Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков
Предложен новый метод определения дистанции до молнии и эффективной высоты нижней границы ионосферы на основе явления частотной дисперсии сигналов твик-атмосфериков (твиков), распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера в ночное время. Приведены примеры определения с помощью предложенного метода д...
Saved in:
| Date: | 2011 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2011
|
| Series: | Радіофізика та електроніка |
| Subjects: | |
| Online Access: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78102 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков / А.В. Швец, Ю.В. Горишняя // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 4. — С. 53-59. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-78102 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-781022015-03-12T03:02:05Z Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков Швец, А.В. Горишняя, Ю.В. Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Предложен новый метод определения дистанции до молнии и эффективной высоты нижней границы ионосферы на основе явления частотной дисперсии сигналов твик-атмосфериков (твиков), распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера в ночное время. Приведены примеры определения с помощью предложенного метода дальности до молнии (в диапазоне 500 - 2500 км) и эффективной высоты нижней ионосферы вдоль трассы распространения твика по экспериментальным записям. Получены оценки точности определения высот и дальностей при использовании описанного алгоритма. A technique for distance finding to lightning discharges and the effective height of the lower ionosphere based on dispersion properties of tweek-atmospherics (tweeks), which propagate in the Earth-ionosphere waveguide during nighttime, is proposed. Examples of the distance (in the range from 500 to 2500 km) and effective ionospheric height estimation are demonstrated on experimental records of tweeks. Accuracy of estimations of the parameters in the proposed algorithm are obtained. Запропоновано новий метод визначення дистанції до блискавки та ефективної висоти нижньої межі іоносфери на основі явища частотної дисперсії сигналів твік-атмосфериків (твіків), що поширюються у хвилеводі Земля-іоносфера в нічний час. Наведено приклади визначення за допомогою запропонованого методу дальності до блискавки (у діапазоні 500...2500 км) та ефективної висоти іоносфери вздовж траси поширення твіка за експериментальними записами. Одержані оцінки точності визначення висоти та дальності при використанні описаного алгоритму. 2011 Article Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков / А.В. Швец, Ю.В. Горишняя // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 4. — С. 53-59. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 1028-821X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78102 550.388.2 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування |
| spellingShingle |
Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Швец, А.В. Горишняя, Ю.В. Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков Радіофізика та електроніка |
| description |
Предложен новый метод определения дистанции до молнии и эффективной высоты нижней границы ионосферы на основе явления частотной дисперсии сигналов твик-атмосфериков (твиков), распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера в ночное время. Приведены примеры определения с помощью предложенного метода дальности до молнии (в диапазоне 500 - 2500 км) и эффективной высоты нижней ионосферы вдоль трассы распространения твика по экспериментальным записям. Получены оценки точности определения высот и дальностей при использовании описанного алгоритма. |
| format |
Article |
| author |
Швец, А.В. Горишняя, Ю.В. |
| author_facet |
Швец, А.В. Горишняя, Ю.В. |
| author_sort |
Швец, А.В. |
| title |
Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков |
| title_short |
Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков |
| title_full |
Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков |
| title_fullStr |
Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков |
| title_full_unstemmed |
Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков |
| title_sort |
локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков |
| publisher |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/78102 |
| citation_txt |
Локация молний и оценка высоты нижней ионосферы с использованием дисперсионных характеристик твик-атмосфериков / А.В. Швец, Ю.В. Горишняя // Радіофізика та електроніка. — 2011. — Т. 2(16), № 4. — С. 53-59. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
| series |
Радіофізика та електроніка |
| work_keys_str_mv |
AT švecav lokaciâmolnijiocenkavysotynižnejionosferysispolʹzovaniemdispersionnyhharakteristiktvikatmosferikov AT gorišnââûv lokaciâmolnijiocenkavysotynižnejionosferysispolʹzovaniemdispersionnyhharakteristiktvikatmosferikov |
| first_indexed |
2025-07-06T02:16:27Z |
| last_indexed |
2025-07-06T02:16:27Z |
| _version_ |
1836862079110217728 |
| fulltext |
ППООШШИИРРЕЕННННЯЯ РРААДДІІООХХВВИИЛЛЬЬ,, РРААДДІІООЛЛООККААЦЦІІЯЯ ТТАА ДДИИССТТААННЦЦІІЙЙННЕЕ ЗЗООННДДУУВВААННННЯЯ
_________________________________________________________________________________________________________________
__________
ISSN 1028−821X Радіофізика та електроніка, 2011, том 2(16), № 4 © ІРЕ НАН України, 2011
УДК 550.388.2
А. В. Швец, Ю. В. Горишняя
ЛОКАЦИЯ МОЛНИЙ И ОЦЕНКА ВЫСОТЫ НИЖНЕЙ ИОНОСФЕРЫ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИСПЕРСИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВИК-АТМОСФЕРИКОВ
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: alexander_shvets@ukr.net
Предложен новый метод определения дистанции до молнии и эффективной высоты нижней границы ионосферы на ос-
нове явления частотной дисперсии сигналов твик-атмосфериков (твиков), распространяющихся в волноводе Земля-ионосфера в
ночное время. Приведены примеры определения с помощью предложенного метода дальности до молнии (в диапазоне 500…2500 км)
и эффективной высоты нижней ионосферы вдоль трассы распространения твика по экспериментальным записям. Получены оценки
точности определения высот и дальностей при использовании описанного алгоритма. Ил. 4. Табл. 3. Библиогр.: 20 назв.
Ключевые слова: локация молний, волновод Земля-ионосфера, мониторинг нижней ионосферы.
Максимум спектральной плотности излу-
чения от разряда молнии приходится на диапазоны
сверхнизких частот (СНЧ) 3…3 000 Гц и очень
низких частот (ОНЧ) 3…30 кГц. Электромагнит-
ный импульс, излученный молнией, распространя-
ется на тысячи километров внутри полости Земля-
ионосфера. Верхней границей волновода для СНЧ-
ОНЧ-радиоволн служит область нижней ионосфе-
ры на высотах 60…90 км с низкой концентрацией
заряженных частиц (106…109 м−3). Данная область
ионосферы является важным элементом в цепочке
воздействия явлений космической погоды на ок-
ружающую среду, однако непрерывный монито-
ринг ее состояния вызывает определенные трудно-
сти при использовании станций ионосферного
зондирования и других средств. В связи с этим
получили распространение методы исследования с
помощью радиопросвечивания волновода Земля-
ионосфера радиоволнами ОНЧ-радиостанций, а
также с использованием импульсных излучений,
возбуждаемых разрядами молний.
В ночное время, вследствие повышения
нижней границы ионосферы и соответствующего
уменьшения потерь в ней, наблюдаются сигналы
твик-атмосфериков (далее – твиков), в формиро-
вании которых существенную роль играют волны,
падающие на ионосферу под крутыми углами [1]
и формирующие «хвостовую» часть сигналов
твиков длительностью 10…150 мс.
Интерес к исследованиям твиков обуслов-
лен возможностью их использования для диагнос-
тики свойств нижней ионосферы [1−16] и одно-
позиционных методов локации молний [17−20].
Пример экспериментальной записи гори-
зонтальных магнитных компонент (поперечной Hϕ
и продольной Hρ по отношению к направлению
распространения) и вертикальной электрической
компоненты Ez поля твика приведен на рис. 1. Мож-
но видеть, что головная часть твика (τ < 0,5 мс) ли-
нейно поляризована, поскольку представлена толь-
ко в поперечной магнитной компоненте, что ис-
пользуется для определения азимута источника [17].
0 5 10 15 20 25 30 35
-2000
0
2000
-2000
0
2000
-2000
0
2000
ϕH
Hρ
τ, мс
Ez
τ, мс
Hρ
Hϕ
0 5 10 15 20 25 30 35
-2000
2000
-2000
-2000
2000
-2000
2000
0
0
0
Ez
2000
Рис. 1. Волновые формы компонент поля твика. Запись сдела-
на в точке с координатами 5,5° в. д., 16,7° ю. ш., 21.01.1991 г. в
19:46:34 универсального времени
«Хвостовая» часть сигнала представлена
в обеих магнитных компонентах поля и обладает
эллиптической, близкой к круговой, левой поля-
ризацией [9, 11, 14–16]. На основании этого
свойства, обусловленного анизотропией нижней
ионосферы, были получены оценки электрон-
ной концентрации в окрестности высоты отра-
2000
0
–2000
2000
0
–2000
2000
0
–2000
0 5 10 15 20 25 30 35 τ, мс
А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний…
_________________________________________________________________________________________________________________
54
жения ОНЧ-радиоволн по результатам анализа
твиков [15]. В работе [12] твики интерпретирова-
лись как резонансные колебания в поперечном
сечении плоского бесконечного резонатора Зем-
ля-ионосфера, а также были получены оценки
проводимости нижней ионосферы.
В динамическом спектре твика в коорди-
натах время-частота (рис. 2) можно наблюдать
несколько дисперсионных ветвей, представляю-
щих первую и высшие моды. Частоты этих ветвей
убывают по частоте со временем и приближаются
асимптотически к критическим частотам волно-
вода Земля-ионосфера в соответствии со сле-
дующей дисперсионной зависимостью [7, 11]:
2
11
)(
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +−
=
D
c
f
f cp
p
τ
τ , (1)
где время τ отсчитывается от момента прихода атмо-
сферика в точку наблюдения; fcp = cp/2h – крити-
ческая частота p-й моды (p = 1, 2, 3…); c – ско-
рость света в вакууме; D – дистанция до источника;
h – высота нижней границы ионосферы над по-
верхностью Земли.
Выражение (1) является основой методов
определения дистанции до источника и высоты
волновода по сонограмме (или динамическому
спектру) твика [1, 7, 8]. Требования получения
одновременно высокого разрешения по частоте и
по времени ограничивают точность данных мето-
дов. В работах [17, 18] предложен метод опреде-
ления дистанции до источника и высоты волно-
вода («харьковский» метод [19]) по фазовому
спектру продольной магнитной компоненты поля
для первой моды, который получен по результа-
там трехкомпонентных измерений твиков. Это
позволило получить ошибку определения дистан-
ции до источника приблизительно 5 % [19]. Метод
определения высоты и дальности, основанный на
свойствах интерференции нулевой и первой мод в
амплитудном спектре твика, приведен в работе [20],
где показана возможность мониторинга измене-
ний высоты нижней ионосферы в течение ночи и
в зависимости от сезона.
По спектру хвостовой части твика можно
оценить частоты отсечки, однако точность таких
оценок ограничена вследствие затухания сигнала
в непосредственной близости от этих частот.
Поэтому для получения более точных оценок не-
обходим учет частотной дисперсии сигнала, ко-
торая определяется расстоянием до источника и
высотой волновода.
В настоящей работе предложен алгоритм
построения дисперсионных зависимостей по ди-
намическим спектрам твик-атмосфериков и опре-
деления эффективной высоты ионосферы и даль-
ности до молнии. Предложенный алгоритм по-
зволяет повысить эффективность сонограммного
метода, оценить погрешности определения даль-
ности и высоты, он также может быть использо-
ван для построения автоматизированной системы
мониторинга нижней ионосферы и однопози-
ционной локации молний.
а)
2 4 6 8 10 12 14
0
5
10
15
20
τ, мс
f,
кГ
ц
2 4 6 8 10 12 14
τ, мс
20
15
10
5
0
б)
Рис. 2. Волновая форма (а) и динамический спектр (б) про-
дольной магнитной компоненты Hρ (запись, показанная на
рис. 1)
1. Метод линейной регресcии для опре-
деления высоты волновода и дистанции до
источника. Определение D и h обычно выполня-
ется путем подгонки этих двух параметров для
получения минимального среднеквадратического
отклонения экспериментальных точек, соответст-
вующих дисперсионной ветви на динамическом
спектре твика, от теоретической зависимости (1) [8].
Для упрощения процесса подгонки представим (1)
в двух вариантах:
1
)(1
1
22
−
−
=
τ
τ
pcp ff
cD , (2)
5 10 15 20
-400
-200
0
200
400
τ, мс
a,
о
тн
. е
д.
5 10 15 20
τ, мс
-400
-200
400
200
0
400
200
0
–200
–400
a,
о
тн
. е
д
f,
кГ
ц
20
15
10
5
0
А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний…
_________________________________________________________________________________________________________________
55
2
11)(
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ +−=
D
cff pcp
ττ . (3)
Выражения (2) и (3) позволяют свести определе-
ние двух искомых параметров D и fcp (h = сp/2fcp)
к проблеме одномерной оптимизации.
Построим линейную регрессию для D из (2)
по точкам экспериментальной дисперсионной
зависимости fp(τk) и начальному значению fcp
.),( ττ BAhD +=′ (4)
Коэффициенты регрессии, определенные по ме-
тоду наименьших квадратов, равны
[ ]
,)(
,
)(
)()(),(
1
2
1
τ
ττ
τττ
BhDA
hDhD
B N
k
k
N
k
kk
−=
−
−−
=
∑
∑
=
=
(5)
где верхняя черта обозначает среднее значение.
Минимизируя абсолютное значение коэффициен-
та наклона линии регрессии |B| вариацией fcp, по-
лучим оценки обоих параметров. Аналогичную
процедуру можно выполнить на основе (3) мини-
мизацией наклона линейной регрессии ),( τDfcp′ .
Далее опишем детально процедуру обра-
ботки экспериментальных записей. Вначале опре-
делялся азимут прихода твика с помощью вычис-
ления вектора Умова-Пойнтинга в широкой полосе
частот [17]. Временные формы магнитных компо-
нент преобразовывались к системе координат, свя-
занной с направлением на источник (см. рис. 1).
Рассматривая в дальнейшем продольную компо-
ненту поля, мы избавляемся от влияния мощной
головной части и низкочастотной составляющей
(нулевой моды), которые линейно поляризованы.
Первая и высшие моды эллиптически поляризо-
ваны и вносят вклад как в поперечную, так и в
продольную компоненты поля твика.
Для получения дисперсионных зависи-
мостей в сигнале твика строились динамические
спектры (сонограммы) компонент поля с помощью
алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Для уменьшения влияния краевых эффектов на
спектральные оценки перед выполнением БПФ
текущая реализация умножалась на временное
окно Хэмминга. Частоты максимумов уточнялись
с помощью вычисления центра тяжести соответ-
ствующего пика по точке максимума и двум со-
седним отсчетам в амплитудном спектре
11
11
max
)1()1(
+−
+−
++
+++−
Δ=
kkk
kkk
WWW
WkkWWk
ff , (6)
где k – номер отсчета, соответствующий максиму-
му в спектре сигнала, k = 0…N−1; N – длина БПФ;
Δf – шаг по частоте в дискретном спектре;
2
kk HW = .
Начальную оценку высоты, как упомина-
лось выше, можно получить по хвостовой части
твика. Для этого рассчитывался спектр сигнала с об-
нуленной головной частью длительностью 2,56 мс.
По первому пику, соответствующему первой мо-
де, определялся отсчет в спектре, в котором ам-
плитуда падает в два раза в сторону низких час-
тот от максимума. Полученная частота принима-
ется в качестве начальной оценки частоты отсеч-
ки первой моды. Оценки частот отсечки для выс-
ших мод принимались кратными частоте отсечки
первой моды.
По начальной оценке критической часто-
ты с помощью (2) рассчитывались значения дис-
танции для нескольких задержек в начале им-
пульса (1, 2, 3, 4 мс). Среднее по полученным
значениям бралось в качестве первоначальной
оценки дистанции.
Выделение участков ветвей дисперсион-
ных зависимостей выполнялось по следующим
критериям:
– амплитуда спектральной составляющей пре-
вышает пороговое значение (эмпирически подоб-
ранное по анализу ансамбля данных);
– значение частоты максимума находится в
«коридоре» шириной ± 250 Гц, который построен
относительно дисперсионной кривой, полученной
в начальном приближении.
Для улучшения разрешения по времени в
начальной части твика, где наблюдается большая
частотная дисперсия, текущие спектры рассчиты-
вались по реализациям переменной длины. Длина
реализации определялась таким образом, чтобы в
нее попадало приблизительно одинаковое коли-
чество периодов текущей частоты (4 периода в
нашем случае). Для этого использовалась зависи-
мость (1), полученная по начальным оценкам вы-
соты волновода и дальности до источника.
2. Применение алгоритма к эксперимен-
тальным записям твиков. Предложенная методи-
ка тестировалась с помощью экспериментальных
записей, сделанных на борту научно-исследова-
тельского судна «Академик Вернадский» [15].
В эксперименте сигналы трех компонент поля с
выхода антенных усилителей фильтровались в по-
лосе 0,3…13 кГц и затем синхронно оцифровыва-
лись 12-разрядными аналого-цифровыми преоб-
разователями с частотой дискретизации 100 кГц.
Волновые формы длительностью 40,96 мс накап-
ливались на жестком диске компьютера.
Для демонстрации применения методики
далее приведены примеры определения дальнос-
ти и эффективной высоты ионосферы вдоль трас-
сы распространения для трех дистанций в диапа-
зоне от 500 км до 2,5 Мм по экспериментальным
записям твиков.
Можно выделить два основных фактора,
влияющих на точность оценок. Первый – случай-
А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний…
_________________________________________________________________________________________________________________
56
ные шумы, связанные как с собственными шума-
ми приемной аппаратуры, так и с атмосферными
импульсными помехами от дальних молний, ко-
торые могут наложиться на анализируемую реа-
лизацию. Второй фактор – методические погреш-
ности, которые связаны со смещением спектраль-
ных оценок мгновенной частоты сигнала, харак-
теризующегося сильной частотной дисперсией в
комбинации со значительными вариациями ампли-
туды в пределах анализируемых временных реа-
лизаций.
Очевидно, что первый фактор в основном
влияет на точность оценки критической частоты
волновода, поскольку становится доминирующим
в хвостовой части сигнала твика, где частота при-
ближается к частоте отсечки, а амплитуда падает.
Второй фактор может играть существенную роль
в оценке как высоты, так и дальности, в началь-
ной части импульса, где велика частотная дис-
персия сигнала, а ее зависимость от времени оп-
ределяется обоими этими параметрами.
Как отмечалось выше, при описании мето-
дики, для определения значений текущих частот
выбирается интервал, вмещающий фиксированное
число осцилляций на первой моде. Поскольку ко-
личество осцилляций в сигнале для высших мод
будет в кратное количество раз больше при той
же относительной перестройке частоты, что и для
первой моды, то можно ожидать более точных
оценок искомых параметров при использовании
высших мод в сигнале твика.
Пример определения дальности до источ-
ника и эффективной высоты ионосферы по восьми
ветвям твика (см. рис. 1, 2) продемонстрирован на
рис. 3. Крестиками обозначены оценки дальности,
полученные по формуле (2) для каждого отсчета
соответствующей дисперсионной кривой. Сплош-
ные горизонтальные линии линейной регрессии
соответствуют найденным значениям дальности
после минимизации модуля угла наклона, путем
подбора значения высоты.
В табл. 1 приведены средние значения
эффективной высоты и дальности с соответст-
вующими стандартными отклонениями, получен-
ные по дисперсионным зависимостям для каждой
ветви.
Графическое представление данных из
табл. 1 показано на рис. 4. Необходимо отметить,
что наблюдается корреляция между оценками даль-
ности и высоты: большим значениям оценки даль-
ности соответствуют большие значения оценок
высоты, что следует из зависимостей (2), (3). Сред-
ние значения высоты и дальности и соответствую-
щие им среднеквадратические отклонения, вычис-
ленные по всем восьми модам (h = (87,99 ± 0,81) км;
D = (1,16 ± 0,15) Мм), показаны горизонтальными
линиями.
0 5 10 15
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
0 5 10 15 20 25
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
а) б)
0 5 10 15 20
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
0 5 10 15
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
в) г)
0 5 10 15
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
0 5 10 15
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
д) е)
0 5 10 15
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
0 5 10 15
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
ж) з)
Рис. 3. Оценки высоты ионосферы и дистанции до источника по
1–8-й дисперсионным ветвям твика (а−з соответственно)
Таблица 1
№ ветви h, км D, Мм
1 89,85 ± 1,09 1,35 ± 0,11
2 87,79 ± 1,86 1,16 ± 0,43
3 87,93 ± 0,79 1,11 ± 0,25
4 87,84 ± 0,38 1,17 ± 0,06
5 87,92 ± 0,46 1,19 ± 0,10
6 88,17 ± 0,58 1,20 ± 0,09
7 87,6 ± 0,78 1,10 ± 0,06
8 86,83 ± 0,38 0,96 ± 0,06
0 5 10
0
1
2
N
, МмD
0 5 10
85
90
95
N
, кмh
а) б)
Рис. 4. Оценки значений дальности до источника (а) и эффек-
тивной высоты ионосферы (б). Показаны доверительные ин-
тервалы по уровню значимости 70 % (±σ) и средние значения
параметров по всем модам
τ, мс τ, мс
τ, мс τ, мс
τ, мс τ, мс
τ, мс τ, мс
А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний…
_________________________________________________________________________________________________________________
57
Можно видеть, что значения средних на-
ходятся внутри интервалов среднеквадратичных
отклонений для 2–7-й ветвей. Для 1-й и 8-й ветви
наблюдаются существенные отклонения от сред-
них в сторону больших и меньших значений со-
ответственно.
Твики от источников с дистанций более
1,5 Мм имеют, как правило, не более двух-четырех
ветвей в составе сигнала. На рис. 5 приведен при-
мер оценки для твика с дальности около 2,5 Мм,
для которого удалось выделить 6 мод. Запись про-
изведена в точке с координатами 5,5° в. д., 16,7° ю. ш.
21 января 1991 г. в 20:30:47 универсального вре-
мени. Результаты оценок сведены в табл. 2.
0 5 10 15 20 25
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
0 5 10 15 20 25
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
а) б)
0 5 10 15 20
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
0 5 10 15 20
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
в) г)
0 5 10 15 20
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
0 5 10 15
0
1
2
3
τ, мс
, МмD
д) е)
Рис. 5. Оценки дистанции до источника по 1–6-й дисперсион-
ным ветвям твика (а-е соответственно)
Таблица 2
№ ветви h, км D, Мм
1 87,49 ± 0,56 2,48 ± 0,15
2 87,17 ± 0,75 2,44 ± 0,23
3 86,96 ± 0,69 2,47 ± 0,17
4 87,03 ± 1,36 2,55 ± 0,25
5 87,10 ± 1,26 2,56 ± 0,18
6 86,65 ± 0,99 2,46 ± 0,13
Дистанция до источника, определенная таким
способом, по всем ветвям равна D = (2,49 ± 0,20) Мм.
Среднее значение высоты по шести ветвям со-
ставляет h = (87,21 ± 0,94) км.
Рис. 6 демонстрирует средние и табличные
значения параметров, определенные по 1–6-й мо-
дам. Видно, что средние значения оценок h и D
находятся в пределах доверительного интервала
по уровню ±σ для всех мод.
0 5 10
2
3
N
, МмD
0 5 10
85
90
95
N
, кмh
а) б)
Рис. 6. Оценки значений дальности до источника (а) и эффек-
тивной высоты ионосферы (б). Показаны доверительные ин-
тервалы по уровню значимости 70 % (±σ) и средние значения
параметров по всем модам
В твиках с близких дистанций (менее 1,5 Мм)
может наблюдаться различное число ветвей,
вплоть до 8−9. Пример оценки для записи твика, при-
шедшего с близкой дистанции, показан на рис. 7.
Данная запись сделана в точке с координатами
47° в. д., 25° ю. ш. 2 февраля 1991 г. в 20:02:30
универсального времени.
0 5 10 15
0
1
2
τ, мс
, МмD
0 5 10 15
0
1
2
τ, мс
, МмD
а) б)
0 5 10 15
0
1
2
τ, мс
, МмD
0 5 10 15
0
1
2
τ, мс
, МмD
в) г)
0 5 10 15
0
1
2
τ, мс
, МмD
0 5 10 15
0
1
2
τ, мс
, МмD
д) е)
0 5 10 15
0
1
2
τ, мс
, МмD
0 5 10 15
0
1
2
τ, мс
, МмD
ж) з)
Рис. 7. Оценки высоты ионосферы и дистанции до источника
по 1–8-й дисперсионным ветвям твика (а-з соответственно)
τ, мс τ, мс
τ, мс τ, мс
τ, мсτ, мс
τ, мс
τ, мс τ, мс
τ, мс
τ, мсτ, мс
τ, мс τ, мс
А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний…
_________________________________________________________________________________________________________________
58
В табл. 3 приведены параметры, определен-
ные раздельно по восьми ветвям. Видно, что средне-
квадратические отклонения составляют 10−30 % по
дальности и 1−2 % по высоте. Усредненные по
всем ветвям величины дальности и эффективной
высоты равны (0,64 ± 0,15) Мм и (89,7 ± 1,7) км
соответственно. Для всех ветвей данного твика
они лежат в пределах 70 % доверительного ин-
тервала (±σ).
Таблица 3
№ ветви h, км D, Мм
1 90,87 ± 1,05 0,59 ± 0,16
2 90,56 ± 1,47 0,69 ± 0,06
3 89,49 ± 2,06 0,60 ± 0,13
4 89,58 ± 1,70 0,65 ± 0,06
5 88,70 ± 1,79 0,57 ± 0,11
6 89,07 ± 1,01 0,69 ± 0,11
7 89,79 ± 1,48 0,70 ± 0,19
8 89,68 ± 1,76 0,68 ± 0,17
Рис. 8 демонстрирует средние и табличные
значения параметров, определенные по 1–8-й модам.
Видно, что средние значения оценок h и D нахо-
дятся в пределах доверительного интервала по
уровню ±σ для всех мод.
0 5 10
0
1
N
, МмD
0 5 10
85
90
95
N
, кмh
а) б)
Рис. 8. Оценки значений дальности до источника (а) и эффек-
тивной высоты ионосферы (б). Показаны доверительные ин-
тервалы по уровню значимости 70 % (±σ) и средние значения
параметров по всем модам
Выводы. Таким образом, предложен ал-
горитм построения дисперсионных зависимостей
по динамическим спектрам твик-атмосфериков и
определения эффективной высоты ионосферы и
дальности до молнии. Предложенный алгоритм
позволяет повысить эффективность применения
сонограммного метода, оценить погрешности
определения дальности и высоты, он может быть
использован для построения автоматизированной
системы мониторинга нижней ионосферы и одно-
позиционной локации молний. Работа алгоритма
продемонстрирована на экспериментальных запи-
сях твик-атмосфериков для дистанций в диапазо-
не 0,6…2,5 Мм. Показано, что предложенный
алгоритм может обеспечить точность определе-
ния дистанции до 10 %, а высоты до 1 % при
дальностях до источника более 1000 км.
1. Ohtsu J. Numerical study of tweeks based on wave-guide
mode theory / J. Ohtsu // Proc. Res. Inst. Atmos. Nagoya Un-
iv. – 1960. – 7. – P. 58−71.
2. Cummer S. A. Lightning and ionospheric remote sensing using
VLF/ELF radio atmospherics: Ph. D. diss. / S. A. Cummer. –
Stanford: Department Electrical Engineering of Stanford Un-
iv. – 1997. – 127 p.
3. Cummer S. A. Ionospheric D-region remote sensing using
VLF radio atmospherics / S. A. Cummer, U. S. Inan,
T. F. Bell // Radio Sci. – 1998. – 33, N 6. – P. 1781−1792.
4. Cummer S. A. Modelling electromagnetic propagation in the
Earth-ionosphere waveguide / S. A. Cummer // IEEE Trans.
Ant. Prop. – 2000. – 48, N 9. – P. 1420−1429.
5. Recent findings on VLF/ELF spherics / M. Hayakawa,
K. Ohta, S. Shimakura, K. Baba // J. Atmos. Terr. Phys. –
1995. – 57, N 5. – P. 467−477.
6. Yamashita M. Some considaration of the polarization error in
direction finding of atmospherics-I. Effect of the Earth's mag-
netic field / M. Yamashita, K. Sao // J. Atmos. Terr Phys. –
1974. – 36, N 10. – P. 1623−1632.
7. Yano S. Wave-form analysis of tweek atmospherics / S. Yano,
T. Ogawa, H. Hagino // Res. Lett. Atmos. Electr. – 1989. –
9. – P. 31−42.
8. Yano S. Dispersion Characteristics and Waveform Analysis of
Tweek Atmospherics // Environmental and Space Electro-
magnetics / S. Yano, T. Ogawa, H. Hagino; ed. by H. Kikuchi. –
Tokyo: Springer-Verlag, 1991. – P. 227−236.
9. Experimental investigation of the tweek field structure /
D. Ye. Yedemsky, B. S. Ryabov, A. Yu. Shchokotov,
V. S. Yarotsky // Adv. Space Res. – 1992. – 12, N 6. – P. 251−254.
10. Рафальский В. А. Резонансные явления в поперечном
сечении промежутка Земля-ионосфера и их влияние на
возбуждение и распространение радиоволн: дис. …канд.
физ.-мат. наук / В. А. Рафальский. – Х.: Радиоастрономич.
ин-т АН Украины, 1991. – 112 с.
11. Швец А. В. Экспериментальное исследование распростра-
нения СНЧ-СДВ атмосфериков и динамика мировой грозо-
вой активности: дис. …канд. физ.-мат. наук / А. В. Швец. –
Х.: Харьков. гос. ун-т, 1994. – 153 с.
12. Михайлова Г. А. Тонкая частотно-временная структура
атмосфериков типа «твики» и ОНЧ диагностика парамет-
ров ночной нижней ионосферы / Г. А. Михайлова,
О. В. Капустина // Геомагнетизм и аэрономия. – 1988. –
28, № 6. – C. 1015−1018.
13. Yamashita M. Propagation of tweek atmospherics / M. Yama-
shita // J. Atmos. Terr. Phys. – 1978. – 40, iss. 2. – P. 151−156.
14. Hayakawa M. Wave characteristics of tweek atmospherics
deduced from the direction-finding measurement and theoreti-
cal interpretation / M. Hayakawa, K. Ohta, K. Baba // J. Geo-
phys. Res. – 1995. – 99, N D5. – P. 10733−10743.
15. Shvets A. V. Polarization effects for tweek propagation /
A. V. Shvets, M. Hayakawa // J Atmos. Solar-Terr. Phys. –
1998. – 60, N 4. – P. 461–469.
16. Швец А. В. О поляризационных свойствах твиков /
А. В. Швец // Радиофизика и электрон.: сб. научн. тр. /
Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. – Х., 1997. –
2, № 2. – С. 101–106.
17. A time domain direction finding technique for locating wide
band atmospherics / A. P. Nickolaenko, V. A. Rafalsky,
A. V. Shvets, M. Hayakawa // J. Atmos. Electricity. – 1994. –
14, N 1. – P. 97−107.
18. Rafalsky V. A. One-site distance-finding technique for locating
lightning discharges / V. A. Rafalsky, A. V. Shvets, M. Haya-
kawa // J. Atmos. Terr. Phys. – 1995. – 57, N 11. – P. 1255–1261.
19. Brundell J. B. Validation of single station lightning location
technique / J. B. Brundell, C. J. Rodger, R. L. Dowden //
Radio Sci. – 2002. – 37, N 4. – P. 1059−1067.
20. Швец А. В. Метод локации молний и оценки параметров
нижней ионосферы с помощью твик-атмосфериков /
А. В. Швец, Ю. В. Горишняя // Радиофизика и электрон. –
2010. – 15, № 2. – С. 63−70.
А. В. Швец, Ю. В. Горишняя / Метод локации молний…
_________________________________________________________________________________________________________________
59
A. V. Shvets, Yu. V. Gorishnya
LIGHTNING LOCATION AND ESTIMATION
OF THE LOWER IONOSPHERE EFFECTIVE
HEIGHT USING DISPERSION PROPERTIES
OF TWEEK-ATMOSPHERICS
A technique for distance finding to lightning discharges
and the effective height of the lower ionosphere based on disper-
sion properties of tweek-atmospherics (tweeks), which propagate
in the Earth-ionosphere waveguide during nighttime, is proposed.
Examples of the distance (in the range from 500 to 2500 km) and
effective ionospheric height estimation are demonstrated on expe-
rimental records of tweeks. Accuracy of estimations of the para-
meters in the proposed algorithm are obtained.
Key words: lightning location, Earth-ionosphere wa-
veguide, lower ionosphere monitoring.
О. В. Швець, Ю. В. Горішня
ЛОКАЦІЯ БЛИСКАВОК
ТА ОЦІНКА ВИСОТИ НИЖНЬОЇ ІОНОСФЕРИ
З ВИКОРИСТАННЯМ ДИСПЕРСІЙНИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ТВІК-АТМОСФЕРИКІВ
Запропоновано новий метод визначення дистанції
до блискавки та ефективної висоти нижньої межі іоносфери
на основі явища частотної дисперсії сигналів твік-атмосфе-
риків (твіків), що поширюються у хвилеводі Земля-іоносфера
в нічний час. Наведено приклади визначення за допомогою
запропонованого методу дальності до блискавки (у діапазоні
500...2500 км) та ефективної висоти іоносфери вздовж траси
поширення твіка за експериментальними записами. Одержані
оцінки точності визначення висоти та дальності при викорис-
танні описаного алгоритму.
Ключові слова: локація блискавок, хвилевід Земля-
іоносфера, моніторинг нижньої іоносфери.
Рукопись поступила 06.07.11 г.
|