Измерение электрической компоненты

[наверх]

В качестве датчика для измерения вертикальной электрической компоненты используют токопроводящую сферу, диск или другое обтекаемое тело, устанавливаемое на высоте нескольких метров над землей на опоре из пакета изоляторов со сверхмалым током утечки (рис. 2.6.).

Рис.2.6. Примеры датчиков электрической компоненты резонанса Шумана

Слева - датчик обсерватории WISE, Тель-Авив, Израиль. Источник иллюстрации: сайт Atmospheric Electricity. В центре - датчик Модраской обсерватории, Словакия. Источник иллюстрации: материалы семинара CoPhys International Workshop 2008. Справа - датчик обсерватории Visnjan, Хорватия. Источник иллюстрации: страница обсерватории на сайте ВКонтакте.

Такой датчик фактически является конденсатором, одной обкладкой которого служит само тело, другой - земля, а электрическим полем между ними - вертикальная компонента естественного электрического поля. Поэтому при изменении напряженности вертикальной электрической компоненты резонанса Шумана изменяется потенциал проводящего тела относительно земли, и измерение сводится к измерению именно этого потенциала. Главной проблемой измерения при этом является малая величина емкости этого конденсатора и, соответственно, его исключительно высокое выходное сопротивление как источника электрического сигнала, на частотах измерения достигающее нескольких гигаом. Данное обстоятельство требует предельной минимизации утечек как у самого датчика, так и у входных цепей измерительного электронного блока.

Структура канала измерения электрической компоненты в целом такая же, как и канала магнитной компоненты, т.е. на его входе стоит предусилитель, далее - набор фильтров для формирования требуемой полосы пропускания, а на выходе - выходной масштабирующий усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, подключаемый к выходам требуемых фильтров. Основной проблемой канала является обеспечение требуемого (на уровне нескольких единиц или даже десятков гигаом) входного сопротивления предусилителя при минимальном, как и в случае индуктивного датчика, уровне собственных шумов. Поэтому предусилитель часто проектируют на дискретных компонентах с истоковым повторителем на МДП-транзисторе на входе (рис. 2.7).

Рис.2.7. Пример предусилителя сигнала электрической компоненты резонанса Шумана

Источник иллюстрации: SRR1 - Schumann Resonance Receiver

Датчики вертикальной электрической компоненты реагируют на случайные изменения электрического поля, вызванные всевозможными посторонними факторами - движением птиц, животных, деревьев, воздуха, акустическими вибрациями, каплями дождя и т.д., поэтому требуют соответствующей защиты прилегающей среды.

Еще одной проблемой является необходимость подавления синфазной помехи, вызванной большой величиной атмосферного статического электричества.

При необходимости измерения горизонтальных компонент электрического поля резонанса Шумана используют т.н. «земляную» антенну, принцип которой основан на измерении разности потенциалов между двумя точками земной поверхности, находящимися на линии вектора поля. Для измерения в заданные точки земли заглубляют специальные свинцовые неполяризующиеся электроды, аналогичные используемым в системах катодной защиты.

Рис.2.8. Датчик горизонтальной электрической компоненты резонанса Шумана

Источник иллюстраций: A Transportable System for Monitoring Ultra Low Frequency Electromagnetic Signals Associated with Earthquakes.

В целом публикаций по измерению электрической компоненты намного меньше, чем по измерению магнитной компоненты, что, возможно, объясняется существенно меньшей их распространенностью, а также более узкой спецификой и более сложной проблематикой.

 

Оцифровка и регистрация

[наверх]

Все интересующие параметры резонанса Шумана - центральные частоты, амплитуды, добротности и их изменение во времени могут быть получены только путем цифровой фильтрации и последующего спектрального анализа измеряемых сигналов, для чего они должны быть представлены в виде оцифрованных выборок. Оцифровку осуществляют с помощью стандартных регистраторов-дигитайзеров либо с помощью стандартных аналого-цифровых преобразователей, сопряженных с микроЭВМ. В связи с низкими частотами сигнала оцифровка каких-либо серьезных проблем не представляет. Обычно используют аналого-цифровое преобразование с разрядностью 16 - 24 бит и частотой выборки от 40 до 200 Гц. Оцифрованный сигнал записывают в буферную оперативную или флэш-память регистратора, откуда передают по проводному интерфейсу или беспроводному каналу связи (например, GSM) в удаленную ЭВМ для последующей цифровой обработки.

Для привязки оцифрованного сигнала к меткам времени используются внешние сигналы. Обычно для этой цели используется GPS-сигнал временной синхронизации, однако могут быть использованы и другие варианты, например сихронизация по радиосигналам станций точного времени или по данным NT-серверов сети Интернет.

Возможный вариант структуры системы сбора данных резонанса Шумана с передачей их в центральную удаленную ЭВМ показан на рис.2.9.

Рис.2.9. Система сбора и передачи данных резонанса Шумана

 

Сводная информация по датчикам компонент резонанса и Шумана и системам на их основе, найденная при подготовке данного обзора, приведена в приложении C.

 

Обработка

[наверх]

Полезную информацию, необходимую для использования резонанса Шумана в научных и практических целях, несет как сам сигнал во временнОй области, так и его спектральная характеристика. Cигналы во временной области используются для вычисления суммарных параметров электрической и магнитной компонент и вектора Пойнтинга во всем диапазоне частот. Кроме того, обработка сигнала во временнОй области позволяет обнаруживать Q-импульсы - кратковременные всплески, амплитуда которых существенно (на порядок и более) превышает фоновый уровень сигнала резонанса. Данные всплески возникают при сверхмощных грозовых разрядах, вызывающих различные световые явления в ионосфере, в частности, спрайты, и используются в качестве индикатора при «охоте» за последними.

Спектральный анализ используется для вычисления кратковременных и усредненных за заданный период параметров резонансов - центральных частот, амплитуд и добротностей и их вариаций в течение заданных интервалов наблюдения. Данные параметры используются для постоянного мониторинга состояния ионосферы, а также в различных геофизических исследованиях. Для вычисления спектральной характеристики чаще всего используют быстрое преобразование Фурье (БПФ), но для ряда задач могут использоваться и другие преобразования, например, Гильберта.

Главной проблемой при обработке сигналов резонанса Шумана является исключительно высокий уровень помех, превышающий фоновый уровень на 40-70 дБ (см. рис.2.10), поэтому первостепенной задачей является фильтрация данных помех, которая может производиться как во временной, так и в частотной области.

Рис. 2.10. Исходный сигнал резонанса Шумана с наложенными помехами (слева) и его спектральная характеристика (справа).

источник иллюстрации - Discussion on Schumann Resonance Measurement and Data Processing

Для фильтрации помех могут использоваться различные приемы и методы из известного арсенала статистической обработки данных и цифровой фильтрации, в частности:

· методы периодограмм, используемые для получения усредненных значений сигналов и их спектров;

· методы, основанные на алгоритмах сингулярного разложения матриц (SVD - Singular Value Decomposition), используемые для фильтрации случайных импульсных помех, например, широко используемые для обработки изображений медианные фильтры;

· методы, основанные на аппроксимации спектральных характеристик специальными функциями, из которых наиболее часто используется аппроксимация функциями Лоренца,

а также целый ряд других. В качестве программных средств при этом используются как специализированные программные средства, в т.ч. встраиваемые в прикладные программы, предназначенные для извлечения из резонанаса Шумана конкретной информации, так и готовые универсальные пакеты типа Mathematica, MathCad, MathLab и др.

Для примера на рис. 2.11 показан результат фильтрации спектрограммы методом SVD, а на рис. 2.12 - результат обработки спектральной характеристики методами периодограмм, SVD и аппроксимацией по Лоренцу.

Рис. 2.11. Исходная и обработанная медианным фильтром спектрограмма резонанса Шумана.

источник иллюстрации - M.Landauskas et al. Algebraic and Spectral Analysis of Magnetic Field

 

Рис. 2.12. Результат обработки спектральной характеристики методами периодограмм и SVD (слева) и аппроксимацией по Лоренцу (справа).

источник иллюстрации - Discussion on Schumann Resonance Measurement and Data Processing

Задача фильтрации помех при наблюдении за резонансом Шумана является достаточно сложной и разноплановой и зависит от параметров локальных помех и прикладных задач. Поэтому на практике использутся достаточно широкий круг методов и алгоритмов, в т.ч. постоянно ведется разработка новых. Подробный разбор данной проблематики выходит за рамки настоящего обзора и является предметом отдельной работы.

Отфильтрованные сигналы и спектры далее используются для извлечения информации, необходимой для конкретных прикладных задач. Это могут быть как параметры самих сигналов, так и параметры резонансов - частоты, амплитуды и добротности, усредненные за заданный период времени, а также их вариации. Для этой цели могут использоваться как разрабатываемые прикладные программы, так и универсальные программные пакеты, в т.ч. упомянутые выше. Проблематика прикладной обработки будет рассмотрена в главе, посвященной научно-практическим приложениям, использующим резонанс Шумана как источник геофизической информации.

 

Мониторинг

[наверх]

Исследования, связанные с наблюдением резонанса Шумана, носят длительный характер и требуют постоянного накопления и обработки данных. Данная задача решается с помощью как одиночных станций мониторинга, так и сетей станций, расположенных в различных географических районах. Такие станции и сети мониторинга могут быть как универсальными, т.е. предназначенными для получения данных общего назначения, так и специализированными, ориентированными на конкретные прикладные задачи - наблюдение за глобальной грозовой активностью, климатом, сейсмической обстановкой и другими геофизическими явлениями и параметрами. Более подробно на приложениях, основанных на использовании информации, извлекаемой из резонанса Шумана, мы остановимся в следующих главах. Краткий обзор наиболее известных и наиболее часто упоминаемых в исследовательских работах станций мониторинга приведен в приложении D.

 

* * *