Введение к работе
з
Актуальность
Среди многообразных метеорологических явлений, способных внести ущерб хозяйственной деятельности человека в различных граслях, одно из видных мест занимают метеорологические явления, іязанньїе с электрическими процессами " атмосфере, в том числе с лозовыми процессами.
Общеизвестна опасность молниевых разрядов для самолетов и ругнх летательных аппаратов. Опасно не только прямое поражение толста молнией - опасны даже близкие молниевые разряды, шетственные за появление быстро меняющихся электрических и апштных полей, а также широкополосного радиоизлучения. При лпзких молниевых разрядах напряжения и токи, наводимые в цепях ісктроиньїх приборов летательного аппарата, могут оказаться эпоставимыми по уровню с полезными сигналами и привести к сбоям в аботе электронного оборудования. Последствия подобных сбоев епредсказусмы, и они могут быть причиной серьезных летных ронешествпп и даже катастроф.
Грозовые процеесь. 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 анері 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 І.М.Имянитов, Б.Ф.Евтеев и И.И.Камалдика (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
4 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 грозопые процессы практически не наблюдаются.
Причина подобных явлений видится во взаимодействии подлетающего к облаку, ';ак правило, электрически заряженной; самолета с разделенн.лми электрическими зарядами облака. Процесі разделения электрических зарядов в облаке не всегда завершается егс переходом в грозовое' состояние. Не исключены такие варианть развития, облака, при которых в нем происходит разделешк электрических зарядов, но мера их разделенности, объемы області разделенных зарядов, напряженность электростатического полі оказываются недостаточными для поддержания процесса формирована молний. Даже если в подобном облаке не возникают молнисиьіі разряды, оно может оказаться потенциально молниеопасным дл: подлетающих самолетов. Не исключены ситуации, при которы: электрически заряженный самолет, подлетая к зоне облачной электрического заряда противоположного знака, увелнчи 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, обусловлепног
происходящими в облаках мелкомасштабными разрядами, и 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 появленні молниевых разрядов, исследовалось в Российском государстг знно гидрометеорологическом институте (Л.Г.Качурин, л.И.Дивинскні 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 источнике немолниевого радиоизлучения можно, лишь располагая достаточі 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
5 наблюдаемых в различных географических условиях пои неодинаковой методике наблюдения и различных способах регистрации сигнилов; разработка рекомендаций, позволяющих осуществить поиск квазиоптнмальных алгоритмов приема 'сигналов немолниевого радиоизлучения.
Методы научного исследования
— В последние годы появилась возможность получить значительно огаее 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 ІВМ-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:
-
Разработка комплекта программ для ЭВМ, обеспечивающих восстановление в числовой форме данных о значениях выходного напряжения приемника и визуализацию полученной информации.
-
Исследование особенностей прохождения широкополосного сигнала немолниевого радиоюлучения 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, связаннмй с работой аналого-цифрового преобразователя.
4. Огешса спектральной плотности напряженности поля на частоте
настройки прнемііика и ее сопоставление с известными значениями этой
величины, полученными для других физико-географических условий.
-
Анализ спектральных характеристик длительных сигналов немолниевого радиоизлучения обтпков.
-
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
излучаемых сигналов, в том числе результаты исследования
спектральных и энергетических характеристик излученных сигналов;
- обоснование широкоголосного характера длительных импульсов
немолниевого радиоизлучения, 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 суперпозииией отклнкоз 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 н 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
7 ;игналов, индифферентных к методу регистрации, например, по такому іараметру, как спектральная плотность напряженности электрического юля излученного сигнала на частоте настройки приемника, оказалось зозможным сопоставление полученных данных с результатами других івторов, и установлено их хорошее взаимное соответствие.
Практическая ценность
Результаты выполненного исследования могут быть использованы ірії разработке устройств, предназначенных для определения местоположения электрически активных областей пространства, в которых возникают мелкомасштабные внутрноблачные. разряды, этпетственные за появление' сигналов немолниевого радиоизлучения. Эбнаружсние таких областей пространства и определение координат потенциально молниеопасных для самолетов зон представляется практически значимым для авиации.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на Ученом Совете PITMW, 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 її список литературы, содержащий 74 наименования.
Похожие диссертации на Исследование тонкой временной структуры сигналов немолниевого радиоизлучения по результатам наблюдений за грозовыми процессами
