ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 5, с. 90-94
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, ^^^^^^ МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 53.087.44+621.391.812.632
ПРИМЕНЕНИЕ СКАНИРУЮЩЕГО ПРИЕМНИКА WINRADIO G305E В СОСТАВЕ РИОМЕТРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АНОМАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ © 2012 г. М. Е. Шкарбалюк, В. И. Косолапенко, А. Н. Васильев
Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН Россия, 184209, Апатиты Мурманской обл., ул. Академгородок, 26a E-mail: chemaxa@gmail.com Поступила в редакцию 11.11.2011 г.
Приведено описание метода измерения поглощения ионосферой космического радиошума и созданного на этой базе прибора — риометра. В приборе заложена идея записи мощности космического радиоизлучения на нескольких близких частотах из используемого диапазона. В качестве приемника в составе риометра использован промышленно выпускаемый радиоприемник Winradio, модель G305E. Методика измерений позволяет отстраиваться от узкополосных помех, тем самым повышая качество риометрических наблюдений. Прибор установлен в обсерватории "Ловозеро" Полярного геофизического института КНЦ РАН. Прибор отличает относительная простота, высокая надежность и низкие требования к обслуживанию.
ВВЕДЕНИЕ
Радиошумы внеземного происхождения постоянно попадают на верхнюю границу ионосферы в широком диапазоне частот. Мощность этих радиошумов не зависит от времени. Вариации мощности галактического радиоизлучения, наблюдаемые на земной поверхности, в основном определяются изменением поглощения в нижней ионосфере Земли [1].
Для изучения поглощения применяются специальные радиоприемники для непрерывного измерения уровня поглощения космического радиошума в слое Э ионосферы Земли, называемые рио-метрами. Риометр работает в диапазоне 15—50 МГц (часто используемая частота 32 МГц). Принцип его работы основан на сравнении излучения, принимаемого антенной, с излучением шумового диода.
При проведении риометрических наблюдений при отсутствии заметного поглощения в ионосфере уровень мощности космического радиошума принимается (для каждого звездного времени в точке измерения) в качестве отсчета, с которым сравнивается измеряемая величина радиошума и оценивается вклад ионосферы в поглощение.
Измерение поглощения космического радиоизлучения имеет большую ценность для изучения событий, происходящих во время солнечных вспышек и геомагнитных возмущений [1]. К примеру, риометрические данные позволяют определить профили электронной концентрации в нижней ионосфере по поглощению на ряде частот [2], а также изучать авроральное поглощение косми-
ческого радиоизлучения [3], связь между коротковолновыми пульсациями и риометрическим поглощением в ионосфере [4].
Поглощение в ионизованной среде связано с передачей энергии от волны к электронам и потерей энергии при столкновении электронов с нейтральными частицами. Потери энергии, следовательно, зависят от плотности электронов и числа их столкновений с другими частицами (в основном, нейтральными). На больших высотах (к > > 100 км) очень высока плотность заряженных частиц N ~ 105 см-3, на малых высотах (к < 70 км) концентрация электронов является слишком низкой N ~ 10 см-3), зато высока частота соударений
/ > 10 , поэтому между этими крайностями существует область, где потери энергии волны (при взаимодействии электронов с падающей волной и нейтральными частицами) максимальны (70 < к < < 100 км, N ~ 102-103 см-3) [5].
Риометр состоит из антенны, шумового генератора, радиоприемника и регистратора. Коэффициент усиления приемника, входящего в состав риометра, является одной из важнейших характеристик при разработке и изготовлении риометра, и при ее непостоянстве нельзя будет судить о вариациях поглощения. Постоянство фиксированного коэффициента усиления приемника в составе риометра обычно контролируется с помощью периодически подаваемого на вход приемника напряжения от шумового генератора, обладающего неизменным уровнем шумов на выходе [6]. К примеру, компания Ьа1о1а8е1епее производит и
ПРИМЕНЕНИЕ СКАНИРУЮЩЕГО ПРИЕМНИКА WINRADЮ 0305Б
91
Рис. 1. Блок-схема риометра.
продает риометры, построенные на данном принципе [7]. К сожалению, они не имеют возможности работать в режиме сканирования диапазона частот, в результате чего приходится постоянно проводить контроль записываемых данных на наличие помех.
В настоящее время с увеличением количества переносной радиоаппаратуры гражданского применения, работающей в риометрическом диапазоне, увеличилось количество помех, мешающих проводить измерение поглощения космического радиоизлучения на фиксированных частотах этого диапазона. Требуются постоянный контроль оператора за уровнем входного сигнала и при возникновении помех — перестройка риометра на другую частоту. На устаревших моделях риомет-ров, например, РП-1-32, РП-1-40 была лишь ручная перестройка частоты.
Таким образом, возникла необходимость в разработке и создании прибора, который мог бы самостоятельно, без участия оператора вести запись измеренной мощности космического радиошума и отстраиваться от помех. Одним из вариантов решения этой задачи может быть одновременная регистрация радиошума на нескольких близких частотах с последующим выделением канала без помех.
ОПИСАНИЕ ПРИБОРА
В качестве приемника в составе риометра нами был использован промышленно выпускаемый сканирующий, высокостабильный по температуре, супергетеродинный радиоприемник 0305Б производства компании Winradio [8]. Основные причины, повлиявшие на наш выбор, таковы:
1) данный радиоприемник имеет возможность работать в режиме сканирования и позволяет проводить регистрацию аномального поглощения космического радиоизлучения на различных частотах;
2) так как запись сигнала ведется сразу на нескольких частотах, то нет необходимости в постоянном контроле и отстройке приемника от возникшей помехи;
3) имеется возможность настройки приемника для измерения поглощения космического излу-
чения на различных частотах от 10 до 100 МГц, используя соответствующую антенну, предусили-тель и антенный переключатель.
Данный радиоприемник позволяет проводить сканирование радиодиапазона частот от 9 кГц до 1.8 ГГц (предельные частоты сканирования) с шагом перестройки частоты 1 Гц. Чувствительность приемника порядка 1 мкВ, входное сопротивление — 50 Ом.
Диапазон значений мощности космического радиошума порядка 3—40кТ0 (где к — постоянная
Больцмана, Т0 = 293 К) [6]. У приемника ^'тга-dio, к сожалению, приведенный ко входу собственный шум больше, чем измеряемые естественные шумы, поэтому потребовалось разработать предварительный усилитель с минимальным уровнем шумов.
Таким образом, полоса частот, используемых при измерениях, и минимальный уровень мощности шумов будут определяться предусилите-лем. В нашем приборе уровень мощности собственных шумов предусилителя составил около 3кТ0, полоса частот выбрана 31—33 МГц.
На рис. 1 представлены основные функциональные блоки риометра: предварительный усилитель с калибратором, приемник Winradio 0305Б и компьютер для сбора данных.
Предварительный усилитель выполнен по классической двухтактной резонансной схеме с трансформаторным входом и выходом на малошумящих р—п—р-транзисторах.
Принципиальная схема предварительного усилителя приведена на рис. 2.
Предварительный усилитель выполнен на транзисторах Т1 и Т2, выходной резонансный контур — на элементах Тр2, С1, С2, а на транзисторах Т3 и Т4 — составной эмиттерный повторитель для согласования выходного сопротивления предусили-теля и входного сопротивления приемника Шпга-dio. Входное сопротивление предварительного усилителя 75 Ом, выходное — 50 Ом, коэффициент усиления ~100 на частоте 32 МГц.
Амплитудно-частотная характеристика системы, состоящей из предусилителя и приемника, получена следующим образом: на вход предусилите-ля был подан широкополосный шумовой сигнал
92
ШКАРБАЛЮК и др.
Рис. 2. Принципиальная схема предварительного усилителя. Т1—Т3 — КТ3127А, Т4 — КТ610А.
Ед. АЦП 10000 г
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
10001-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
31.0 31.2 31.4 31.6 31.8 32.0 32.2 32.4 32.6 32.8 33.0
Частота, МГц
Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика системы.
при сканировании приемником диапазона частот 31—33 МГц с шагом 20 кГц. Полученная характеристика (в единицах аналого-цифрового преобразователя АЦП) приведена на рис. 3. Из этого рисунка видно, что максимальное значение коэффициент усиления принимает в пределах полосы частот 31.8—32.2 МГц.
Принцип работы устройства следующий. Сигнал с антенны поступает на вход предусилителя, затем на вход приемника Winradio 0305Е. При измерениях радиоприемник проводит сканирование диапазона частот 31.8—32.2 МГц с шагом перестройки частоты 20 кГц. После оцифровки встроенным АЦП приемника отсчеты напряжения второй промежуточной частоты для каждой
частоты из сканируемого диапазона после обработки синхронизируются с временем и сохраняются в компьютере. Затем этап сканирования повторяется.
Встроенный аналого-цифровой преобразователь приемника Winradio имеет частоту дискретизации 64 кГц. Регулируя количество полученных отсчетов для каждой конкретной частоты из диапазона, можно регулировать время сканирования всего диапазона. Опираясь на результаты экспериментов, в нашем случае мы используем 10000 отсчетов для усреднения, так как такое количество является оптимальным, не требует много времени для сканирования диапазона и достаточ-
12000 10000 8000 fc 6000 fcj 4000 ^ 2000
g 0 д
¡3 12000 10000
x В
о
8000 6000 4000 2000 0
0
£
g
A H О О X
3
о
1
нТл
400 200 0 200 400
0
ПРИМЕНЕНИЕ СКАНИРУЮЩЕГО ПРИЕМНИКА WINRADIO G305E
Lovozero 15082011 CHNL 13 32.04 MHz
93
Lovozero 15082011 CHNL 20 32.2 MHz
XJL
8
-1— 12
16
20
Время (иТ), ч
Рис. 4. Образец суточной записи риометра на двух частотах 15.08.2011.
Lovozero, 20110929, Riometer, CHNL4 (31.86 MHz)
Kiruna, Riometer (32 MHz)
32.2
—i 24
r 12
~r 16
~r 20
24
Время (UT), ч
Рис. 5. Риометрические данные обсерваторий "Кируна" и "Ловозеро" и данные магнитовариационной станции (MVS). D, H и Z — компоненты магнитного поля: склонение, горизонтальная и ве
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.