РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 8, с. 793-801
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 53.087.45
ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ДИАПАЗОНЕ КРАЙНЕ НИЗКИХ И СВЕРХНИЗКИХ ЧАСТОТ © 2015 г. А. В. Ларченко, О. М. Лебедь, Ю. В. Федоренко
Полярный геофизический институт Российская Федерация, 184209, Апатиты, Мурманской обл., Академгородок, 26а E-mail: alexey.larchenko@gmail.com Поступила в редакцию 15.01.2014 г.
Обсуждена возможность использования результатов измерений вертикальной компоненты электрического поля Ez и двух горизонтальных компонент магнитного поля Hx и Hy для исследования распространения электромагнитных сигналов в волноводе Земля-ионосфера. Рассмотрена методика определения функции передачи вертикальной электрической активной антенны для измерения Ez. Описан способ согласования функций передачи электрической антенны и магнитных индукционных датчиков в КНЧ-СНЧ диапазонах. В качестве примеров использования данных регистрации Ez приведены суточные вариации отношения |Ez|/|H, по-видимому, связанные с изменениями D-слоя ионосферы, и произведена оценка углов прихода атмосфериков в точку приема в диапазоне углов [-п, +п], что невозможно при использовании результатов регистрации только горизонтальных компонент магнитного поля.
DOI: 10.7868/S0033849415070116
ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальное исследование структуры электромагнитного поля в волноводе Земля-ионосфера в диапазонах крайне низких и сверхнизких частот (КНЧ-СНЧ) необходимо для проверки и уточнения моделей распространения в нем электромагнитных сигналов [1—3]. Особый интерес представляет исследование особенностей распространения естественных электромагнитных сигналов во время геомагнитных возмущений и солнечных вспышек [4], а также искусственных гармонических сигналов, используемых в задачах электромагнитного зондирования земной коры [5, 6]. В экспериментальных работах по исследованию структуры электромагнитного поля в волноводе Земля-ионосфера в диапазонах КНЧ-СНЧ [7, 8] практически всегда анализируют результаты измерений трех компонент магнитного поля, получаемые, как правило, при помощи индукционных магнитометров. Обсуждение методов и результатов измерений горизонтальных компонент электрического поля встречается реже, так как эти компоненты в основном нужны для решения задач электромагнитного зондирования земной коры. Вертикальную компоненту электрического поля рассматривают еще реже и только при изучении естественных электромагнитных возмущений [9], хотя без ее привлечения связать наблюдаемую структуру поля с условиями распростране-
ния и генерации в некоторых случаях просто невозможно.
В рамках общепринятой простой модели [1], электромагнитное поле, создаваемое источником, находящимся в волноводе Земля-ионосфера, описывают в сферической системе координат, начало которой совпадает с центром земного шара, при помощи радиальной компоненты электрического поля Ег и угловой компоненты магнитного поля Нф. В локальной декартовой системе координат, электромагнитное поле в точке наблюдения в приближении однородной бесконечно проводящей земной поверхности, которое использовано в [1], можно описать тремя компонентами — вертикальной электрической Ег и горизонтальными магнитными Нх, Ну, а вертикальная компонента магнитного поля Н и горизонтальные компоненты электрического поля Ех, Еу в этом приближении отсутствуют. Таким образом, исключение из рассмотрения одной из главных компонент электромагнитного поля в волноводе Земля-ионосфера ведет к снижению информативности наблюдений.
Очевидно, что без измерения Ег невозможно получить такую важную характеристику волнового поля, как вектор Пойнтинга, который в рамках
выбранной модели можно записать как Р =
= (E х H*) = -EZH%
EzH*eY, где ex и ev - еди-
ничные вектора, образующие на земной поверхности ортогональный базис; * — знак комплексного сопряжения. Поэтому, например, при использовании только компонент Нх и Ну направление распространения естественных импульсных сигналов, порождаемых разрядами молний, не может быть определено во всем диапазоне углов [-п, +п], поскольку первый и третий, так же как второй и четвертый квадранты декартовой системы координат в этом случае неразличимы. Возможность точного определения квадранта, из которого электромагнитный сигнал пришел в точку наблюдения, предоставляет только привлечение результатов измерений Е.
Структура поля электромагнитных волн диапазонов КНЧ-СНЧ в волноводе Земля-ионосфера на больших расстояниях от источника слабо зависит от параметров самого источника, а в основном определяется свойствами верхней и нижней стенок волновода. Поскольку наибольшее влияние на изменения характеристик распространения волн в волноводе оказывает .О-слой ионосферы, можно ожидать, что вариации отношения + Н2 будут определяться как изменениями вертикального, так и горизонтального профилей его проводимости, что дает возможность получения информации о состоянии ^-слоя [7, 10].
Совместная обработка цифровых записей вертикальной электрической и горизонтальных магнитных компонент значительно упрощается, если их передаточные функции одинаковы. Согласование характеристик особенно важно при первичной обработке записей с целью выделения геофизических событий. При этом, приходится обрабатывать большие объемы данных, что делает нежелательным согласование характеристик программным путем из-за больших вычислительных затрат и заставляет искать другое решение этой проблемы. Первичная обработка для выделения событий может быть успешно проведена, даже если амплитудно-частотные характеристики компонент различаются на несколько десятков процентов, а фазо-частотные — на 10—20 градусов. Такая точность согласования вполне может быть достигнута за счет подбора элементов входного усилительного каскада антенны Е. при его изготовлении.
Из условия согласования передаточных функций Е., Нх и Ну автоматически следует условие равенства диапазонов регистрируемых частот. Индукционные магнитометры способны надежно измерять геомагнитные пульсации с частотами 0.1 Гц и даже ниже в зависимости от амплитуды этих пульсаций, что и определяет нижнюю границу частотного диапазона регистратора Е.. По физической природе геомагнитные пульсации — это
альвеновские или магнитозвуковые волны, возбуждаемые в магнитосфере Земли и в солнечном ветре [11]. Они возникают в полосе частот от нескольких миллигерц до нескольких герц и не обладают заметной компонентой Е на земной поверхности. Поэтому частотный диапазон индукционных магнитометров является избыточным для регистратора Е и, в принципе, может быть ограничен снизу частотами 1...3 Гц. Выше этих частот в волноводе Земля-ионосфера существуют такие природные явления как шумановские резо-нансы и низкочастотная часть импульсных сигналов, возбуждаемых молниевыми разрядами, здесь и далее называемая атмосфериком. Атмо-
сферики в диапазоне частот ниже 1.5___1.8 кГц
распространяются на электромагнитной квази-ТЕМ моде с групповой скоростью, близкой к скорости света в вакууме, причем Е . ~ Z0^H:Г+~H2, Z0 = 120я Ом. Отсюда следует, что при регистрации электромагнитных явлений верхняя граница частотного диапазона регистратора Е должна совпадать с верхней границей регистратора магнитных компонент.
Если нет уверенности в том, что при изготовлении измерительного устройства точно выдержаны все требования и номиналы элементов, то для достижения необходимой точности измерений необходимо проводить его калибровку. В процессе прямой калибровки создают физический сигнал заданной величины, соответствующий измеряемому, и определяют коэффициенты, описывающие передаточную функцию всей системы в целом, включая датчик, интерфейсное устройство и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Для проведения калибровки датчиков важно иметь точные физические эталоны и устройства, позволяющие создавать соответствующие внешние воздействия. При выполнении калибровки вертикальной электрической антенны нужно создать однородное электрическое поле в области пространства с размерами, превышающими размеры вертикальной электрической антенны. Это условие практически невозможно соблюсти, если размеры антенны составляют несколько метров, поэтому необходимо разработать и применить метод определения передаточной функции регистратора Е., позволяющий произвести ее оценку без прямой калибровки.
При регистрации компоненты Е., как правило, доминирующим источником помех является статическое электрическое поле от местных линий электропередач с основной частотой 50 Гц, частоты гармоник которого могут достигать нескольких килогерц с амплитудами, превышающими на несколько порядков амплитуду естественных сигналов КНЧ-СНЧ. Для минимизации воздействия сетевой помехи электрическую антенну
Рис. 1. Эквивалентная схема индукционного магнитометра с входным усилительным каскадом (а) и эквивалентная схема вертикальной электрической антенны и входного усилительного каскада (б).
обычно размещают на значительном удалении от мощных потребителей электроэнергии и линий электропередач, в то время, как система сбора в составе АЦП и компьютера-сборщика данных должна находиться в помещении обсерватории. При таком подключении потенциал земной поверхности в месте установки антенны может отличаться от потенциала заземления обсерватории из-за токов от заземлений мощных потребителей. В этом случае при соединении заземления антенны с заземлением обсерватории возникнет помеха с частотой 50 Гц, которая бывает настолько сильной, что делает невозможным регистрацию Е. Для исключения влияния разности потенциалов между заземлениями антенны и обсерватории последние должны быть гальванически разделены. Такое разделение может быть реализовано либо в схеме АЦП, как, например, это сделано в [12], либо при помощи изолированного аналогового усилителя типа AD210 [13].
Таким образом, для проведения совместных измерений вертикальной электрической и горизонтальных магнитных компонент полей, порождаемых естественными и искусственными источниками КНЧ-СНЧ диапазона в волноводе Земля-ионосфера, необходимо ввести в практику наземных геофи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.