[1] Сейсмические средства обнаружения. Теория и практика построения. Монография/Под ред. Н.И. Крюкова.–М.:
Радиотехника,2014.–216 с.
[2] Чистова Г.К. Модели и методы обработки сейсмических сигналов в системах распознавания: Монография. Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун- та, 2003. – 196 с.
[3] Спектор А.А., Соколова Д.О., Райфельд М.А. Пассивная сейсмическая локация: аппаратное и базовое программное обеспечение. //Вычислительные технологии, 2016, № 1(21), С. 116 – 126.
[4] Морозов Ю. В., Спектор А.А. Классификация объектов на основе анализа спектральных характеристик огибающих сейсмических сигналов // Автометрия. 2017. Т. 53, № 6. С. 49–56.
[5] Акимов П.С., Бакут П.А., Богданович В.А. и др. Теория обнаружения сигналов. М.: Радио и связь, 1984. 440 с.
Морозов Юрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент, выпускник факультета автоматики и вычислительной техники НГТУ. В настоящее время работает доцентом кафедры теоретических основ радиотехники НГТУ. Область научных интересов –статистические методы обработки сигналов в системах пассивной сейсмической локации. Имеет более 60 научных публикаций в рецензируемых научных журналах и трудах российских и международных конференций.
Райфельд Михаил Анатольевич, доктор технических наук, профессор кафедры теоретических основ радиотехники НГТУ.
Занимается научными исследованиями в области непараметрических методов обработки сигналов. Имеет более 70 научных публикаций в
рецензируемых научных журналах и трудах российских и
международных конференций.
Спектор Александр Аншелевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретических основ радиотехники Новосибирского государственного технического университета.
Научные интересы – статистические методы обработки сигналов и изображений в технических системах реального времени для создания эффективного
математического и программного обеспечения. В последние годы участвует в исследованиях и разработках в области пассивной сейсмической локации. В соавторстве им подготовлена и принята к изданию монография
«Статистические задачи и методы пассивной сейсмической локации».
Общее количество публикаций более двухсот.
978-1-5386-7054-5/18/$31.00 ©2018 IEEE 59
Метод измерения вариаций фазы центральной частоты сигналов с GMSK манипуляцией
Александр С. Полетаев, Александр Г. Ченский, Дмитрий А. Токмачев
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Иркутск, Россия
Аннотация – Предложен новый способ определения фазовых искажений сигналов, манипулированных методом GMSK. Приведены результаты работы алгоритма на примере модельных сигналов. Выполнено сравнение результатов оценки фазового дрейфа СДВ радиосигналов в волноводе Земля-ионосфера для предложенного метода и для метода реконструкции переходов по фазовой решетке.
Ключевые слова – СДВ, фаза, GMSK, частотная манипуляция, ионосфера.
I.
В
ВЕДЕНИЕОНОСФЕРА нашей планеты, как известно, оказывает значительное воздействие на распространение радиосигналов спутниковых систем навигации и передачи информации, комплексов коротковолновой и сверхдлинноволновой (СДВ) связи, радионавигации, передачи эталонных частот и единого времени. Исследование ионосферы крайне важно для качественного и надежного функционирования этих радиотехнических систем [1].
Наклонное зондирование при помощи сигналов СДВ- ДВ диапазона является одним из наиболее эффективных методов изучения свойств нижних D и E слоев ионосферы. Для экспериментальных исследований обычно используют навигационные СДВ передатчики, а для их регистрации создают специальные приборы [2].
Выбор уже существующих источников сигналов обоснован тем, что создание и эксплуатирование данных систем чрезвычайно экономически затратно.
Однако вместе с этим возникает ряд трудностей, связанных с тем, что принимаемые СДВ радиосигналы манипулированы по частоте. При этом в основном используют частотную манипуляцию с минимальным сдвигом частоты (MSK) либо гауссову минимальную частотную манипуляцию (GMSK). Возникает задача разделения вариаций фазы зондирующих сигналов, связанных с манипуляцией частоты, и дрейфа фазы в канале Земля-ионосфера.
II.
П
ОСТАНОВКА ЗАДАЧИОдним из способов демодуляции и выделения вариаций фазы в канале связи является метод реконструкции переходов начальной фазы для центральной частоты сигнала [3]. Недостатком метода является необходимость достоверного распознания комбинации логических нулей и единиц информации в
сигнале. Ошибочные переходы в реконструированной фазе, несовпадение моментов перегиба принятой и восстановленной фазовых функций приводят к появлению трудно устранимых скачков и ошибок измерений.
В ИРНИТУ разработан СДВ приемник для проведения долговременных измерений амплитуды и фазы сигналов.
Предложенный метод детектирования фазовых искажений MSK сигналов [4] не зависит от передаваемой в сигнале информации, но дает в некоторых случаях заметную ошибку оценки фазы для GMSK сигналов. Так как на стадии формирования сигнала применяется гауссов фильтр, то происходит размытие границ переходов в квадратурных компонентах. Это приводит к сглаживанию пилообразных фазовых функций на выходах квадратурных детекторов логических нулей и единиц сигнала, а увеличение дисперсии суммарной фазовой функции снижает эффективность применения скользящего усреднения.
Целью данной работы является разработать усовершенствованный метод измерения фазовых искажений радиосигналов, возникающих при их субионосферном распространении, который был бы применим к сигналам с GMSK манипуляцией.
III.
Т
ЕОРИЯA. Усовершенствованный алгоритм обработки Входной сигнал может быть представлен как
( ) cos ( )
in c 2
b
S t KA t t t
T
, (1)
где K – коэффициент ослабления сигнала, вносимый каналом связи; A – амплитуда сигнала; ωc – центральная (несущая) частота, Гц; Tb – длительность одного бита, с;
θ(t) – искомая функция фазовых искажений сигнала, рад.
Для выделения фазы выполняется раздельное квадратурное детектирование логических нулей и единиц (см. рис. 1). После перемножения Sin(t) и опорных колебаний частот ω0 и ω1 имеем квадратурные компоненты сигнала I(t) и Q(t). Вычисление арктангенса дает фазовые характеристики логических нулей p0(t) и логических единиц p1(t), поведение которых зависит от частоты ω, принимаемой в текущий момент времени.
И
60
Рис. 1. Структурная схема виртуального устройства оценки фазовых искажений GMSK сигналов
Функции p0(t) и p1(t) повторяют закон θ(t) при совпадении принимаемой и опорной частот, а при несовпадении представляют из себя колебания с удвоенной девиацией частоты:
00 0
0
, ,
b
p t t t
T
p t t
,
(2)
11 1
1
, ,
b
p t t t
p t Tt
.
(3)Для повышения точности вычислений вблизи границ диапазона измерений, определяемого областью значений арктангенса, дополнительно находятся компоненты I tˆ( ) и Q tˆ( ) для опорных колебаний, смещенных на π/2. При этом смещенные квадратуры могут быть получены из несмещенных. Соответствующие фазовые характеристики p tˆ0( ) и p tˆ1( ) имеют аналогичное поведение, как и в выражениях (2, 3).
Фаза СДВ сигналов изменяется крайне медленно (суточные периодичности), и на интервале выборки данных (250 мс) величина θ(t) практически неизменна.
Можно заметить, что большинство мгновенных значений фазовых характеристик p t0( ), p t1( ), p tˆ0( ) и p tˆ1( ) группируются около среднего значения θ(t), и оценку измеренной фазы можно выполнять путем поиска максимума (моды) гистограммы распределения max{H(p)}. Для повышения точности гистограмма может быть дополнительно сглажена. Соответствующие максимумам гистограмм значения мод распределения усредняются, в результате получаем
0 1
0 1
ˆ ˆ ˆ
H H H
H H H
p p p
p p p
.
(4)Выбор между pH и pˆH происходит в решающем устройстве (РУ) по наименьшей дисперсии для суммарных фазовых характеристик D p t[ ( )] и D p t[ ( )]ˆ :
, [ ( )] [ ( )]ˆ ˆ , [ ( )] [ ( )]ˆ
2
H
H
p D p t D p t p p D p t D p t
.
(5)В результате вычислений получается оценка фазы, характеризующей только влияние ионосферы на принятый сигнал.
B. Моделирование сигналов
Работоспособность предложенного метода проверена путем моделирования MSK и GMSK сигналов.
Генерируемая случайным образом последовательность двоичных данных с битрейтом 200 бод манипулирует частотой несущего колебания 22.2 кГц. Модель имитирует сигнал станции JJI (Япония).
Предварительная фильтрация входной битовой последовательности при помощи фильтра нижних частот гаусса с параметром BT = 0.3 сглаживает межсимвольные переходы и приводит интерференции соседних бит. В результате спектр модулированного колебания значительно сужается. На рис. 2 показана спектральная плотность анализируемых MSK и GMSK модельных сигналов, из рисунка видно, что спектр мощности имеет характерный вид.
На рис. 3 представлены фрагменты вычисленных фазовых характеристик p0(t) и p1(t), для которых искажения θ(t), указанные в формуле (1), заданы в виде ступенчатой функции со значениями уровней [20; 0; –20]
градусов с переходами в моменты t1 = 0.25 с, t2 = 0.5 с, Наблюдаемые результаты вычислений соответствуют выведенным аналитическим выражениям (2, 3). Для MSK сигнала на верхней панели четко прослеживаются скачкообразные сдвиги фазы центральной частоты, описываемые θ(t).
Как видно из рисунка, при использовании гауссова фильтра нижних частот с параметром BT = 0.3 происходит затягивание фронтов пилообразных импульсов p0(t) и p1(t) при смене бит, моменты времени между переходами становятся плохо различимы.
Рис. 2. Модуль спектральной плотности мощности моделируемых сигналов с частотной манипуляцией для несущей частоты 22.2 кГц, битрейт 200 бод: 1 – MSK; 2 – GMSK
61
Рис. 3. Сравнение фазовых характеристик p0(t) и p1(t) для модельных MSK (верхняя панель) и GMSK (нижняя панель) сигналов несущей частоты 22.2 кГц (битрейт 200 бод) со ступенчатыми искажениями фазы θ(t) = [20; 0; –20] градусов
Такое искажение фазовых характеристик приводит к ухудшению результатов выделения функции θ(t) путем выполнения скользящего усреднения суммарной фазовой характеристики p(t) = p0(t) + p1(t).
Однако если выполнить построение гистограммы распределения значений, то наблюдается выраженный максимум (см. рис. 4). Мода распределения в модельном сигнале совпадает с заданной величиной θ(t) = 25°.
Точность определения моды зависит от ширины карманов гистограммы. В приведенном примере ширина равна 0.01°.
Моделирование различных вариантов значений искажений θ(t) ∈ [–𝜋/2; 𝜋/2] показало, что метод гистограмм позволяет оценить фазу центральной частоты незашумленного GMSK сигнала с точностью не хуже, чем 7.96∙10–3 градуса. Указанная погрешность вычислений является систематической и зависит от частоты дискретизации сигнала, скорости следования бит, количество отсчетов в анализируемой выборке. При моделировании использовались параметры 100 кГц, 200 бод и 1 с соответственно. В случае модуляции MSK оценка фазы с помощью гистограмм по сравнению с применением скользящего среднего улучшает точность вычислений фазы в 2 – 4 раза.
Рис. 4. Распределение значений фазовых характеристик GMSK сигнала с искажениями θ(t) = 25°: верхняя левая панель – функция p0(t); верхняя правая панель – гистограмма H(p0); нижняя левая панель – функция p1(t); верхняя правая панель – гистограмма H(p1)
IV.
Р
ЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВПредложенный метод апробирован с использованием долговременного приема СДВ радиосигналов. На рис. 5 показано сравнение результатов измерений вариаций суточного дрейфа фазы GMSK сигнала от передатчика станции DHO (23.4 кГц, Раудерфен, Германия). Вид и скорость модуляции установлены экспериментально путем анализа длительности и формы фазовых переходов для центральной частоты ωc.
За начало отсчета разности фаз принятого сигнала и синтезированных опорных колебаний (с привязкой к шкале UTC при помощи GPS модуля в устройстве синхронизации приемника [5]) выбрано 00:00 часов UTC. Дополнительно на графике цветом и вертикальными линиями отмечено движение солнечного терминатора. Дневные часы характеризуются полным освещением трассы распространения сигнала, ночные – вся трасса находится в зоне тени, утром и вечером – частичная освещенность.
Оценка фазы проведена при помощи трех способов:
метод реконструкции фазовых переходов [3] (серая кривая 1), метод четырех квадратур и скользящего среднего [4] (линия 2), усовершенствованный метод с использованием гистограмм (черная кривая 3). Фрагмент фазы в центре относится к линии 2.
Как следует и рисунка, метод [4] для некоторых значений фазы дает заметную ошибку измерений. Здесь стоит отметить, что передатчик DHO характеризуется линейным трендом ухода фазы вследствие небольшого отличия фактической центральной частоты излучения от номинальной. Для всех трех методов выполнено устранение данного тренда.
Усовершенствованный метод с применением гистограмм и метод реконструкции фазы показали практически идентичные результаты. Полностью повторяются все нюансы дрейфа фазы, особенно в ночные часы. Однако главным преимуществом разработанного способа является, как и в [4], независимость измеренной величины дрейфа фазы в волноводе Земля-ионосфера от передаваемой двоичной информации источника излучения сигнала.
Рис. 5. Суточный дрейф фазы GMSK сигнала станции DHO (23.4 кГц, Германия), измеренной 19.03.2015: 1 – метод реконструкции фазовых переходов; 2 – способ раздельного когерентного детектирования логических нулей и единиц с вычислением среднего арифметического выборки p(t) = p0(t) + p1(t); 3 – способ раздельного когерентного детектирования логических нулей и единиц с применением метода гистограмм
62
V.
О
БСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВПолученные результаты эксперимента демонстрируют характерный вид суточного дрейфа фазы СДВ сигналов.
Ночью происходит отражение от E-слоя ионосферы.
Утром в результате воздействия излучения Солнца происходит рост электронной концентрации и уменьшения расположения высоты отражения. Днем сигнал отражается от D-слоя ионосферы. Изменение высоты верхней стенки волновода в течение суток приводит к изменению набега фазы принимаемой радиоволны. В рассмотренном случае разброс вариаций фазы составляет приблизительно 250°. Одним из характерных маркеров сигнала станции DHO является регулярное (практически ежедневное) отключение передатчика в период с 07:00 до 08:00 часов UTC.
Как показывают результаты дополнительного моделирования и экспериментальные наблюдения независимыми инструментами регистрации ОНЧ сигналов, начальные фазы радиоимпульсов ω1 и ω0 не всегда совпадают (расхождение max{H(p0)} и max{H(p1)}), что, скорее всего, происходит в результате задержки в фильтрах (в том числе и цифровых) трактов приема и передачи. Усреднение оценок фазы для H(p0) и H(p1) полностью компенсирует такой сдвиг, так как для логических нулей и единиц он равен по модулю, но противоположен по знаку.
VI.
В
ЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕПредложенный модифицированный метод оценки дрейфа фазы центральной частоты в канале связи показал стабильную работу для GMSK сигналов. В случае модуляции MSK алгоритм дает выигрыш в точности измерений. Итоги моделирования и экспериментальных испытаний соответствуют ожидаемым результатам.
Преимущество данного метода в том, что результат оценки фазы не зависит от передаваемой битовой комбинации, для вычислений не требуется определять время начала битовых интервалов, для GMSK сигналов метод универсален при всех значениях параметра фильтра Гаусса BT. Данная особенность детектирования ускоряет работу приемника, поскольку для предобработки не требуется наличие циклов определения временных сдвигов фазовых функций.
Следует ожидать, что работоспособность метода сохраняется и для CPFSK сигналов с произвольным индексом модуляции. Главным условием является неразрывность фазы модулированных колебаний при смене частоты радиоимпульсов логических нулей и единиц.
С
ПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ[1] Козлов С.И., Ляхов А.Н. Вероятностно-статистические модели ионосферы для решения задач распространения радиоволн //
Взаимодействие полей и излучения с веществом: Материалы XIII конференции молодых ученых. – Иркутск: ИСЗФ СО РАН, 9-14 сентября 2013. – 361 с. – С. 21-26.
[2] Cohen M.B., Inan U.S., Paschal E.W. Sensitive Broadband ELF/VLF Radio Reception with the AWESOME Instrument // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010. – vol. 48. – №1.
[3] Johnson M.P. VLF Imaging of Lightning-Induced Ionospheric Disturbances. Ph.D. thesis, Stanford University. – 2000, 115 pages.
[4] Полетаев А.С., Ченский А.Г., Токмачев Д.А. Регистрация вариаций амплитуды и фазы сигналов навигационных СДВ передатчиков: В сб.: Взаимодействие полей и излучения с веществом. Сборник трудов XIV Конференции молодых ученых. – Иркутск, 14–18 сентября 2015. – С.252-255.
[5] Tokmachev D.A., Poletaev A.S., Bezrukin A.G., Chensky A.G., Zasenko V.E., Gubin N.A. A Synchronization System of Very Low Frequency Interferometers / Instruments and Experimental Techniques, Vol. 57, No. 5, pp. 587–593. Pleiades Publishing, Ltd., 2014.
Полетаев Александр Сергеевич. С отличием окончил ИРНИТУ в 2012 году по специальности
«Многоканальные телекоммуникационные системы». Ассистент, магистрант кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем ИРНИТУ, программист отдела информационно-измерительных систем. В область научных интересов входит мониторинг нижней ионосферы в СДВ диапазоне, программирование систем сбора данных, моделирование и цифровая обработка сигналов.
Свою диссертационную работу выполняет на тему: «Когерентное детектирование ОНЧ радиосигналов в волноводе Земля-ионосфера».
Ченский Александр Геннадьевич. Кандидат физико-математических наук, заведующий
кафедрой Радиоэлектроники и
телекоммуникационных систем ИРНИТУ.
Сферой научных интересов представляют информационно-измерительные системы, сбор и обработка данных, гидроакустические системы и методы исследования и мониторинга окружающей среды.
Токмачев Дмитрий Андреевич. В 2013 году окончил ИРНИТУ по специальности
«Микросистемная техника». Магистрант, инженер-электроник кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем ИРНИТУ.
В область научных интересов входит: разработка аппаратных средств мониторинга нижней ионосферы в СДВ диапазоне, обработка сложных сигналов в режиме реального времени, цифровая обработка сигналов, моделирование и расчет распространения сигналов в гидроакустических каналах связи, программирование систем сбора данных. Будущая диссертационная работа посвящена теме: «Цифровая обработка сложных сигналов в режиме реального времени».
978-1-5386-7054-5/18/$31.00 ©2018 IEEE 63
Влияние солнечных вспышек на распространение ОНЧ радиоволн
на трассе JJI – Иркутск
Ольга В. Ядренникова, Александр С. Полетаев, Александр Г. Ченский
Иркутский национальный исследовательский технический университет, Иркутск, Россия
Аннотация – Рассмотрено воздействие солнечных вспышек на амплитуду очень низкочастотных (ОНЧ) радиоволн, распространяющихся вдоль трассы JJI – Иркутск.
Выполнена оценка вариаций амплитуды сигнала 22.2 кГц, связанных с возмущением среднеширотной ионосферы во время солнечных вспышек в 2017 году. Измерения параметров зондирующего сигнала проводились непрерывно при помощи разработанного ИРНИТУ радиоприемника СДВ диапазона. Анализ результатов показал линейную зависимость отклика амплитуда на всплески интенсивности мягкого рентгеновского излучения Солнца.
Ключевые слова – ОНЧ, ВИВ, СДВ, ионосфера, солнечные вспышки.
I.
В
ВЕДЕНИЕИоносферой называют пограничную часть верхней атмосферы Земли, расположенную на высотах приблизительно от 60 км. Уровень ионизации достаточно велик, чтобы оказывать заметное влияние на распространение радиоволн и работу некоторых радиотехнических систем.
Нерегулярные возмущения параметров ионосферы связаны в основном с воздействием ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца, частиц солнечного ветра, а также создаваемых при этом пульсаций магнитосферы Земли. Неоднородности ионосферы, возникающие в результате солнечных вспышек, принято называть внезапными ионосферными возмущениями (ВИВ). Эффекты и сопутствующие явления наблюдаются только в освещенной части ионосферы.
Крайне важно учитывать эффекты ВИВ, сказывающиеся на распространении радиоволн различных систем радиосвязи и навигации. Сильные вспышки приводят к нарушению работы космических аппаратов, к перебоям коротковолновой (КВ) радиосвязи, сбоям в работе радионавигационных приборов кораблей и самолетов, радиолокационных систем, длинных линий электроснабжения.
Пиковое значение потока мощности длинноволнового (1 – 8 Å) рентгеновского излучения Wmax определяет класс вспышки [1]. Вспышки С-класса, имеющие интенсивность потока 1 мкВт/м2 ≤ Wmax < 10 мкВт/м2, считаются слабыми и вызывающими незначительные последствия для нашей планеты. Класс средних вспышек М (10 мкВт/м2 ≤ Wmax < 100 мкВт/м2) сопровождается
короткими перебоями в связи в приполярных регионах.
Иногда образуются небольшие магнитные бури.
Вспышки Х-класса, являются самыми сильными (Wmax ≥ 100 мкВт/м2), могут вызвать радио помехи на всей планете, а также продолжительные магнитные бури.
II.
П
ОСТАНОВКА ЗАДАЧИПроцессы, протекающие в самых нижних слоях ионосферы, можно наблюдать посредством наклонного зондирования радиосигналами длинноволнового (ДВ) и сверхдлинноволнового (СДВ) диапазонов. Такие радиоволны распространяются в волноводном канале Земля-ионосфера, и наблюдаемые вариации амплитуды и фазы сигналов определяются в первую очередь изменениями параметров ионосферы.
В ИРНИТУ разработан СДВ приемник для долговременных измерений амплитуды и фазы сигналов навигационных ОНЧ передатчиков. Структурная схема измерительного комплекса показана на рис. 1. В состав приемника входят кольцевые ортогональные рамочные антенны, предварительные усилители, антиалиасинговые фильтры, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), одноплатный компьютер [2]. Для выполнения синхронных измерений при помощи нескольких разнесенных СДВ приемников изготовлено устройство синхронизации [3], обеспечивающее привязку к шкале времени UTC при помощи модуля GPS/ГЛОНАСС.
Частота дискретизации составляет 100 кГц на канал, чувствительность приемника на частоте 1 кГц оценивается как 2 фТл/√Гц (что сопоставимо с фоновыми шумами), предельная ошибка синхронизации составляет ±79.59 нс (доверительная вероятность 0.997).
Рис. 1. Структурная схема СДВ приемника
64
Рис. 2. Расположение трассы распространения сигнала 22.2 кГц по большому кругу JJI – Теплоэнергетик
Программа сбора данных [4] осуществляет демодуляцию сигналов и запись результатов детектирования в файл. Интервал измерений равен 1 с.
Одна из станций расположена в пункте Теплоэнергетик (52°17' С, 104°41' В). В работе рассмотрим влияние солнечных вспышек на ОНЧ радиоволны для среднеширотной ионосферы в направлении запад- восток. Один из наиболее близкорасположенных передатчиков находится в Японии (станция JJI), сигнал излучается на частоте 22.2 кГц. На рис. 2 показано расположение трассы распространения сигнала по большому кругу, ее протяженность составляет 3080 км.
III.
Т
ЕОРИЯСуществует много научных работ, касающихся исследования эффектов возмущения ионосферы во время солнечных вспышек. Однако большой интерес представляет обобщение результатов экспериментов для разных широт ионосферы и в разных регионах.
Отклик амплитуды на солнечные вспышки является монотонной функцией от электронной концентрации отражающего слоя [5]. В работе [6] приводятся результаты зависимости прироста амплитуды ∆A сигнала 24.0 кГц (США) от величины максимальной интенсивности рентгеновского излучения Imax (см. рис.3).
Рис. 3. Оценка прироста амплитуды сигнала 24.0кГц в работе [6]
Приемник установлен в Белграде. Разделение по углам освещения трассы выполнялось путем группировки по времени: утро 07:00–11:00 UTC (пустые круги), полдень 11:00–15:00 (закрашенные кружки), вечер 15:00–20:00 (кружки с крестом). Амплитуда логарифмически линейно растет при увеличении мощности вспышки, а зависимость от зенитного угла освещения трассы не очевидна.
В исследованиях [7, 8] также предлагаются различные варианты логарифмической модели отклика амплитуды и фазы сигналов. Учет вариаций зенитного угла предлагается выполнять путем усреднения вдоль трассы.
IV.
Р
ЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВДля анализа эффектов солнечных вспышек для трассы JJI – Иркутск произведена выборка экспериментальных данных за 2017 год. Среди всех произошедших за этот период вспышек выбраны те, для которых наблюдается отклик амплитуды. Всего за 2017 год зафиксировано 63 события, из которых количество вспышек С-класса равно 38, М-класса – 24 и Х-класса – только одна. На рис. 4 приведена более детальная градация произошедших вспышек по энергетическим классам.
Наибольшее количество вспышек было в сентябре (30) и апреле (14), поэтому результаты измерений соответствуют весеннему и осеннему сезонам. В сентябре 2017 года была необычайная для года минимума солнечного цикла вспышечная активность с индексом 10.3. Результаты измерений амплитуды для этих событий отдельно вынесены в Табл. I. Введены обозначения: Wmax – максимальное значение мощности потока мягкого рентгеновского излучения; δW – отношение пиковой мощности вспышки к мощности излучения перед вспышкой; θ – угловая высота Солнца (для середины трасы); χ – зенитный угол Солнца; ΔA – разность амплитуды сигнала после и перед вспышкой, а δA – отношение соответствующих амплитуд.
Рис. 4. Распределение по классам мощности вспышек 2017 г., для которых наблюдался прирост амплитуды сигнала 22.2 кГц.
65
ТАБЛИЦА I
ОТКЛИК АМПЛИТУДЫ СИГНАЛА СТАНЦИИ JJI ВО ВРЕМЯ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК В СЕНТЯБРЕ 2017
Дата Время
(UTC) Класс W, дБ- мкВт/м2
δW, дБ
θ, град.
ΔA, пТл
δA, дБ 04.09 5:49 M1.2 11.04 8.54 46.9 0.8463 1.47
22:14 M2.1 13.28 1.96 7.5 0.3413 0.80
05.09
0:35 C9.8 9.93 2.30 32.6 0.2068 0.41 1:08 M4.2 16.40 9.62 37.9 1.2345 2.15 3:51 M1.0 10.05 2.53 53.8 0.3408 0.61 4:53 M3.2 15.11 6.28 51.9 1.4948 2.46 6:40 M3.8 15.93 10.54 39.4 1.2993 2.29
10:19 C5.4 7.34 5.04 1.3 - -
06.09
9:10 X2.2 23.58 18.52 13.3 2.2807 4.41 12:02 X9.3 29.71 22.72 <-12.0 - - 22:14 C4.0 6.02 1.30 10.3 0.1320 0.34 23:14 C5.0 6.99 6.99 18.0 0.2054 0.49 23:39 M1.2 11.12 5.68 22.4 0.8014 1.71
07.09
5:02 M2.4 14.08 13.91 50.5 1.4112 2.42 6:28 C8.2 9.18 8.27 40.5 0.7858 1.51 7:35 C3.5 5.55 1.85 29.9 0.2185 0.47 9:54 M1.4 12.14 11.07 5.0 0.3414 1.15 10:15 M7.3 18.63 16.08 1.4 0.2881 1.11 14:36 X1.3 21.45 21.62 <-12.0 - - 23:59 M3.9 15.94 14.63 25.8 1.4312 2.81
08.09
1:40 C5.3 7.60 7.27 41.9 0.2926 0.59 2:24 M1.3 11.25 10.29 47.3 0.8696 1.58 3:43 M1.2 11.06 11.42 52.6 0.7484 1.36 5:40 C7.6 8.83 6.32 46.5 0.6987 1.28 7:08 C6.0 8.36 8.81 34.0 0.4212 0.84 7:49 M8.1 19.16 19.47 27.1 1.9920 3.42 23:45 M2.1 13.32 12.71 23.1 1.1965 2.46
09.09
3:09 C6.3 8.06 6.95 50.8 0.4985 0.93 4:28 M1.1 10.49 6.47 51.8 0.7710 1.37 6:56 C1.8 2.58 4.31 30.4 0.1400 0.29 11:05 M3.8 15.80 14.83 -8.6 - - 23:53 M1.1 10.73 6.73 24.3 0.4479 0.93 10.09
3:09 C9.0 9.60 8.46 50.5 0.9777 1.82 9:20 C2.9 4.70 7.54 10.2 0.3561 0.97 16:06 X8.2 29.16 32.54 <-12.0 - - Данные о вспышках находятся в свободном доступе в источниках [9, 10]. График зависимости амплитуды сигнала от мощности вспышки представлен на рис. 5.
Полученный вид закономерности логарифмически линеен, согласуется с результатами исследований [5] – [8]. Варьирование углов θ слабо сказывается на δA, наиболее существенным является влияние мощности потока рентгеновских лучей.
Рис. 5. Зависимость изменения амплитуды сигнала 22.2 кГц от пиковой мощности рентгеновского излучения во время вспышки
Рис. 6. Распределение вспышек по угловой высоте Солнца
В течение года вспышки происходят при разных углах освещения трассы. Определим распределение высотных углов θ для середины трассы (см. рис. 6). Максимальное количество вспышек приходится для углов 45° – 55°, а выборки данных для этого диапазона соответствует разбросу значений косинуса зенитного угла 0.765 ± 7.2%.
Выборка экспериментальных данных в соответствии с выбранным критерием показана на рис. 7. Для фиксированного угла падения ионизирующего излучения разброс значений δA относительно линии тренда заметно меньше. Наблюдаемые результаты для δA = f (Wmax) и δA = f (δW) очень схожи, однако, в работах [5] – [8] для оценок предлагается использовать именно первый вариант.
Модель, предложенная в [5], имеет нелинейные участки для слабых вспышек Wmax < 3 дБ-мкВт/м2 и вспышек Wmax > 14 дБ-мкВт/м2. Распределение на верхней панели рис. 7 соответствует линейной части в этой модели. Для более детального исследования данной закономерности требуется большая статистическая выборка экспериментальных данных.
V.
О
БСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВВ результате исследования была построена зависимость изменения амплитуды от мощности рентгеновского излучения. Полученная закономерность распространения сигнала 22.2 кГц для исследуемой трассы получилась логарифмических линейной.
Влияние зенитного угла было исключено путем выборки данных для cos χ = 0.765 ± 7.2%. Оценка угла определялась для середины трассы JJI – Иркутск. Такой выбор обусловлен тем, что максимум амплитуды сигнала в дневные часы совпадает с максимумом косинуса зенитного угла в этой области. Это в свою очередь говорит о преимущественно одномодовом распространении сигнала с отражением в области над серединой трассы.
66
Рис. 7. Зависимость изменения амплитуды сигнала 22.2 кГц от пиковой мощности Wmax (верхняя панель) и относительного изменения δW интенсивности рентгеновского излучения (нижняя панель) при высотных углах θ ∈ [45;55] градусов
Для всех рассмотренных событий амплитуда сигнала увеличивалась. В сообщении [11] отмечалось, наоборот, уменьшение амплитуды во время вспышек. Такие же эффекты обнаружены у сигнала 18.2 кГц (Индия) для трассы VTX – Теплоэнергетик. Возможной причиной таких явлений может служить интерференционное подавление в результате возникновения благоприятных условий для многомодового распространения.
VI.
В
ЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕДля среднеширотной трассы JJI – Иркутск построены зависимости величины прироста амплитуды сигнала от изменяющейся интенсивности мягкого рентгеновского излучения. Данные измерений за 2017 год согласуются с результатами предшествующих научных работ.
В силу того, что не все солнечные вспышки воздействуют на амплитуду сигнала для выбранной трассы, необходимо проводить непрерывные измерения и производить статистическую выборку за гораздо больший промежуток времени.
С
ПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ[1] Jones S.L. Solar Flares: Investigations and Selected Research / edited by Sarah L. Jones. - NY: NOVA Science Publ., 2016.
[2] Полетаев А.С., Ченский А.Г., Токмачев Д.А.
Интерферометрические измерения параметров сверхдлинноволновых радиосигналов // XXIV Всероссийская
научная конференция "Распространение радиоволн", Иркутск, 29 июня – 5 июля 2014 г., Труды конференции. Т. I. 2014. С. 276-279.
[3] Poletaev A., Chensky A., Grigorev K. Software of the system for long- term ionospheric monitoring in very low frequency range //
International Siberian Conference on Control and Communications, Sibcon 2015. - Omsk, May 21-23 2015.
[4] Tokmachev D.A., Poletaev A.S., Bezrukin A.G., Chenskii A.G., Zasenko V.E., Gubin N.A. A Synchronization System of Very Low Frequency Interferometers / Instruments and Experimental Techniques, Vol. 57, No. 5, pp. 587–593, 2014.
[5] Thomson N.R., Waldrom I, McRae W.M. D-region electron densities during solar flares from VLF radio measurements / XXVII-th General Assembly of the International Union of Radio Science. – Maastricht, the Netherlands, 17-24 August 2002.
[6] Zigman V., Grubor D., Sulic D. D-region electron density evaluated from VLF amplitude time delay during X-ray solar flares // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2007.- Vol. 69. - Issue 7 - pp. 775-792.
[7] Беленький М.И., Орлов А.Б., Пронин А.Е., Уваров А.Н. О зависимости величины ВФА СДВ от зенитного угла Солнца на протяженных трассах в различных широтах / В сб. VIII Региональной конференции по распространению радиоволн. – СПб, С.-Петербург. гос. Ун-т, 29–30 октября 2002 г.
[8] Беленький М.И., Орлов А.Б., Пронин А.Е., Уваров А.Н.
Моделирование ВИВ по ВФА СДВ и анализ сопутствующих амплитудных вариаций / В сб. IX Региональной конференции по распространению радиоволн. – СПб, С.-Петербург. гос. Ун-т, 28 – 30 окт. 2003 г.
[9] SWPC / Space Weather Prediction Center // National Geographic and Atmospheric Administration [электронный ресурс]. – https://www.swpc.noaa.gov/ (дата обращения 20.04.2018)
[10] Лаборатория рентгеновской астрономии Солнца, ФИАН [электронный ресурс]. – http://tesis.lebedev.ru/ (дата обращения 19.04.2018).
[11] Поклад Ю.В., Рыбаков В.А., Гаврилов Б.Г. Влияние рентгеновских вспышек на распространение радиоволн СДВ диапазона в ионосфере Земли / В сб.: Тезисы докладов III Всероссийского семинара-совещания "Триггерные эффекты в геосистемах". – Москва, Институт динамики геосфер РАН, 16-19 июня 2015 г.
Ядренникова Ольга Владимировна. В 2012 году с отличием окончила ИрГУПС по специальности «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте».
Магистрант кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем ИРНИТУ. В область научных интересов входит обработка и статистический анализ данных, мониторинг нижней ионосферы в СДВ диапазоне.
Полетаев Александр Сергеевич. С отличием окончил ИРНИТУ в 2012 году по специальности
«Многоканальные телекоммуникационные системы». Ассистент, магистрант кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем ИРНИТУ, программист отдела информационно-измерительных систем. В область научных интересов входит мониторинг нижней ионосферы в СДВ диапазоне, программирование систем сбора данных, моделирование и цифровая обработка сигналов.
Ченский Александр Геннадьевич. Кандидат физико-математических наук, заведующий
кафедрой Радиоэлектроники и
телекоммуникационных систем ИРНИТУ.
Сферой научных интересов представляют информационно-измерительные системы, сбор и обработка данных, гидроакустические системы и методы исследования и мониторинга окружающей среды.