Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы определения грозовой опасности облаков 10
1.1. Активный радиолокационный метод распознавания гроз 10
1.2. Пассивные пеленгационно-дальномерные методы регистрации гроз 23
1.3. Радиолокационно-пеленгационный метод распознавания гроз 34
Глава 2. Результаты экспериментальных исследований ошибок измерения пеленга и дальности грозопеленгаторами-дальномерами различной конструкции 49
2.1 .Методика измерений, аппаратура и данные регистрации ЭМИ грозовых разрядов с низким временным разрешением 49
2.1.1. Методика и аппаратура для измерения параметров ЭМИ 49
2.1.2. Результаты экспериментов 53
2.2. Методика, аппаратура и данные измерений параметров ЭМИ с высоким временным разрешением 61
2.2.1 Методикаи аппаратура для измерения параметров ЭМИ 61
2.2.2. Результаты определения аппаратной (инструментальной) погрешности измерения пеленга 67
2.2.3. Результаты оценки суммарной погрешности измерения пеленга VI
2.3. Результаты испытания грозодальномеров различной кон струкции 84
2.4. Результаты исследований временных и пространственных изменений амплитудных параметров ЭМИ молний 101
Глава 3. Методика и результаты наблюдений за грозами системами пеленгации гроз и МРЛ 106
3.1. Методика наблюдений за грозами системами пеленгации гроз и МРЛ 106
3.2. Результаты совместных наблюдений за грозами пеленгатором ОГПД и МРЛ в зоне до 200 км 114
3.3. Результаты наблюдений за грозами ОГПД совмещенного и несовмещенного программно сМРЛ в зоне до 200 км 127
3.4. Результаты наблюдений за грозовыми очагами пеленгацион-ной системой местоопределения гроз и МРЛ в зоне до 100 км 129
Глава 4. Предложения по оснащению сети пеленгации гроз Росгидромета 133
Заключение 140
Список литературы 142
- Пассивные пеленгационно-дальномерные методы регистрации гроз
- Радиолокационно-пеленгационный метод распознавания гроз
- Методика и аппаратура для измерения параметров ЭМИ
- Результаты совместных наблюдений за грозами пеленгатором ОГПД и МРЛ в зоне до 200 км
Введение к работе
Актуальность работы и состояние вопроса. В настоящее время на сети Росгидромета используется визуально-слуховой метод наблюдений за грозами. Среднесуточная вероятность обнаружения гроз визуальным методом не превышает 58 %. Этот метод не позволяет оценить интенсивность грозовых процессов их пространственно-временное распределение. Сократилась сеть метеорологических радиолокаторов (MPЛ). Наиболее интенсивно в настоящее время они используются на Северо-Западе, в Московской и Северо-Кавказской зонах. Используя критерии грозо опасности, вычисленные по ряду измеренных параметров с помощью MP Л, определяют вероятность появления грозовых процессов в конвективных облаках. Вероятность правильного распознавания гроз носит статистический характер, зависит от большого числа внешних факторов, связанных как с физико-географическими условиями развития грозовых процессов, так и с техническим состоянием измерительной аппаратуры, подготовленностью обслуживающего персонала. МРЛ неэффективно работает в условиях горной местности, где имеются большие участки с закрытым горизонтом. Повышение эффективности обнаружения и распознавания гроз возможно с помощью пассивных средств регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ) грозовых разрядов. К таким средствам относятся однопунктовые и многопунктовые системы местоопределения грозовых очагов и разрядов. В большинстве из них (исключение составляют многопунктовые разностно-дальномерные системы) используются радиопеленгаторы и дальномеры, основы которых были заложены в 20-е годы прошлого века. В 60-е - 80-е годы использовались узкополосные методы пеленгации гроз, а в конце 20-го века нашел свое применение, в основном за рубежом, широкополосный метод. В отечественной практике, во второй половине 20-го века, использовались преимущественно узкополосные грозопеленгаторы с амплитудным и амплитудно-фазовым преобразованием узкополосных сигналов, узкополосные
амплитудные, фазовые и широкополосный импульсный грозодальномеры (пеленгаторы МАРП СДВ, ПАГ-1, однопунктовые грозопеленгаторы-дальномеры (ОГПД) «ШТОРМ», «ОЧАГ-2П», «ФАГ-1», «Пеленг»). В начале 90-х годов появились проекты «Апельсин», «Верея» и «Алвес» по разработке широкополосных модификаций приемников для грозопеленгаторов, пеленгационных и разностно-дальномерных систем местоопределения грозовых очагов и разрядов. В связи с этим, основной интерес для разработки аппаратной части приемников грозопеленгаторов и дальномеров представляют результаты исследования возможных ошибок измерения пеленга и дальности, а также оценка требований к основным блокам измерительной аппаратуры. Грозопеленгаторы, объединенные в сети или совмещенные с однопунктовыми грозодальномерами, позволяют решать задачи штормового оповещения как самостоятельно, так и в составе комплексов мониторинга контроля окружающей среды, в частности, с метеорологическими радиолокаторами (MPЛ).
Основные цели и задачи диссертационного исследования. Основная цель работы заключается в разработке аппаратно-программного обеспечения комплекса местоопределения грозовых очагов совместно активными и пассивными средствами измерений и в усовершенствовании методики повышения эффективности грозового оповещения с помощью пассивных инструментальных методов измерений координат грозовых очагов и разрядов. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
обобщить материалы экспериментальных работ по оценке вероятности правильного распознавания гроз с помощью МРЛ по сравнению с данными визуальных наблюдений наземных метеостанций и пеленгационными средствами определения местоположения грозовых очагов и разрядов;
разработать аппаратно-программное обеспечение и провести исследование электрической Ez и магнитных Нх, Ну составляющих электромагнитного излучения молниевых разрядов;
выполнить анализ погрешностей измерения пеленга и дальности грозопеленгаторами-дальномерами различных конструкций;
разработать две версии аппаратно-программного обеспечения для однопуыктовых грозопеленгаторов-дальномеров (ОГПД) с зонами действия до 30-50 км и до 200-300 км;
разработать аппаратно-программное обеспечение комплекса местоопределения грозовых очагов совместно активными и пассивными средствами измерений, провести наблюдения и обобщить данные ОГПД «Алвес», много пунктов ой пеленгационной системы местоопределения гроз (ПСМГ) и метеорологического радиолокатора MP Л;
разработать предложения по оснащению сети пеленгации гроз Росгидромета.
Научная новизна работы. Впервые разработано аппаратно-программное обеспечение комплекса местоопределения грозовых очагов совместно активным (МРЛ-5) и пассивными (ОГПД «Алвес», ПСМГ) средствами измерений. Исследованы погрешности измерений нового поколения отечественных узкополосных и широкополосных грозопеленгаторов и дальномеров. Автором получены следующие результаты:
разработано аппаратно-программное обеспечение комплекса местоопределения грозовых очагов совместно активными (МРЛ-5) и пассивными (ОГПД «Алвес», ПСМГ) средствами измерений для повышения эффективности штормового оповещения;
разработано аппаратно-программное обеспечение комплексов с различной разрешающей способностью и получены результаты анализа
амплитудных параметров электромагнитного излучения молниевых разрядов в полосе частот от 0,3 до 60 кГц для ближней зоны;
на базе экспериментальных исследований оценены погрешности измерения пеленга и дальности, которые возникают в результате воздействия внешних электромагнитных шумов и влияния пространственной ориентации каналов молниевых разрядов в ближней до 30-50 км зоне;
разработана методика и получены материалы совместных наблюдений за грозами комплексом местоопределения грозовых очагов активным (МРЛ-5) и пассивными (ОГПД «Алвес», ПСМГ) средствами измерений, которые показывают, что в своей рабочей зоне до 200 км вероятность распознавания гроз МРЛ можно увеличить на 25-30%.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что автором создано аппаратно-программное обеспечение комплекса местоопределения грозовых очагов совместно активным (МРЛ-5) и пассивными (ОГПД «Алвес», ПСМГ) средствами измерений. В 2004-2005 гг. проведены совместные наблюдения за грозовыми процессами на базе НИЦ ДЗА, филиала ГГО им.А.И.Воейкова.
Разработано аппаратно-программное обеспечение и экспериментально исследованы амплитудные параметры электромагнитного излучения молний в полосе частот 0,3-60 кГц, погрешности измерения пеленга и дальности в зоне до 200-300 км. Обоснованы требования к построению аппаратной части грозопеленгаторов и дальномеров, разработано аппаратно-программное обеспечение однопунктовых грозопеленгаторов-дальномеров с зоной до 30-50 км и до 200-300 км.
Разработанные автором аппаратно-программное обеспечение комплекса регистрации форм ЭМИ молний и грозопеленгаторы-дальномеры, использовались в системе мониторинга электрического состояния конвективных облаков при проведении активных воздействий, оперативных работ по наблюдениям за грозовой деятельностью в Ленинградской области с
1993 по 2005 гг. и в НИР по Планам Росгидромета в части разработки программы построения грозопеленгационных сетей в России и предложений по оснащению сети МРЛ системами грозооповещения с целью повышения ее э ф ф ективно сти.
Пассивные пеленгационно-дальномерные методы регистрации гроз
О методах местоопределения грозовых очагов и разрядов написаны монографии [6,20,35,36, 37]. В монографии И.И. Кононова, И.А. Петренко и B.C. Снегурова [37] приводится классификация информационно-измерительных систем местоопределения гроз. Мы не будем останавливаться подробно на описании этих систем, а рассмотрим те, которые нашли свое применение в отечественной практике.
В общем случае молниевый разряд можно рассматривать как электрический диполь произвольно ориентированный в пространстве. Применимость дипольных представлений молниевого разряда в спектральной и временной области теоретически и экспериментально доказана в работах Мюллер-Хиллебрандта [86], Л.Рунке [87], Фризиуса я др.[80],И.И.Кононова [38]. Из приведенных выше соотношений следует, что компоненты в круглых скобках магнитных составляющих поля не зависят от пространственной ориентации молниевого разряда, однако, в целом их амплитуда изменяется в зависимости от наклона, разворота и высоты над поверхностью земли. Для электрической составляющей поля такая зависимость наблюдается в двух из трех компонент описываемых слагаемыми в круглых скобках формулы (1.2.1).
Для вертикального диполя параметры т0, ,Т1,Т2 и ТЗ близки к единице. По оценкам приведенным в работе [80] уже с расстояний 80-100 км начинает сказываться влияние кривизны поверхности Земли и ионосферы, что выражается в появлении искажений амплитудно-частотных и фазовых характеристик сигнала, излучаемого молниевым разрядом. Во временной области наблюдается «завал» переднего фронта волновой формы ЭМИ молниевого разряда, что в определенной степени сказывается на погрешности выделения первого максимума, что приводит к погрешности измерения пеленга с помощью широкополосного пеленгатора и ошибке определения времени прихода сигналов ЭМИ молний в территориально разнесенных пунктах разностно-дальномерной системы. Это одна из причин увеличения погрешности измерения координат многопунктовьши системами с большими базовым расстояниями.
Для определения пеленга и дальности в ближней (до 200-300 км) зоне используются как широкополосные, так и узкополосные методы измерений [3,4,6,20,21,22,36,37,44,61,79,84,85,88]. Начиная с 1920-х годов, для пеленгования грозовых разрядов из нескольких пунктов применялись двухканальные пеленгаторы с рамочными, а позднее, магнитными антеннами [21]. Для отображения данных использовались электронно-лучевые индикаторы на которые подавался узкополосный сигнал с усилителей пеленгаторов. Позже неоднозначность исключалась с помощью сигнала с третьего приемника, подключенного к электрической антенне [22]. С 60-х годов начали использоваться амшштудно-фазовые пеленгаторы с однозначной индикацией пеленгов, в которых обрабатывались узкополосные сигналы электрической и магнитной составляющих поля [36].
К узкополосным методам пеленгования гроз относятся методы, в которых используются соотношения амплитуд, сумм или разностей фаз между узкополосными сигналами двух рамочных антенн, расположенных в перпендикулярных плоскостях и ориентированных в направлениях юг-север (ось ОУ) и запад-восток (ось ОХ). Для определения азимута амплитудным методом используется простое соотношение следующего вида: 9= arctg (Uy/Ux) ,(1.2.11) где Uy и Ux, наводимые в магнитных антеннах ЭДС. Неоднозначность в определении направления исключается путем определения знаков полуволн электрической и магнитных составляющих поля. Эта процедура является наиболее трудной. Она связана с измерением относительных изменений фаз узкополосных сигналов электрической и магнитной компонент поля, которые еще и зависят от расстояния [3,20,22,37,68,69,70,71,72,89], пространственной ориентации каналов молний и динамических перегрузок [37,80,83,89,92] в измерительных каналах. Одна из модификаций узкополосного пеленгатора использовалась в грозопеленгаторе ПАГ-1, работающем на частотах около 7 кГц [23]. По данным экспериментальных исследований в «линиях Пащенко» [24] максимальная погрешность измерения пеленга ПАГ-1 составляла 7 , а средняя квадратическая - 3.
Оценки поляризационных погрешностей для узкополосных амплитудного и амплитудно-фазового пеленгаторов (НН-вариант) показали, например, что при отклонении диполя от вертикали не более чем на 45 с удалений более 30 км то не превышает 5 [37]. Для ЕН-варианта пеленгатора погрешность складывается из двух составляющих, первая не зависит от частоты и определяется только наклоном излучателя. Величина этой погрешности имеет период, кратный TV. При наклоне излучателя на 45 эта составляющая погрешности уменьшается от 86 на удалении 3 км до 2 на удалении более 50 км. Если сравнивать погрешности НН-вариаыта и ЕН-варианта пеленгаторов, то погрешность у первого в 3-5 раз меньше, чем у второго пеленгатора. Расчеты показывают, что чем выше частота, тем быстрее убывает погрешность измерений по мере увеличения расстояния. Например, на частоте 1 кГц погрешность достигает нескольких десятков градусов на удалении до 40-50 км, а на частоте 10 кГц она не превышает 3-5 уже на удалении более 15-20 км. На погрешности пеленгаторов с амплитудно-фазовым преобразованием заметно сказывается неидентичность каналов. В ЕН-варианте пеленгатора неидентичность электрического канала прямо пересчитывается в погрешность измерения пеленга. Фазовая неидентичность каналов, формирующих суммарный сигнал, сказывается в меньшей степени. Максимальное значение погрешности наблюдается при пеленгах 0 и 180 градусов. В НН-варианте пеленгатора максимальная погрешность при углах кратных 22.5 , но при этом почти в 10 раз меньше, чем у ЕН пеленгатора.
Результаты синхронных измерений пеленга в зоне до 10-15 км с помощью амплитудного пеленгатора и визуального метода выявили погрешность в - 5 [4]. Позднее авторами работы [44] получены данные синхронных измерений пеленгов в ближней зоне с помощью амплитудного и амплитудно-фазового (ЕН-вариант) пеленгаторов. В работе отмечается, что на удалении около 6 км расхождение в показаниях двух пеленгаторов достигало 50, на удалении 9 км - 25, а на промежуточных расстояниях 30-40 градусов. Синхронные измерения направления на молниевые разряды амплитудно-фазовым пеленгатором и разно стно-дальномерной системой местоопределения гроз [37] позволили оценить погрешность пеленгования на расстояниях 25, 63, 75, 93, 95 и 175 км от грозовых очагов. Средняя квадратическая погрешность не зависела от расстояния и составила в среднем 6 градусов.
Переход от узкополосных методов измерений пеленга к широкополосному методу обусловлен стремлением разработчиков снизить погрешности пеленгования, вызванные изменением пространственной ориентации молниевых разрядов (поляризационные ошибки измерений) и повысить быстродействие пеленгатора. Что касается повышения быстродействия пеленгаторов, то очевидно, время анализа широкополосных сигналов на несколько порядков меньше. Увеличение быстродействия пеленгатора позволяет проводить регистрацию повторных ударов молний в землю, что значительно повышает информативность измерений. Кроме того, проводя измерения на переднем фронте сигнала, практически исключается в ближней зоне влияние отраженного от ионосферы сигнала. Это позволяет пеленгатору уверено регистрировать ЭМИ молниевых разрядов в зоне до 200 -300 км с погрешностью менее 2-х градусов.
Следует отметить, что до настоящего времени опубликовано незначительное число работ посвященных экспериментальным исследованиям погрешностей пеленгования грозовых разрядов различными типами пеленгаторов в зоне до 100 км. Результаты сравнения данных пеленгатора и телевизионной камеры показали, что в среднем погрешность составила 3-4 градуса, а среднее квадратическое отклонение около 2-3 градусов [81]. Это можно объяснить только малыми значениями угла наклона канала молнии в пределах 80-85 градусов или измерением амплитуд магнитного поля на передней части фронта, когда высота обратного удара молнии не превышает 200-300 метров.
Радиолокационно-пеленгационный метод распознавания гроз
Большой научный и практический интерес представляет серия работ по совместному использованию данных наблюдений за грозовыми и ливневыми облаками с помощью МРЛ, на первом этапе, с грозопеленгаторами, а затем грозопеленгаторами-дальномерами.
Одна из первых отечественных работ, в которой авторы сделали попытку провести сравнительный анализ данных радиолокационных наблюдений за грозами с однонаправленным пеленгатором и комплектом грозорегистраторов, была выполнена А.И.Асташенко, П.С.Лыдзар и Л.Г.Махоткиным и опубликована в 1963 году [5]. В ней обобщены данные наблюдений за летний сезон 1961 г. По ним построены карты грозовой активности и проведено сравнение распределения гроз в Ленинградской области с распределением грозовых очагов по данным радиолокационных наблюдений, обобщенных Т.И.Смолкиной за 1958-59 гг. [60]. В радиолокационных исследованиях вертикальной структуры ливней и гроз за 1962 год, опубликованных Е.М.Сальманом и К.С.Жупахиным в работе [58], впервые для разделения облаков на грозовые и не грозовые (ливневые), наряду с данными визуальных наблюдений наземной сетью метеостанций, использовались показания однопунктового катодного пеленгатора. К грозовым облакам относили такие, радиоэхо которых находились непосредственно над одной из метеостанций, отмечающих в это время грозовые разряды или ливневые осадки. К не грозовым облакам относили те, у которых по данным метеостанций наблюдались в момент проведения наблюдений только ливни, а пеленгатор не регистрировал гроз. Из 2500 исследованных облаков только в 500 случаях степень их разделения на ливни и грозы была надежна по данным визуальных наблюдений и пеленгатора. Их обработка показала, что максимальная отражаемость ливней и гроз отличается на один порядок. Средние статистические значения максимальной отражаемости отличаются, примерно, в 15 раз. Однако максимальные повторяемости максимальных значений высоты радиоэхо и высоты максимальной отражаемости для ливней и гроз совпадают, а их среднестатистические значения отличаются не более, чем в 1,3 раза. В результате авторы пришли к мнению о том, что различия, рассмотренных выше параметров для ливней и гроз, проявляются в среднестатистических величинах и в качестве критерия разделения могут использоваться только в климатологических целях.
Решение проблемы распознавания гроз с помощью радиолокационных наблюдений, казалось, перешло к стадии поиска объективных источников информации о грозовом состоянии облака. Для решения этой задачи в 1963-м году С.М.Гальпериным [25] разработан моноимпульсный автоматический радиопеленгатор сверхдлинноволнового диапазона (МАРП СДВ) [22, 23]. Максимальная инструментальная ошибка измерения пеленга не превышала 2,5, а средняя квадратическая погрешность составляла 1,2 . Погрешность измерений пеленга определялась с помощью «линий Пащенко» [24]. МАРП СДВ был состыкован с МРЛ-1. На индикатор кругового обзора станции выводился однозначный пеленг. Расстояние до грозового очага определялось по индикатору МРЛ [25]. Первые опыта по определению эффективности совместных радиолокационных и пеленгационных наблюдений, с привлечением данных визуальных наблюдений наземных метеорологических станций, были проведены в июле-августе 1967 года в аэропорту Шоссейная [26]. Наблюдения проводились в дневное время с интервалом один час. Непрерывные наблюдения начинались за 15 минут до начала часа и завершались через 15 минут после каждого часа. Пеленги на грозовые разряды подсчитывали сь в секторе 10. При определении дальности обнаружения гроз пеленгатором исключались из обработки данные тех метеостанций и постов, которые располагались на одном азимуте, но на различном удалении от пункта наблюдений. Данные радиолокационных наблюдений наносились на бланк-карты. На эти бланк-карты наносились пеленги МАРП СДВ и данные о грозах метеостанций и постов. Для классификации очагов на грозовые и не грозовые использовались критерии грозоопасности разработанные Е.М.Сальманом и С.Б.Гашиной [55]. Методика сравнения данных наблюдений сводилась к следующему[26]: 1. Все три метода регистрировали грозовой очаг. (Правильное распознавание гроз всеми методами (Рраспгрмрл, Рраспгрмлрп, Рра жгрмс) (прим. автора)). 2. Грозы регистрировали МРЛ-1 и МАРП СДВ, метеостанции (МС) гроз не давали, но синоптическая ситуация оценивалась, как грозовая. (Правильное распознавание гроз MPJI-1 и МАРП СДВ (Рраапгрмрл, Рраспгршрп) и ошибка распознавания гроз МС (пропускРпрЫс),(прим.автора)) . 3. Грозы фиксировались МАРП СДВ и метеорологическими станциями. МРЛ-1 по критериям не давал грозу (видимо, были ливневые осадки или мощная кучево-дождевая облачность). (Правильное распознавание гроз МАРП СДВ и МС ( Рраспгршрл и Рраспгрмс), ошибка распознавания гроз МРЛ-1 (пропуск Рпрмрл), (прим.автора)). 4. Грозы фиксировались метеостанциями, но не регистрировались МРЛ-1 иМАРПСДВ. (Ошибкараспознавания грозМРЛ-1 и МАРЩпропуск РпрМрц и РпрМАРп), (прим.автора)). 5. Грозы регистрировались метеостанциями и МРЛ-1, но не отмечались МАРП СДВ. (Правильное распознавание гроз МРЛ-1 и МС ( Рраспгрмрл и Рраспгрмс) ошибка распознавания гроз МАРП (пропуск Рпртрл ), (прим.автора)). 6. Грозы пеленговал только МАРП СДВ. Они не подтверждались МРЛ-1, метеостанциями и синоптической обстановкой.(У7да/еные тревоги МАРП (Рптршрп), (прим.автора)). 7. Наблюдались одиночные пеленги на экране МАРП СДВ, МРЛ-1 не обнаруживал гроз. Метеостанции не отмечали гроз на расстояниях до 800-1000 км. (Ложные тревоги МАРП (РЛТРМАРП )).
Методика и аппаратура для измерения параметров ЭМИ
Комплекс был развернут в 1992 г. на полевой базе Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова. Он включает два макета и экспериментальный образец широкополосных пеленгаторов: макет широкополосного пеленгатора (0,3-30 кГц) ОКТБ «Радиофизика» в п.Воейково (в дальнейшем по тексту - широкополосный пеленгатор PV) - блоки 6-7; экспериментальный образец широкополосного пеленгатора (0,3-3 кГц) ГГО (в дальнейшем по тексту - широкополосный пеленгатор PG1) -блоки 10-17); макет широкополосного пеленгатора (0,3-3 кГц) ГГО (в дальнейшем по тексту - широкополосный пеленгатор PG2) - блоки 17-23.
Последний отличался по аппаратной части отсутствием режекторного фильтра (50 Гц), фильтра низких частот и устройства выборки-хранения. Он был подключен к антенне ГПД «Очаг-2П», параллельно с пеленгатором PV. Это позволило провести серию измерений пеленгов от имитатора, встроенного в антенну грозопеленгатора-дальномер а «Очаг-2П» и от грозовых разрядов. Сопоставление данных синхронных измерений двумя пеленгаторами, подключенными к одной и разным антеннам, дает возможность оценить погрешности связанные с аналоговой обработкой широкополосных сигналов от имитатора и при подключении разных типов пеленгаторов оценить погрешности, обусловленные аналого-цифровой обработкой исходных сигналов.
Он синхронизировал работу синхронометра 47-15 (блок 8). Широкополосный пеленгатор PV (6-7) предназначен для измерения только пеленгов на грозовые разряды. В нем не предусмотрена регистрация формы импульсов и по этой причине нет возможности вычислять значения пеленгов в разных точках временной формы сигналов. Пеленг определяется по максимуму амплитуды первой полуволны ЭМИ молний. В этом пеленгаторе используется стандартная антенна (блоки 1-3) от грозопеленгатора-дальномера «Очаг-2П» [20], Аналоговые сигналы Ez, Нх и Ну составляющих поля подаются на блок пеленгатора (6), который размещен в помещении с ЭВМ ДВК-3 и системой синхронизации измерений (47-13 и 47-15).
Широкополосный пеленгатор PG1 (10-17) сконструирован таким образом, что электрическая антенна и две магнитные антенны с дифференциальными усилителями и фильтрами размещены на стойке высотой 1200 мм. Под антенной установлен блок сопряжения, который включает в себя: 1. Блок питания, который формирует напряжения питания + 15 В и + 5 В (питание осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц). 2. Блок фильтров, которые формируют широкополосные или узкополосные сигналы, в зависимости от решаемой задачи. 3. Контроллер, который по синхросигналу с порогового устройства управляет аналого-цифровыми преобразователями, записывает в буфер памяти точное время с блока передачи точного времени (16) совместно с информацией от АЦП, и по сигналу готовности центрального процессора (17) передает в него информацию из буфера. Центральный процессор записывает данные о формах сигналов и точном времени на жесткий диск, затем вычисляет значения пеленга и выводит его совместно с точным временем на монитор. Таким образом, ведется запись форм сигналов электромагнитного излучения молний в полосе частот входных фильтров по Ez, Нх и Ну составляющим поля и точное время их регистрации. 4. Блок АЦП. В нем размещены три аналого-цифровых преобразователя и пороговое устройство. Оно вырабатывает синхросигнал привязанный к переднему фронту волновой формы ЭМИ молний, которым разрешает работу блока передачи точного времени и контроллера. Последний управляет работой АЦП. 5. Блок ключей предназначен для сопряжения выходов контроллера с блоком передачи точного времени и адаптером PC AT 286 (17).
Блок сопряжения по линиям связи подключен к адаптеру центрального процессора (17) и блоку передачи точного времени (16). В свою очередь, блок передачи точного времени подключен к выходам синхронометра 47-15 (8). При приеме волновых форм ЭМИ молний синхроимпульс с порогового устройства в блоке АЦП дает разрешение в блок передачи точного времени (16) на запоминание и передачу по последовательному каналу информации о времени прихода ЭМИ молний в контроллер (15).
В пункте г. Петергоф синхронно регистрировалось излучение молний с помощью макета широкополосного пеленгатора, который по своей схеме идентичен пеленгатору в п. Воейково (в дальнейшем по тексту -широкополосный пеленгатор РР). Синхронные измерения в двух территориально разнесенных пунктах позволили в неоперативном режиме получить информацию о местоположении грозовых разрядов. Этот эксперимент позволил сопоставить показания различных по своему аппаратному и программному обеспечению пеленгаторов.
Дополнительно, для обработки и анализа данных синхронных измерений в п. Воейково и г. Петергоф, автором настоящей работы написаны следующие программы на языке программирования C++. 1. Программа для преобразования форматов записи данных пеленгаторов ОКТБ и ГГО к единому формату. 2, Программа для выборки данных синхронных измерений различными пеленгаторами в Воейково и Петергофе (SYN_ALX) для заданного временного окна. 3. Программа для вычисления пеленгов по данным широкополосных пеленгаторов ГГО (ALX__EXTR) с выводом информации в текстовый файл. 4. Программа для расчета координат молниевых разрядов по данным двух пеленгаторов в Воейково и пеленгатора в Петергофе (PELSORT), которая вычисляет средние значения, стандартное отклонение и коэффициент корреляции между показаниями пеленгаторов. 5. Программа для иллюстрации результатов местоопределения грозовых разрядов (PELSHOW).
Результаты совместных наблюдений за грозами пеленгатором ОГПД и МРЛ в зоне до 200 км
Результаты обработки данных наблюдений пеленгатором ОГПД и МРЛ за май-июнь 2004 года приведены в таблицах 3.2.1-3.2.10. В примечании таблиц оговариваются альтернативные источники появления ложных тревог и пропусков. Когда данные МРЛ не подтверждены данными пеленгатора, можно говорить, что МРЛ дает ложные тревоги или эти грозовые очаги не «видит» пеленгатор ОГПД и он является источником этих ложных тревог МРЛ, В этой ситуации говорят о пропусках гроз пеленгатором ОГПД. В такой двойной интерпретации рассмотрим предварительные данные совместных измерений МРЛ и пеленгатора ОГПД «Alwes 2» за 19 мая 2004 года [65], которые представлены в табл.3.2.1-3.2.2.
Результаты обработки, представленные в табл.3.2.1 показывают, что данные МРЛ о местоположении грозовых очагов с различной вероятностью (30-70%, 70-90% и более 90%) подтверждены данными измерения пеленгов
ОГПД только в 38 % случаев. В 53% случаев МРЛ-5 давал с различной достоверностью отметку о грозе, в то время как пеленгатор ОГПД их не подтверждал и в 9 % случаев ОГПД отмечал грозу в конвективных облаках, которые по данным МРЛ-5 не были грозовыми. Обратная зависимость наблюдается при сравнении числа обнаруженных МРЛ-5 с различной достоверностью грозовых ячеек и количеством случаев подтвержденных пеленгатором ОГПД. Количеству грозовых ячеек обнаруженных МРЛ-5 с большей достоверностью (символ R (более 90%)), перемещались со стороны соответствует меньшее число случаев (23%), подтвержденных данными пеленгатора ОГПД. В 41 % случаев пеленгатор ОГПД подтвердил данные МРЛ-5 с меньшей достоверностью. Из тех данных МРЛ-5, которые не подтверждены пеленгатором ОГПД, 82% случаев приходятся на низкую вероятность появления грозы в конвективном облаке. Такое несоответствие возможно при выходе из заданного режима работы МРЛ-5 или в случаях не точного выбора исходных параметров программного обеспечения. Особенностью грозовых процессов 19 мая 2004 года было то, что они достаточно локализованы в зоне до 100 км. Конвективные облака Финского залива к Ладожскому озеру. Первые грозовые разряды пеленгатор ОГПД зафиксировал в 12 час 52 мин по азимуту 2 градуса (левая часть рис.3.2.1). В этот период на удалении 65 км наблюдалось облако с радиолокационной отражаемостью Lg(z) 1.2 (правая часть рис.3.2.1). Далее облако сместилось в западном направлении, и с 14 час 24 до 14 час 44 минут в нем пеленгатором ОГПД наблюдались грозовые разряды по азимутам 3, и 250-269 градусов (левая часть рисЗ.2.2). В 14 час 24 мин ячейки с отражаемостью Lg(z) 0.6 и 1.4 наблюдались MP Л-5 на удалениях 81 и 47 км по секторам от 333 до 18 градусов и от 267 до 273 градусов (правая часть рис.3.2.2). градусов и удалениях 81 и 42 км, а так же с вероятностью 70-90 % по направлениям 274 и 214 градусов на удалениях 63 и 88 км соответственно. Из рисунков 3.2.1- 3.2.3. следует, что пеленгатор раньше зарегистрировал грозы, чем МРЛ. Последний рисунок показывает, что три ячейки 30x30 км, определенные МРЛ как грозовые с различной вероятностью, пеленгатор идентифицировал, как: грозовые. Гроза с вероятностью более 70% в четвертой ячейке на карте МРЛ по направлению 210 и расстоянии 77 км не подтверждена данными пеленгатора. Таким образом, можно предполагать, что чувствительность порогового устройства пеленгатора обеспечивает необходимый радиус обнаружения грозовых разрядов, но при этом, дает дополнительную информацию о грозах с расстояний, превышающих зону действия МРЛ. В результате должна появиться достаточно высокая вероятность ложных тревог пеленгатора или высокая вероятность пропуска грозовых очагов МРЛ. Но данные в табл. 3.2.1 показывают, что вероятность пропуска гроз МРЛ или ложных тревог пеленгатора ОГПД не превышает 9%. Следовательно, радиус действия пеленгатора близок к оптимальному. Далее, если в табл.3.2.1 удалить строку с числом пропусков МРЛ или числом ложных тревог пеленгатора (9% случаев), то получатся цифры приведенные в табл.3.2.2. Количество правильно обнаруженных грозовых очагов вырастет до 42%, а число ложных тревог МРЛ до 58%.
Теперь рассмотрим случай, который предполагает, что пеленгатор дает значительные пропуски гроз, по причине малого радиуса их обнаружения. В такой ситуации появляются данные, которые приведены в табл.3.2.3. Они показывают, что если опустить случаи ложных тревог МРЛ или пропуска грозовых очагов пеленгатором, вероятность правильного распознавания гроз МРЛ 19 мая 2004 года составит 81%, а число пропусков грозовых очагов МРЛ 19%. Данные в табл. 3.2.1-3.2.15 за май - июнь 2004 года показывают, что разные варианты обработки не дают высоких показателей вероятности правильного распознавания гроз МРЛ. В зависимости от варианта обработки данных измерений этот показатель изменяется от 6% до 81 %.
Сумма 168 100 Столь значительные вариации вероятности распознавания гроз МРЛ можно отнести в большей степени к нестабильности работы МРЛ, условиями развития грозовой активности в мае-июне 2004 года и правильности выбора критерия грозоопасности. В меньшей мере это связано с нестабильностью работы пеленгатора ОГПД, в котором вероятностные характеристики обнаружения зависят только от изменения порогового уровня запуска регистрирующих устройств. В рабочей зоне пеленгатора до 200-300 км, на частотах от 0,3 до 60 кГц условия распространения радиоволн почти не влияют на характеристики приема сигналов. На рисунке 3.2.4. приведен график зависимости вероятности обнаружения грозовых разрядов ОГПД от отношения расстояния до разряда R и расстояния Ro на котором уровень сигнала соответствует пороговому значению напряженности поля, при котором срабатывает регистрирующее устройство ОГПД.
