Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время остается нерешенной пробле-ма воздействия грозовых разрядов на системы связи и электроэнергетики. Возникающие в результате грозовых разрядов электромагнитные импульсы могут вызывать искажения в электрических сетях, ошибочные переключения при передаче сигнала при импульсно-кодовой модуляции и в микропроцес-сорных системах управления. Кроме того, близкий удар молнии может при-вести к разрушению оборудования. Для защиты от такого рода воздействий необходимо правильно оценить возможные нарушения, для чего требуется знание мощности и количества приходящих грозовых импульсов. Однако для этого обычно используются данные, опирающиеся на среднегодовое количе-ство ударов молний в рассматриваемой местности, что не позволяет учиты-вать постоянно меняющуюся грозовую активность. Кроме того, следует ука-зать, что в литературе отсутствуют обширные сведения об интенсивности по-тока выбросов в ОНЧ диапазоне (очень низкочастотном – от 3 до 30 кГц), где интенсивность помех наибольшая, которые крайне важны для оценки поме-хоустойчивости систем специального назначения. Поэтому задача разработки и создания информационно-измерительной системы, обеспечивающей опера-тивный контроль количества и амплитуды приходящих грозовых радиоимпу-льсов в большом динамическом диапазоне, является крайне актуальной и требует глубоких экспериментальных и теоретических исследований.
Целью работы является разработка информационно-измерительной системы контроля интенсивности потока грозовых радиоимпульсов для повышения эффективности прогнозирования и оценки влияния грозовых разрядов на электро- и радиоустройства.
Идея работы состоит в использовании и развитии математических методов для описания узкополосного случайного процесса – атмосферного радиошума на основе анализа распределений вероятностей и среднего числа выбросов огибающей напряженности поля, измеренных одновременно и в большом динамическом диапазоне, с последующим определением интенсивности потока грозовых радиоимпульсов, приходящих к антенне.
Научная новизна заключается:
в разработке алгоритмов функционирования информационно-измерительной системы, минимизирующих ошибки измерения интенсивности поля и потока радиоимпульсов за счет использования в системе линейного детектора с большим динамическим диапазоном амплитуд порядка 80 дБ, с возможностью непосредственной калибровки, поверки и настройки системы методом замещения на базе нормального шума;
в разработке математической модели потока грозовых радиоимпульсов, где распределение среднего числа выбросов огибающей зависит от ослабления поля радиопомех с расстоянием и от эффективной полосы пропускания информационно-измерительной системы;
в разработке алгоритма трансформации в любую полосу приема распределения числа выбросов атмосферных радиопомех, измеренных в узкой полосе частот, отличающегося использованием параметров обобщающей эмпирической модели и разработанной в диссертационной работе модели потока грозовых радиоимпульсов;
в разработке алгоритма представления интенсивности потока грозовых радиоимпульсов, отличающегося использованием данных по интенсивности и функции вероятностей атмосферного шума, изложенным в отчете МККР№322.
Практическая ценность. На основании разработанных методов измерения и обработки экспериментальных данных создана информационно-измерительная система контроля интенсивности потока импульсов атмосферных радиопомех, позволяющая оценить воздействия мировых грозовых ударов на линии электропередач, компьютерные системы и радиоустройства. Предложенный алгоритм определения числа выбросов по данным отчета МККР№322 (Международный консультативный комитет по радиосвязи) необходим для прогнозирования потока импульсов от грозовых разрядов в труднодоступных районах, где проведение прямых экспериментальных исследований характеристик поля атмосферных шумов затруднено.
Методы и объекты исследования. В работе использован комплексный подход исследования, включающий методы математической статистики, теорию вероятностей, теорию электромагнитного поля, методы математичес-кого моделирования и инженерного эксперимента. Объектом исследования является атмосферный ОНЧ радиошум, создаваемый грозовыми разрядами, который изучается как узкополосный случайный процесс.
Достоверность результатов и выводов подтверждается представительной выборкой опытных данных, формулировкой задач исследования, исходя из всестороннего анализа свойств неустранимого импульсного случайного атмосферного радиошума; сопоставимостью результатов, установленных при теоретических исследованиях, с экспериментальными данными, представленными другими исследователями и полученными лично.
Реализация работы. На базе предложенных в работе алгоритмов функционирования информационно-измерительной системы подготовлены и внедрены лабораторные работы по изучению случайных процессов для студентов технических специальностей по курсу «Теоретические основы радиотехники» в Липецком государственном техническом университете. Разработанный метод калибровки селективных счетных устройств системы на базе нормального шума используется кафедрой «Автоматизированные системы и приборы» Тамбовского государственного технического университета для поверки и настройки измерительной техники в исследованиях экологических проблем региона. Разработанные методы контроля потока импульсов радиопомех от естественного электромагнитного поля используются при настройке приборов в ООО Инженерно-производственной фирме «АРТНЕТ».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научной конференции студентов и аспирантов ЛГТУ (Липецк 2004 г.), международной научно-технической конференции «Энергосбережение и эффективные технологии» (Липецк 2006 г.), Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы естественных наук и их преподавание» (Липецк 2006 г.), пятой Всероссийской конферен-ции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света» (Саранск 2007 г.), кафедре «Биомедицинской техники» Тамбовского государственного технического университета (Тамбов 2008 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 135 страниц, в том числе 112 страниц основного текста, 47 рисунков, 7 таблиц, список используемых источников из 117 наименований.
