close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Совета муниципального образования кореновский район;pdf

код для вставкиСкачать
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
СВЕРХДЛИННОВОЛНОВЫХ РАДИОСИГНАЛОВ
А.С. Полетаев, Д.А. Токмачев, А.Г. Ченский
Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83,
E-mail: [email protected]
1
Приведена структура измерительного комплекса наклонного зондирования ионосферы в СДВ диапазоне.
Описано устройство синхронизации разнесенных СДВ приемников. Нестабильность генератора синхросигнала
составляет 1.7∙10–7, что позволяет измерять фазу сигналов в ОНЧ диапазоне с точностью не хуже ±0.93°. Также
приведены возможная схема размещения приемников интерферометра и ориентировочные значения его баз.
INTERFEROMETRIC MEASUREMENTS OF THE VERY LOW FREQUENCY RADIO WAVES
A.S. Poletaev, D.A. Tokmachev, A.G. Chensky
The article presents the measuring system of oblique ionosphere sounding over Very Low Frequency (VLF)
range. The synchronization device of the remote VLF receivers is described. Short-time instability of clock signal is
about 1.7∙10–7, which makes possible to determine phase of VLF signals with accuracy better than ±0.92°. The location map of interferometer receivers and approximate values of its bases are also presented.
Введение
Метод наклонного зондирования ионосферы в сверхдлинноволновом (СДВ) диапазоне не
перестает привлекать внимания исследователей. СДВ радиоволны, распространяясь в сферическом волноводе Земля-ионосфера, претерпевают изменения амплитуды и фазы под воздействием
различных флуктуационных процессов в ионосфере [1].
Наиболее интересным представляется проявление сейсмо-ионосферного эффекта, заключающегося в возникновении локальных неоднородностей ионосферы за несколько дней до землетрясения
над его эпицентром. При этом наблюдаются «бухтообразные» вариации фазы сигналов, для которых
область ионосферной неоднородности оказывается в пределах третьей зоны Френеля [2]. Механизм
возникновения ионосферных аномалий в период подготовки землетрясений остается малоизученным.
Для того чтобы локализовать область ионосферной неоднородности, создающую возмущение сигнала, и оценить ее размеры, необходимо выполнять измерение напряженности поля в нескольких точках, удаленных друг от друга на расстояние, много большее длины волны сигнала [3].
Сверхдлинноволновый интерферометр представляет собой сеть приемных СДВ станций, производящих синхронный прием и оцифровку зондирующих радиосигналов. Инструменты мониторинга
ионосферы в СДВ диапазоне используют, как правило, в качестве зондирующих сигналы радионавигационных систем.
Структура измерительного комплекса
Измерительный комплекс, описанный в [4], позволяет проводить лишь регистрацию амплитуды СДВ сигналов. Однако к проявлению сейсмо-ионосферных эффектов более чувствительным
параметром оказывается фаза сверхдлинных волн.
При измерениях фазы СДВ сигналов важным моментом является дрейф во времени дискретизирующих импульсов тактового генератора аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Кратковременные флуктуации фазы несущей частоты СДВ сигналов в канале Земля–ионосфера, возникающие вследствие мелкомасштабных ионосферных возмущений (к примеру, Тримпи-эффект),
могут составлять менее 5°. При точности измерения фазы 0.108° сигнала частоты 30 кГц отклонение временного отсчета составляет 10 нс. Этот показатель соответствует относительной погрешности частоты тактового генератора (нестабильность) АЦП в 10−8.
На рис. 1 приведена структурная схема СДВ приемника. Прием сигналов осуществляется с
помощью двух ортогональных рамочных антенн. Одна антенна ориентирована в направлении север–юг, другая – в направлении запад–восток. Каждая антенна содержит 200 витков медного провода. Омическое сопротивление рамок равно 85 Ом, индуктивность – 46 мГн. Близость земной по276
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
верхности, а также металлических конструкций (крыша здания) приводит к искажению диаграммы направленности антенн, имеющих форму «восьмерки». Использование алюминиевого экрана
рамок позволяет выровнять диаграммы направленности.
Антенна
GPS
Устройство
синхронизации
+5В
SSD
накопитель
RS-232
GU=50 дБ
16… 28 кГц
fд=200 кГц
Канал 1
1 PPS
АЦП
L-card
E14-440
Канал 2
КР538УН3А
SATA II
USB
Одноплатный
компьютер
Advantech
MIO-5270
+12В
MAX275
+12В
БП
БП
~220 В
~220 В
Выносной блок
Центральный блок
Рис. 1. Структурная схема СДВ приемника
В непосредственной близости от антенн находятся предварительные усилители, выполненные на малошумящих микросхемах КР538УН3А. При использовании низкоомного источника сигнала (сотни ом) уровень шумов усилителя составляет 2 нВ/√Гц. Коэффициент усиления по напряжению регулируется и выставлен равным 50 дБ.
Усиленный сигнал передается по коаксиальному кабелю на вход антиалиасингового фильтра, выполненного на микросхеме MAX275. Данная микросхема является полностью аналоговой,
что позволяет минимизировать уровень внутренних шумов фильтра. Полоса пропускания фильтра
составляет 16−28 кГц.
Оцифровка сигнала осуществляется по двум каналам с помощью платы сбора данных L-Card
E14-440. Оцифрованные данные передаются по шине USB в одноплатный компьютер Advantech
MIO-5270, где в режиме реального времени осуществляется предварительная обработка сигналов
в среде LabVIEW. Виртуальный приемник в LabVIEW выполняет вычисление среднего за односекундную выборку значения амплитуды и фазы сигналов СДВ станций, которые затем записываются в текстовые файлы на SSD накопитель.
Проблема измерения дрейфа фазы СДВ сигналов в волноводе Земля-ионосфера заключается
в том, что сигналы выбранных навигационных СДВ радиостанций манипулированы по частоте
методом MSK [4]. Поэтому для устранения скачков фазы несущей вследствие манипуляции применен специально разработанный алгоритм [5].
Ключевым моментом интерферометрических измерений является устройство синхронизации удаленных СДВ приемников, структурная схема которого показана на рис. 2. Данное устройство содержит GPS модуль, программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), генератор, управляемый напряжением (ГУН), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и драйвер RS232. Для стабилизации частоты выходных синхроимпульсов применен метод импульсно-фазовой
автоподстройки частоты (ИФАПЧ). При этом часть кольца ИФАПЧ (счетчик, кодер, делитель частоты) реализована с помощью ПЛИС.
Импульсы с выхода ГУН поступают на вход счетчика. Состояние счетчика контролируется
последовательностью импульсов 1 PPS, приходящих с выхода модуля GPS. С каждым импульсом
1 PPS счетчик обнуляется, а результат счета передается кодеру. В кодере производятся операции
сравнения кодов: кода номинального значения частоты 20 МГц (эталонный код) и кода, снимаемого со счетчика (код текущего значения частоты ГУН).
277
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
ПЛИС
GPS
Антенна
Делитель
частоты
GPS
модуль
Счетчик
Кодер
Драйвер
RS-232
ГУН
20 МГц
ЦАП
16 бит
200 кГц
1 PPS
RS-232
Рис. 2. Структурная схема устройства синхронизации сверхдлинноволнового интерферометра.
По результату сравнения кодер формирует соответствующий код коррекции напряжения
ГУН, который с помощью ЦАП преобразуется в управляющее напряжение. Частота ГУН поддерживается напряжением с выхода ЦАП, изменение управляющего напряжения происходит с периодичностью в одну секунду (с каждым импульсом 1 PPS). Одновременно с этим в ПЛИС импульсы ГУН поступают на делитель частоты, на выходе которого формируются 200 кГц импульсы, использующиеся в дальнейшем в качестве сигнала внешней синхронизации запуска АЦП. При
оцифровке СДВ сигналов по двум каналам (от двух антенн) частота дискретизации по каждому
каналу составляет 100 кГц.
Старт сбора данных начинается по приходу импульса 1 PPS на цифровой вход L-Card, а подстройка системного времени одноплатного компьютера осуществляется по данным GPS модуля,
передаваемым через COM-порт. Таким образом, не зависимо от момента включения каждого отдельного СДВ приемника сбор данных выполняется синхронно.
Дрожание фазового фронта (джиттер) синхросигнала определяется ошибками привязки GPS
модуля к времени UTC и задержками в ПЛИС. Для выбранных микросхем величина джиттера не
превышает 150 нс. Возможная плавающая задержка запуска АЦП в L-card E14-440 составляет 1
такт цифрового сигнального процессора и равна 20.83 нс. Суммарная величина джиттера составляет 170.83 нс, что соответствует нестабильности частоты в 1.7∙10−7 в течение одной секунды.
Максимальная ошибка измеренной фазы ОНЧ сигналов составляет ±0.9225°.
СДВ приемники при размещении в пунктах Бадары, Торы, Иркутск, Теплоэнергетик, Сарма,
Максимиха образуют шестиэлементный интерферометр и базами, указанными в таблице. На рис. 3
на карте отмечены возможные пункты приема и показаны трассы прохождения СДВ сигналов по
большому кругу. Также рядом с трассами указаны идентификаторы приемных станций. Ширина
третьей зоны Френеля СДВ сигналов в пунктах приема превышает 30 км.
Примерные значения баз интерферометра (км)
Бадары
Торы
Иркутск
Теплоэнергетик
Сарма
Максимиха
Бадары
−
55
151
180
348
473
Торы
55
−
100
128
298
421
Иркутск
151
100
−
29
198
322
278
Теплоэнергетик
180
128
29
−
172
294
Сарма
348
298
198
172
−
128
Максимиха
473
421
322
294
128
−
РРВ-24
Распространение радиоволн и дистанционное зондирование верхней атмосферы
и космического пространства
___________________________________________________________________________________________
Рис. 3. Пересечение трасс принимаемых СДВ сигналов.
Образующаяся сеть пересеченных трасс позволяет оценить границы ионосферных неоднородностей, возникающих вблизи оз. Байкал. Для тех трасс, у которых неоднородность попадает в
третью зону Френеля, будет наблюдаться отклонение амплитуды и фазы сигналов по сравнению
со случаем невозмущенного распространения. При этом параметры сигналов, распространяющиеся по соседним трассам, не претерпевают аномальных изменений.
Заключение
Представленный сверхдлинноволновый интерферометр позволит проводить долговременный мониторинг ионосферы в СДВ диапазоне. Уникальность комплекса заключается его в особом
расположении. Такие измерения амплитуды и фазы СДВ сигналов позволяют исследовать проявление сейсмо-ионосферных эффектов вблизи озера Байкал. Сверхдлинноволной интерферометр
является хорошим дополнением комплекса измерения геофизических полей [6].
ЛИТЕРАТУРА
1. Нестеров В.И. Основные направления исследования распространения радиоволн
СДВ-диапазона в Дальневосточном регионе // Физика волновых процессов и радиотехнические
системы. 2009. Т. 12, № 1. С. 91–98.
2. Сливинский А.П. О возможности краткосрочного прогноза разрушительных землетрясений
по сигнальной информации сверхдлинноволновых передатчиков / А.П. Сливинский, Ф.И. Бушуев,
Н.А. Калюжный, Ю.М. Образцов, А.В. Шульга // Геофизический журнал. 2006. Т.28, № 2. С. 109–117.
3. Peter W.B. A quantitative comparison of lightning-induced electron precipitation and VLF
signal perturbations / Peter W.B., Inan U.S. // J. Geophys. Res.: Space Physics (1978–2012), 2007. V. 112,
iss. A12. doi:10.1029/2006JA012165.
4. Полетаев, А.С. Мониторинг ионосферных возмущений когерентными сигналами СДВ
радиостанций. В сб.: Взаимодействие полей и излучения с веществом. Сборник трудов XIII
Конференции молодых ученых / А.С. Полетаев, А.Г. Ченский, Д.А. Токмачев. Иркутск, 2013. С. 198.
5. Пат. Российская Федерация, МПК H04L27/14. Способ демодуляции сигналов с
минимальной частотной манипуляцией и устройство для его осуществления / Засенко В.Е.,
Полетаев А.С., Ченский А.Г.; заявитель и патентообладатель Иркутский государственный
технический университет (RU). № 2013104773; заявл. 04.02.2013.
6. Бальзаминов А.В. Комплексные исследования геофизических полей и их связи с
сейсмической активностью. В сб.: Взаимодействие полей и излучения с веществом. Сборник
трудов XIII Конференции молодых ученых / А.В. Бальзаминов, В.М. Бардаков, Б.О. Вугмейстер,
М.А. Егоров, А.В. Петров, А.А. Храмцов. Иркутск, 2013. 361 с. С. 268–270.
279
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа