Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование тонкой временной структуры сигналов немолниевого радиоизлучения по результатам наблюдений за грозовыми процессами

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование тонкой временной структуры сигналов немолниевого радиоизлучения по результатам наблюдений за грозовыми процессами"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ!! ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСП1ТУТ

(РГГМИ)

РГ6 од

_ ,,, На правах рукописи

I О 1ЛДП ¡^о

Аль-ЕухсГфи Махыоб Хизам

УДК 551.508 + 621.396.969

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОЙ ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ СИГНАЛОВ НЕМОЛНИЕВОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАБЛЮДЕНИЙ ЗА ГРОЗОВЫМИ ПРОЦЕССАМИ

11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в Российском государственном гидрометеорологическом институте.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Л.И.Дивинский.

доктор физико-математических наук, профессор И.А.Степанюк;

кандидат физико-математических наук, профессор Н.С.Коковин.

Научно-исследовательский центр дистанционного зондирования атмосферы при Главной геофизической обсерватории им. А.И.Воейкова

Защита диссертации состоится "-/3" ¿¿/Ш& 1996 г в УЗ часов СОмин. на заседании специализированного Совет: К.063.19,01 при Российском государственном гидрометеорологическо«, институте по адресу: 195196 г. Санкт-Петербург, Малоохтинскш проспект д.98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российской государственного гидрометеорологического института.

Автореферат разослан 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат физико-математических наук.

Еникеева В.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Среди многообразных метеорологических явлений, способных ¡»нести ущерб хозяйственной деятельности человека в различных граслях, одно из видных мест занимают метеорологические явления, мзаиные с электрическими процессами ч атмосфере, в том числе с Розовыми процессами.

Общеизвестна опасность молниевых разрядов для самолетов и ругих летательных аппаратов. Опасно не только прямое поражение шолета молнией - опасны даже близкие молниевые разряды, шстственпые за появление быстро меняющихся электрических и апштных полей, а также широкополосного радиоизлучения. При лизкмх молниевых разрядах напряжения и токи, наводимые в цепях 1сктроиных приборов летательного аппарата, могут оказаться эпоставимыми по уровню с полезными сигналами и привести к сбоям в аботе электронного оборудования. Последствия подобных сбоев ¿предсказуемы, и они могут быть причиной серьезных летных ронсшествни и даже катастроф.

Грозовые процессь. наносят существенный ущерб предприятиям:

- лесного хозяйства, из-за возгорания лесных массивов в езультате молниевых ударов;

- горнорудной промышленности, из-за непреднамеренных, незапных срабатываний взрывных устройств в карьерах, приводящих к еловеческим жертвам и гибели технических устройств;

- энергетики, из-за неожиданных, незапланированных отключений истем энер! ©снабжения и повреждения высоковольтного борудования;

- связи, из-за повреждений кабельных магистралей и аппаратуры вязи.

Однако, как показывает практика, не во всех случаях опасными вляются только грозовые облака, в которых возникают молниевые азряды. Так обычно грозовые облака пилоты самолетов бнаруживают на значительном удалении с помощью бортовых адиолокаторов или даже просто визуально. Это позволяет принимать воевременные решения об их облете и продолжать полет, не риближаясь к грозовым облакам ближе, чем на 15 км, как это редписывается инструкциями, либо (если облет невозможен) ыполнить посадку на запасном аэродроме или возвратиться в аэропорт ылета. Поэтому, как гоказывает статистика, самолеты относительно едко поражаются молниями в грозовых облаках. Как отмечают 1.М.Имянитов, Б.Ф.Евтеев и И.И.Камалдина (Главная Геофизическая )бсерватория (ГГО) им. А.И.Воейкова), "... в 46% случаев поражения амолетов молниями на экране самолетного радиолокатора засветок ообще не наблюдалось, в 13% случаев наблюдались засветки егрозового характера, в 37% - засветки в стороне от трассы более чем в

10 км и только в 4% случаев самолет был поражен в зоне засветки". Отмечаются многочисленные случаи поражения самолетов молниевыми разрядами в холодное время года, когда грозовые процессы практически не наблюдаются.

Причина подобных явлений видится во взаимодействии подлетающего к облаку, ':ак правило, электрически заряженной; самолета с разделенными электрическими зарядами облака. Процесс разделения электрических зарядов в облаке не всегда завершается егс переходом в грозовое' состояние. Не исключены такие варианть развития, облака, при которых в нем происходит разделсши электрических зарядов, но мера их разделенности, объемы облает! разделенных зарядов, напряженность электростатического пол) оказываются недостаточными для поддержания процесса формнровапи: молний. Даже если в подобном облаке не возникают молнпевы! разряды, оно может оказаться потенциально молниеопасным дп: подлетающих самолетов. Не исключены ситуации, при которы: электрически заряженный самолет, подлетая к зоне облачной электрического заряда противоположного знака, увелпчи напряженность поля до критического, пробойного значения, и тогд; произойдет атмосферный электрический разряд - молния, поражающа самолет.

Некоторая часть подобных негрозовых, но потенциалы! молниеопасных облаков может быть выявлена, так как они являютс источниками сигналов радиоизлучения, обусловленног происходящими в облаках мелкомасштабными разрядами, п перерождающимися в молнии. Тот факт, что облако, еще до того ка оно перейдет в грозовое состояние, начинает излучать радиоволны широком диапазоне частот в форме кратковременных пакетов коротки импульсов, впервые описан К.Л.Зонге и В.Г.Эвансом еще в 1966 г.

Впоследствии радиоизлучение, предшествующее появл сит молниевых разрядов, исследовалось в Российском государстг :шю гидрометеорологическом институте (Л.Г.Качурин, л.И.Дивинскт Б.Д.Иванов, Ю.Г.Осипов и др.), в Высокогорном геофизическо институте (г. Нальчик) (А.Х.Аджиев, М.Н.Бейтуганов, М.И.Кармо Х.Х.Медалиев, С.М.Сижажев и др.).

Однако надежно определять координаты источник« немолниевого радиоизлучения можно, лишь располагая достаточ! точными сведениями о характеристиках излучаемых сигналов. В связи этими обстоятельствами становится понятной цель данной работы.

Цель работы

Основной целью диссертационной работы является исследован немолниевого радиоизлучения электрически активных облаке направленное на изучение особенностей временных, спектральных энергетических характеристик излучаемых сигналов; сопоставлен мощностных характеристик сигналов немолниевого радноизлучеш

наблюдаемых в различных географических условиях пои неодинаковой методике наблюдения и различных способах регистрации сигналов; разработка рекомендаций, позволяющих осуществить поиск квазиоптнмальных алгоритмов приема 'сигналов немолниевого радиоизлучения.

Методы научного исследования

Л В последние годы появилась возможность получить значительно 5гаее полное представление об особенностях излученных сигналов, возникающих при мелкомасштабных электрических разрядах. Это объясняется появлением новых методов и технических средств регистрации сигналов. В недавнем прошлом прием сигналов в радиочастотном диапазоне сопровождался их детектированием и последующей регистрацией огибающей. Сейчас во время экспериментов имелась возможность использовать быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) напряжения, сопряженный с 1ВМ-386 и позволяющий регистрировать до 65536 отсчетов с временным интервалом 100 нс (с тактовой частотой 1С МГц). Применение этого регистрирующего устройства позволило получить информацию о напряжении, наблюдаемом на линейном (преддетскторном) выходе приемника прямого усиления. Анализ сигналов, зарегистрированных при применении- подобного АЦП, позволяет выявить структурные особенности радиоизлучения, которые необнаружимы при использовании старых методов и технических средств регистрации.

В результате экспериметов, проведенных в РГГМИ (г.Санкт-Петербург) и в Институте физики атмосферы (г.Оберпфаффенхофен, Германия) были получены экспериментальные данные в виде записей на магнитном носителе информации (на дискетах). При анализе полученной информации использовались методы спектрального и регрессионного анализа, а также известный в математической статистике метод Монте-Карло.

Задачи научного исследования

В соответствии с поставленной целью работы и методами ее проведения, задачами исследования явились:

1. Разработка комплекта программ для ЭВМ, обеспечивающих восстановление в числовой форме данных о значениях выходного напряжения приемника и визуализацию полученной информации.

2. Исследование особенностей прохождения широкополосного сигнала немолниевого радиоизлучения через приемный тракт аппаратуры и калибровка приемного тракта по известным параметрам искусственного широкополосного сигнала.

3. Оценка погрешностей, возникающих при восстановлении параметров сигналов немолниевого радиоизлучения облаков по результатам их регистрации с учетом шумовых компонент,

суммирующихся с полезным сигналом. К шумовым компонентам отнесен собственный шум приемного тракта V шум квантования, связаннчй с работой аналого-цифрового преобразователя.

4. Огенка спектральной плотности напряженности поля на частоте настройки приемника и ее сопоставление с известными значениями этой величины, полученными для других физико-географических условий.

5. Анализ спектральных характеристик длительных сигналов немолниевого радиоизлучения об таков.

6. Разработка рекомендаций по использованию полученных результатов, при- создании аппаратуры, предназначенной для обнаружения молниеопасных зон пространства.

На защиту выносятся:

- результаты исследований немолниевого радиоизлучения облаков, выполненных с использованием ..овых средств регистрации излучаемцх сигналов, в том числе результаты исследования спектральных и энергетических характеристик излученных сигналов;

- обоснование широкоголосного характера длительных импульсов немолниевого радиоизлучений, наблюдаемого на выходе радиоприемных устройств в виде напряжения, огибающая которого имеет несколько максимумов.

Научная новизна

Научная новизна видится В результатах анализа спектральных особенностей сигналов немолниевого радиоизлучения, имеющих на выходе радиоприемного устройства форму длительных импульсов. В результате, выполненных исследований показано, что сигналы немолниевого радиоизлучения^ наблюдаемые на выходе приемного устройства в виде длительных импульсов с несколькими максимумами огибающей, как правило, являются суперпозицией откликоз радиочастотного тракта на последовательно возникающие сигналы широкополосного радиоизлучения, не содержащего узкополосной (резонансной) компоненты. Кроме, того, впервые проведен анализ характеристик сигналов немолниевого радиоизлучения, наблюдавшихся во время зимней грозы и зарегистрированных с использованием новых технических средств. Выполнено сопоставление полученных результатов с параметрами сигналов гроз, наблюдавшихся в теплый период года в других географических условиях.

Обоснованность и достоверность результатов

Обоснованность и достоверность результатов обуславливается репрезентативностью выборок данных, характеризующих сигналы немолниевого радиоизлучения и проверкой соответствующих статистических гипотез. Кроме того, по ряду параметров исследуемых

;игналов, индифферентных к методу регистрации, например, по такому тараметру, как спектральная плотность напряженности электрического юля излученного сигнала на частоте настройки приемника, оказалось зозможным сопоставление полученных данных с результатами других »второв, и установлено их хорошее взаимное соответствие.

Практическая ценность

Результаты йыполиенно'-о исследования могут быть использованы 1ри разработке устройств, предназначенных для определения местоположения электрически активных областей пространства, в которых возникают мелкомасштабные внутрноблачные. разряды, этпетственные за появление' сигналов немолниевого радиоизлучения. Эбнаружение таких областей пространства и определение координат потенциально молниеопасных для самолетов зон представляется практически значимым для авиации.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на Ученом Совете РГГМЯ, на научных семинарах каферды ЭФА, а так;:;е опубликованы в тезисах докладов Итоговой сесси Ученого Совета РГГМИ.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, написанных на 216 листах машинописного текста. В диссертации 146 страниц текстового материала, 49 рисунков, 15 таблиц и список литературы, содержащий 74 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность избранного направления научного исследования. Приводятся данные о негатипных последствиях атмосферных электрических процессов; а также статистические сведения, показывающие, что молниеопасными являются не только облака, в которых происходят молниевые разряды. Обосновывается целесообразность поиска методов и технических средств, обеспечивающих выявление негрозовых, но потенциально молниеопасных облаков. Приводится обоснование возможности использования немолниевого радиоизлучения для обнаружения электрически активных облаков с разделенными электрическими зарядами. Делается вывод о необходимости уточнен;« параметров сигналов немолниевого радиоизлучения облаков по данным, зарегистрированным с использованием специализированного

быстродействующего аналого-цифрового преобразователя, сопряженного с ЭВМ IBM-386 и способного с тактовой частотой, равной 10 МГц, осуществлять преобразование в числовую форму и запоминание данных о выходном напряжении, возникающем на радиочастотном выходе приемника.

Первая глава носит обзорный характер. В ней анализируются современные представления oG электрических процессах, происходящих в атмосфере. Рассмотрены характеристики электростатического поля Земли при безоблачном небе и приведены сведения о существующих теориях, в которых объясняются причины его возникновения. Выполнен краткий обзор процессов, приводящих к разделению электрических зарядов в облаках.

В последние годы благодаря работам, выполненным сотрудниками ГГО (С.М.Гальперин, Л.В.Кашлева и др.) были исследованы статистические связи радиолокационных характеристик облаков с процессами' электризации. Экспериментально была доказана весьма высокая мера изменчивости электрической структуры облачности в пространстве i. во времени.

Очень существенной особенностью электрически активного облака является наличие в нем' зон неоднородностей электрического заряда. Впервые эксперьментапьно наличие зон неоднородностей было установлено во время полетов самолета-лаборатории в развивающихся облаках, находящихся в предгрозовом состоянии. Эти исследования выполнялись в ГГО ьм. А.И.Воейкова сотрудниками отдела атмосферного электричества Б.Ф.Евтеевым, И.М.Имянитовым, И.И.Камалдиной, Т.В.Лободиным, В.В.Михайловской, Е.В.Чубариной и другими. Именно зоны неоднородности электрического заряда ответственны за появление сигналов немолниевого радиоизлучения, возникающего при мелкомасштабных разрядах между близко расположенными областями зарядов различных знаков.

Пргводятся результаты анализа физических процессов, происходящих в каналах атмосферных электрических разрядов. Эти явления исследовались сотрудниками Радиотехнического института им. акад. А.Л.Минца РАН В.Е.Бондаренко, Э.И.Дубовым В.ЕПряжинским и др., а из зарубежных ученых - М.А.Юманом и Р.Л.Вошаллом и др. Ими выполнены расчеты, позволяющие понять каким образом формируется канал сильноточного атмосферного разряда и чему равны различные электродинамические характеристика газовой среды канала, а также воздушной среды в ближайшей егс окрестности на разных стадиях развития канала. Полученные npt расчетах параметры газовой среды каналов молниевых разрядо1 находятся в хорошем соответствии с результатами непосредственны) экспериментальных наблюдений за молниями, приведенными в работа; Г.Н.Александрова, Э.М.Базеляна, В.С.Комелькова, Н.В.Красногорской А.В.Шкилева, М.А.Юмана и др.

Значительны успехи, достигнутые в радиолокационнол зондировании грозовых очагов. Радиолокация каналов молниспы:

разрядов и исследования радиоизлучения, сопровождающего электрические атмосферные разряды, выполнялись научными коллективами РГГМИ (Л.Г.Качурин, Л.И.Дивинский, Б.Д.Иванов, Ю.Г.Осипов, А.В.Белоцерковский и др.), ГГО им. А.И.Воейкова (В.Д.Степаненко, С.М.Гальперин, В.Н.Стасенко и др.), Высокогорного геофизического института (А.Х.Аджиев, М.Н.Бейтуганов, М.И.Кармов, С.М.Сижажев и др.), а »а рубежом - В.Д.Мазуром, Д.Проктором и др. -

Обобщая результаты аналитического обзора, выполненного в первой главе, сделан вывод о целесообразности продолжения работ, направленных на исследование н?Молниевого радиоизлучения электрически активных облаков. Обосновывается предположение, что сигналы немолниевого радиоизлучения могут рассматриватся как один из немногих предикторов, позволяющих выявлять негрозовые, но потенциально молниеопагные для самолетов облака с разделенными электрическими зарядами.

Во второй главе приведено описание аппаратурного комплекса, использованного при проведении экспериментальных исследований. Аппаратура разрабатывалась в соответствии с соглашением о научном сотрудничестве между РГГМИ и Германским Институтом Физики Атмосферы (ИФА). Программа научного сотрудничества предполагала развертывание силами РГГМИ и ИФА в Баварии (Германия) системы многопунктной пеленгации источников сигналов немолниевого радиоизлучения. В соответствии с планами этих работ в РГГМИ были изготовлены приемные устройства, а также устройства, обеспечивающие сопряжение приемников с ЭВМ. В ЭВМ германской стороной была установлена встроенная специализированная плата быстродействующего аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В РГГМИ были разработаны программы, обеспечивающие обработку информации и определение координат источника немолниевого излучения. ИФА (Германия) выделила четыре компьютера, со специализированными платами быстродействующего АЦП; приборы для формирования сигналов единого времени; обеспечила техническое оборудование пунктов приема сигналов с подведенными к ним каналами компьютерной связи.

Разработанные радиоприемные устройства представляют собой высокочувствительные приемники прямого усиления, настроенные на частоту 2182 кГц. На этой частоте, в соответствии с решением Международной Женевской Комиссии по распределению радиочастот, разрешено излучение только для передачи сигналов бедствия передатчиками морских судов и, в виде исключения, передатчиками спасательных служб во время спасательных работ при условии, что на остальных частотах, выделенные этой службе, радиосвязь из-за помех невозможна.

При появлении мелкомасштабного канала атмосферного разряда на выходе линейной части радиоприемного тракта возникает кратковременный радиочастотный импульс напряжения. Если выходное напряжение приемника превысит пороговый уровень, то пункт приема

переходит в режим преобразования и запоминания информации. Запоминается момент времени, в который произошло первое преобразование выходного напряжения приемника в 8-ми разрядный двоичный код с дискретностью отсчетов 0.1 мкс. Кроме того, запоминаются коды 256 отсчетов выходного напряжения приемника, преобразованного АЦП с временным интервалом, равным 0.1 мкс.

Приемные пункты могут функционировать в автономном режиме, не рассчитанном на работу в единой системе многопунктной пеленгации. В этом случае количество преобразуемых отсчетов напряжения может превышать 256. В таком режиме число отсчетов определяется программой, введенной в ЭВМ и, через ЭВМ, в плату быстродействующей АЦП.. Предельная возможность - запоминание 65536 отсчетов напряжения, определяется емкостью внутренней оперативной памяти платы АЦП. Плата АЦП позволяет запомнить и' сохранить в памяти программно заданную совокупность отсчетов, предшествовавшую моменту, в который был превышен пороговый уровень.

В третьей главе выполнен диализ результатов экспериментальных исследований сигналов немолниевого радиоизлучения,' наблюдавшихся на этапах настройки аппаратуры в г. Санкт-Петербурге и в ИФА (г. Оберпфаффенхофене), а также во время грозового процесса 26 января 1995 г.

Приводятся типичные формы сигналов, наблюдаемых во время экспериментов. Наряду с полезными сигналами, обусловленными мелкомасштабными внутриоблачными разрядами, иногда появляются также и напряжения, связанные с различными сторонними источниками излучения. Это радиоизлучение, имеющее характеристики, существенно отличающиеся от сигналов немолниевого типа, может сравнительно просто отфильтровываться при анализе.

Наиболее существенные для анализа материалы были получены во время зимней грозы 26 января 1995 происходившей в облаке, центр области максимальной отражаемости которого находился в 24 километрах от пункта наблюдения.

В третьей главе выполнена оценка погрешностей, допускаемых при восстановлении аналоговой структуры выходного напряжения приемника по известным дискретным отсчетам. При частоте выходного сигнала f0 = 2182 кГц и периоде преобразования напряжения Тр = 100 не на один период синусоидального напряжения приходилось в среднем примерно 4,58 отсчетов. Для восстановления синусоидального напряжения известной частоты /0 достаточно иметь два последовательных его отсчета - t/; в момент времени н (Уг в момент времени t2 = tt + TF Если считать, что выходное напряжение изменяется по синусоидальному закону и равно нулю при / = 0, то

, 1 и, • sin 2nf0To

tt = —— ■ acctg---—, (1)

" • 2nf0 U2 - U, • cos 2nf0Tp

а амплитуда синусоидального напряжения и„, равна:

= —2*—. (2) влп 2

Однако надо учитывать, что измеряемые напряжения {//и и2 не являются точными значениями - они искажены шумовыми составляющими, включающими собственное шумовое напряжение приемника, и шумовое напряжение, обусловленное квантованием напряжения по амплитуде при аналого-цифровом преобразовании.

Выполнен анализ погрешностей оценок амплитуды синусоидального напряжения йт и момента отделяющего момент измерения от .момента пересечения синусоидальным напряжением нулевого уровня. При анализе, выполненном с использованием метода Монте-Карло, предполагалось, что погрешности . АН оденок зарегистрированных значений напряжений и подчиняются нормальному закону распределения со средним значением равным нулю. Среднее квадратическое отклонение АН предполагалось равным трем градациям напряжения АЦП. Установлено, что средние квадратические отклонения оценок йа и ¿2 недопустимо велики, если амплитуда (/„, меньше 30 градаций АЦП. При значениях амплитуды восстанавливаемого сигнала меньших 20-ти градаций АЦП начинает существенно возрастать также среднее квадратическое отклонение оценки

Как показал анализ, в результате вычисления временного интервала I, и амплитуды (/,„ по формулам (1) и (2), если ,и1 и и2 'являются случайными величинами, подчиняющимися нормальному закону распределения, то оценки йт и являются состоятельными и несмещенными.

Рассмотрена задача калибровки приемного тракта. Если для • обычного узкополосного сигнала' калибровка осуществляется сравнительно просто с использованием генератора синусоидальных сигналов, то для широкополосного воздействия такой принцип калибровки неприемлем. Амплитуда выходного сигнала приемника при широкополосном входном сигнале связана прямой пропорциональной зависимостью со спектральной плотностью входного сигнала в полосе частот, усиливаемых радиоприемным трактом. Поэтому для калибровки был сформирован широкополосный сигнал с известными временными характеристиками и вычислена спектральная плотность напряжения калибровочного сигнала на частоте настройки приемника. Калибровочный сигнал в форме импульса с крутым передним и пологим задним фронтами имел спектральную плотность, которая в пределах полосы частот, пропускаемых приемником, менялась не более чем на

1,7%. Воздействие на входную цепь приемника сформированным калибровочным импульсом позволило установить связь между спектральной плотностью напряжения входного широкополосного сигнала и амплитудой выходного радиочастотного импульса. Предполагая, что удаление источников излучения от пункта приема соответствовало расстоянию до центра максимальной отражаемости грозового облака, а также используя известные данные о действующей высоте антенны, было определено приведенное к 10-ти километровому расстоянию значение спектральной плотности напряженности электрического поля сигналов немолниевого радиоизлучения для частоты 2182 кГц. По результатам анализа 1065 зарегистрированных импульсов среднее значение спектральной плотности напряженности электрического поля сигналов немолниевого радиоизлучения, приведенное к 10-ти километровому расстоянию от источника, с доверительной вероятностью 0,95 равно (7,9 ± 0,2) мкВ/(м кГц), а среднее квадратическое отклонение этой величины с той же доверительной вероятностью находится в интервале (4,6 ±0,1) мкВ/(м-кГц). Сопоставление полученных результатов с данными для других регионов (Северного Кавказа и Алазанской долины) указывает на их примерное соответствие по значениям наблюдаемых величин. Так данные по среднему значению амплитуды импульсов немолниевого радиоизлучения, наблюдаемого во время зимней грозы 26 января 1995 г. в г. Оберпфаффенхофене (Германия), примерно соответствуют данным, наблюдавшимся на предгрозовой стадии развития электрически активных облаков и на начальной стадии грозовых процессов во время весенних, летних и осенних гроз в Алазанской долине Грузии и несколько слабее, (примерно в 3,5 раза) среднего значения амплитуды импульсов немолниевого радиоизлучения, наблюдавшегося в Грузии в паузах между молниевыми разрядами в апогее интенсивных грозовых процессов.

Значительное внимание в третьей главе было уделено анализу спектральных характеристик излученных сигналов. Если выходное напряжение приемника, огибающая которого имеет несколько максимумов, узкополосно, то напряжение внутреннего заполнения являттся единой синусоидой для всего сигнала. В этом случае узкополосное радиочастотное колебание описывается аналитической зависимостью вида:

£ - Т31)

и-1

Зал (3) '

где _ х31) ~ огибающая выходного напряжения

' приемника для 1-ой компоненты (импульса);

Т^ - момент начала формирования /-ой

компоненты (импульса) выходного напряжения приемника.

Однако, практически с точно такой же огибающей может наблюдаться сигнал, являющийся результатом воздействия па приемник нескольких широкополосных импульсов, каждый из которых создает на выходе радиоприемного устройства отклик в виде относительно кратковременного радиочастотного импульса. Суперпозиция откликов на широкополосные воздействия создает сигнал:

иЕГ'Ю = I С&^.Дс - ГЛ1) • + Ф1), (4)

1 — 1

где <р1 - фаза /-го колебания.

Таким образом, судить о том, является ли излученный сигнал узкополосным или он - результат суперпозиции нескольких откликов приемного устройства на последовательные широкополосные воздействия, можно, исследуя структуру синусоидального сигнала.

Для того чтобы выяснить, является ли выходное напряжение узкополосным, подчиняющимся уравнению (3), или широкополосным, соответствующим уравнению (4), исследовалась последовательность моментов перехода синусоидального напряжения через нулевой уровень из отрицательной области значений в положительную. Если выходное напряжение узкополосное, то числовые значения /о'/.^ •■•Л. соответствующие моментам перехода выходного радиочастотного напряжения через нулевой уровень из отрицательной в положительную область значений, должны быть членами возрастающей арифметической прогрессии. Если же выходное напряжение приемника является суперпозицией откликов на широкополосные воздействия на входные цепи приемного устройства, то в общем случае моменты ¡0.1.....'п арифметическую прогрессию не образуют.

Однако, как уже упоминалось, из-за погрешностей квантования, возникающих при аналого-цифровом преобразовании, а также в связи с влиянием собственного шумового напряжения приемника, числовые значения преобразованных величин выходного напряжения приемника содержат случайные ошибки. Поэтому при вычислении моментов перехода выходного напряжения через нулевой уровень получаемые оценки {„, £3, £2,..., £п не соответствуют истинным /д,/;,/;,...,/„. Как показал анализ, выполненный методом Монте-Карло, отклонение оценки -¿4 от истинного значения величины является случайной величиной, среднее квадратическое отклонение которой достаточно мало (единицы наносекунд), если амплитуда сигнала превышает 30 градаций напряжения АЦП. Поэтому для выявления, к какому классу должны быть отнесены длительные сигналы немолниевого

радиоизлучения - к классу узкополосных или широкополосных сигналов, был проведен регрессионный анализ. При анализе значения £0, £г, • ■ . , ¿п использовались для поиска уравнения линейной регрессии:

г:

(л(л + 1) А . А .. 1 л(п + 1) А . л(л + 1){2п + 1) ^ .

)*0

}=0

л(л + I) л (л + 1) п(2п + 2)"

2 2 3

(5)

Полученные значения •£■* для целочисленных / = 0, 1, 2,..., п сопоставлялись с оценками £0, £1Г £2, ..., £п. При этом учитывалось, что для узкополосного процесса различие между и £, должно быть невелико для любого / е (0, п) и оно (различие) должно определяться только погрешностями Оценок {.1г связанными с погрешностями квантования при аналого-цифровом преобразовании и с погрешностями, вносимыми собственным шумовым напряжением приемного устройства.

Выполненные расчеты показали, что, как правило, отклонения между ¿' и ■£; существенно расходятся со значениями, позволяющими считать наблюдаемые длительные импульсы, огибающая которых имеет несколько максимумов, узкополосными. Если к моменту появления отклика на каждое последующее воздействие отклик приемной системы на предыдущее воздействие еще не становился исчсзающе малым, то наблюдался плавный, постепенный переход от фазы колебаний, характеризующей предшествующий колебательный процесс к новой фазе колебаний, характерной для последующего колебательного процесса, связанного с новым откликом приемной системы на очередное широкополосное воздействие.

Лишь у очень ограниченной совокупности длительных сигналов немолниевого радиоизлучения расхождения между и £х были столь незначительны, что их можно было считать практически узкополосными, несмотря на их сложную структуру и наличие двух, реже трех, максимумов в огибающей сигнала. Подобные ситуации возникают. Когда моменты появления последовательных широкополосных воздействий случайно разделены временными интервалами, очень близкими к • кратному целому числу периодов колебательного процесса, наблюдаемому на выходе приемного устройства в виде отклика на широкополосное воздействие.

В общем же случае длительные импульсы напряжения на выходе радиочастотного тракта приемной , аппаратуры являются результатом суперпозиции отдельных широкополосных воздействий, возбуждающих колебательный процесс в резонансных цепях приемника. При случайном

моменте появления очередного импульса широкополосного радиоизлучения, когда еще не затух колебательный процесс, связанный с предыдущим входным широкополосным воздействием, происходит плавный переход от одного колебательного процесса к другому. На переходном этапе, когда происходит плавное изменение фазы колебательного процесса, в течение некоторого времени меняется период колебаний и, следовательно, мгновенное значение частоты колебаний. Как показал анализ, мгновенные значения частоты выходного сигнала в приемном устройстве, настроенном на 2182 кГц, находились в интервале от 2165 кГц до 2199 кГц. Это обстоятельство должно учитываться при разработке аппаратуры, обеспечивающей прием и обработку сигналов немолниевого радиоизлучения облаков.

В заключении обобщаются результаты выполненных научных исследований. Отмечается, что проведенные исследования позволили:

1. Разработать комплект программ для ЭВМ, позволяющих обеспечивать считывание, графическое представление и обработку данных, полученных с помощью быстродействующего АЦП при наблюдениях за сигналами немолниевого радиоизлучения и представленных в памяти ЭВМ 1ВМ-386 в символическом виде.

2. С использованием метода Монте-Карло выполнить анализ погрешностей, возникающих при оценке основных параметров выходного сигнала приемника по дискретным отсчетам, имеющимся в памяти ЭВМ. При анализе учитывалось, что представленные в памяти ЭВМ данные искажены из-за влияния собственного шумового напряжения приемника и погрешностей, связанных с квантованием сигнала по уровню.

3. Определить спектральные характеристики сигналов немолниевого радиоизлучения, наблюдавшегося на частоте 2182 кГц в паузах между молниевыми разрядами во время зимнего грозового процесса 26 января 1995 г. в г. Оберпфаффенхофене (Германия). Результаты измерений позволяют утверждать, что параметры мелкомасштабньа внутриоблачных разрядов, наблюдаемых во время зимней грозы в Альпийских предгорьях Баварии, близки к аналогичным параметрам сигналов, излучаемых. при мелкомасштабных разрядах, наблюдавшихся в весенний, летний и осенний периоды года в Алазанской долине Грузии на предгрозовой стадии развития и на начальных стадиях грозового процесса, и в 3-3,5 раза меньше интенсивности сигналов, наблюдавшихся в Грузии в паузах между молниевыми разрядами во время апогея грозовых процессов.

4. Выполнить исследования временных особенностей длительных сигналов немолниевого радиоизлучения, огибающая которых на радиочастотном выходе приемника содержит несколько максимумов, и обосновать широкополосный характер сигнала, воздействующего на вход приемника.

5. Сформулировать рекомендации по некоторый техническим характеристикам аппаратуры, предназначенной для приема сигналов немолниевого радиоизлучения. .