексное сопротивление входной цепи ПУ, состоящее из параллельно соединенных реактивного сопротивления входной емкости и активного входного сопротивления, Ха = 1/(jаCa) - емкостное сопротивление антенны.
Заключение
В ИКИР ДВО РАН разработан и создан ОНЧ-региетратор для исследования электромагнитных излучений, который установлен в экспедиционном пункте «Ка-рымшина», на Камчатке, и который позволяет проводить непрерывную запись электрических и магнитных компонент электромагнитного поля как в отдельных частотных полосах, так и широкополосных излучений в диапазоне частот до ~ 10 кГц, Применение ОНЧ-регистратора позволило исследовать различные геофизические процессы, проявившиеся в записях электромагнитных сигналов.
Список литературы/References
[1] Руленко О.П., Дружин Г.И., Вершинин Е.Ф., "Измерения атмосферного электрического поля и естественного электромагнитного излучения перед камчатским землетрясением 13.11.1993 г. М=7.0", Доклады, АН, 348:6 (1996), 815. [Rulenko O.P., Druzhin G.I., Vershinin Ye.F., "Izmereniva atmosfernogo elektricheskogo polva i vestestvennogo elektromagnitnogo izlucheniva pered kamchatskim zemletrvasenivem 13.11.1993 g. M=7.0", Doklady AN, 348:6 (1996), 8151-
[2] Дружин Г.И., "Опыт прогноза камчатских землетрясений на основе наблюдений за электромагнитным ОНЧ излучением", Вулканология и сейсмология, 6 (2002), 51-62. [Druzhin G.I., "Opvt prognoza kamchatskikh zemletryaseniv na osnove nablyudeniy za elektromagnitnym ONCH izluchenivem", Vulkanologiya i seysmologiya, 6 (2002), 51-62].
[3] Михайлов Ю.М., Михайлова Г.А., Капустина O.B., Дружин Г.И., Чернева Н.В., "Возможные атмосферные эффекты в нижней атмосфере по наблюдениям атмосферных радиошумов на Камчатке во время тропических циклонов", Геомагнетизм и аэрономия, 45 (2005), 824-839. [Mikhaylov VU.M.. Mikhaylova G.A., Kapustina O.V., Druzhin G.I., Cherneva N.V., "Vozmozhnyve atmosfernyve effektv v nizhnev atmosfere po nablyudeniyam atmosfernvkh radioshumov na Kamchatke vo vremva tropicheskikh tsiklonov", Geomagnetizm i aeronomiya, 45 (2005), 824-839].
[4] Вальков С.П. Дружин Г.И. Швецов В.Д. и др., "Аппаратура для регистрации ОНЧ изл-цучений", Низкочастотные сигналы во внешней ионосфере, ЯФ СО АН СССР, Якутск, 1976, 107-116. [Val'kov S.P. Druzhin G.I. Shvetsov V.D. i dr., "Apparatura diva registratsii ONCH izltsucheniv", Nizkochastotnyye signaly vo vneshney ionosfere, YAF SO AN SSSR, Yakutsk, 1976, 107-116].
[5] Дружин Г.И., Уваров В.H., Муллаяров В.А., Козлов В.И., Корсаков A.A., "Одновременные наблюдения на Камчатке и в Якутии естественного электромагнитного излучения в КНЧ-ОНЧ-диапазонах в период солнечного затмения 1 августа 2008 г.", Геомагнетизм и аэрономия, 50:2 (2010), 220-227. [Druzhin G.I., Uvarov V.N., Mullayarov V.A., Kozlov V.l., Korsakov A.A., "Odnovremennyye nablyudeniya na Kamchatke i v Yakutii vestestvennogo elektromagnitnogo izlucheniva v KNCH-ONCH-diapazonakh v period solnechnogo zatmeniva 1 avgusta 2008 g.", Geomagnetizm i aeronomiya, 50:2 (2010), 220-227].
[6] Victor A. Mullayarov, Gennadv I. Druzhin, Vvacheslav V. Argunov, Larisa M.Abzaletdinova, Aleksande N. Mel'nikov, "Variations of VLF radio signals and atmospherics during the deep earthquake with M = 8.2 occurred on 24 Mav 2013 near Kamchatka peninsula", Natural Science, 6:3 (2014), 144-149.
[7] Жамалетдинов A.A., Шевцов А.Н., Велихов Е.П. и др., "Исследование взаимодействия электромагнитных волн КНЧ-СНЧ диапазона с земной корой и ионосферой в поле промышленных линий электропередачи (эксперимент FENICS)", Геофизические процессы и биосфера, 14:2 (2015), 5-49. [Zhamaletdinov A.A., Shevtsov A.N., Velikhov Ye.P. i dr., "Issledovanive vzaimodeystviva elektromagnitnykh voln KNCH-SNCH diapazona s zemnov korov i ionosferov v pole promyshlennvkh liniy elektroperedachi (eksperiment FENICS)", Geofizicheskiye protsessy i biosfera, 14:2 (2015), 5-49].
[8] Дружин Г.И., Стасий И.Е., "Связь суточных периодов Земли с рентгеновскими источниками", Вестник КРАУНЦ. Физико-математические науки, 4 (2016), 92-98. [Druzhin G.I., Stasiv I.Ye., "Svvaz' sutochnvkh periodov Zemli s rentgenovskimi istochnikami", Vestnik KRAUNTS. Fiziko-matematicheskiye nauki, 4 (2016), 92-98].
Список литературы (ГОСТ)
fl] Руленко О.П., Дружин Г.И., Вершинин Е.Ф. Измерения атмосферного электрического поля и естественного электромагнитного излучения перед камчатским землетрясением 13.11.1993 г. М=7.0 // Доклады АН. 1996. Т. 348. №6. С. 815.
[2] Дружин Г.И. Опыт прогноза камчатских землетрясений на основе наблюдений за электромагнитным ОНЧ излучением // Вулканология и сейсмология. 2002. №6. С. 51-62.
[3] Михайлов Ю.М., Михайлова Г.А., Капустина О.В., Дружин Г.И., Чернева И.В. Возможные атмосферные эффекты в нижней атмосфере по наблюдениям атмосферных радиошумов на Камчатке во время тропических циклонов // Геомагнетизм и аэрономия. 2005. Т. 45. С. 824-839.
[4] Вальков С.П. Дружин Г.И. Швецов В.Д. и др. Аппаратура для регистрации ОНЧ излцучений // Низкочастотные сигналы во внешней ионосфере. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1976. С. 107-116.
[5] Дружин Г.И., Уваров В.И., Муллаяров В.А., Козлов В.И., Корсаков A.A. Одновременные наблюдения на Камчатке и в Якутии естественного электромагнитного излучения в КНЧ-ОНЧ-диапазонах в период солнечного затмения 1 августа 2008 г. // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50. №2. С. 220-227.
[6] Victor A. Mullayarov, Gennadv I. Druzhin, Vyacheslav V. Argunov, Larisa M.Abzaletdinova, Aleksande N. Mel'nikov. Variations of VLF radio signals and atmospherics during the deep earthquake with M = 8.2 occurred on 24 May 2013 near Kamchatka peninsula // Natural Science. 2014. vol. 6. no. 3. pp. 144-149.
[7] Жамалетдинов A.A., Шевцов А.И., Велихов Е.П. и др. Исследование взаимодействия электромагнитных волн КНЧ-СНЧ диапазона с земной корой и ионосферой в поле промышленных линий электропередачи (эксперимент FENICS) // Геофизические процессы и биосфера. 2015. Т. 14. Ш. С. 5-49.
[8] Дружин Г.И., Стасий И.Е. Связь суточных периодов Земли с рентгеновскими источниками // Вестник КРАУНЦ. Физико-математические науки. 2016. №4(15). С. 92-98.
Для цитирования: Дружин Г.И. Пухов В.М. Санников Д. В. Малкин E.H. Стасий И. Е. ОНЧ-регистратор для исследования естественных радиоизлучений // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2019. Т. 27. № 2. С. 105-116. DOI: 10.26117/2079-6641-2019-27-2-105116
For citation: Druzhin G.I., Pukhov V.M., Sannikov D.V., Malkin E.I., Stasiv I.E. VLF - recorder for the study of natural radio emission, Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki. 2019, 27: 2, 105-116. DOI: 10.26117/2079-6641-2019-27-2-105-116
Vestnik KEAUNC. Fiz.-Mat. Nauki. 2019. vol. 27. no.2. pp. 105-116.
DOI: 10.26117/2079-6641-2019-27-2-105-116
MSC 83C50
VLF - RECORDER FOR THE STUDY OF NATURAL RADIO EMISSION1
G. I. Druzhin, V. M Pukhov, D. V. Sannikov, E. I. Malkin, I. E. Stasiy
Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 684034 Russia, Kamchatka region, Elizovskiy district, Paratunka, Mirnava str,, 7. E-mail: [email protected]
In order to study the natural noise electromagnetic radiation at the Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS, a VLF-recorder was developed, created and installed in Kamchatka, in the expedition point "Karvmshina". Continuous observations carried out with the help of VLF-registrator allowed to study various geophysical effects associated with the propagation of radio waves, thunderstorm activity, earthquakes, cyclones.
Key words: antenna complex, recording system, electromagnetic radiation
© Druzhin G. I. et. all, 2019
Поступила в редакцию / Original article submitted: 10.04.2019
^his work was supported by the Russian Foundation for Basic Research, project No. 19-05-00543, Mechanisms of thunderstorm formation in conditions of active volcanic activity on the Kamchatka Peninsula
