Вестник МГТУ. 2016, №1.2.

Ларченко А. В. и др. Результаты наземных наблюдений структуры поля… 234 Для минимизации воздействия сетевой помехи электрическая и магнитные антенны размещены вдали от ее источников, в то время как система сбора в стационарном варианте исполнения размещена в помещении. Предусилители расположены рядом с антеннами, что позволяет обеспечить согласование импедансов антенн и входного каскада и обеспечивает низкий уровень шума и малый уровень помех, наводимых на длинный кабель, соединяющий антенну с усилителем. Для ослабления сетевой помехи в состав предусилителей каждой из антенн входит фильтр высоких частот (ФВЧ) первого порядка с частотой среза 200 Гц. Для подавления зеркальных частот в систему сбора интегрирован блок-фильтр низких частот (ФНЧ) третьего порядка с частотой среза 15 кГц. Основное затухание сигнала на частотах выше половины частоты дискретизации обеспечивается интегрированным в микросхему АЦП AD7767 антиалиасинговым фильтром. Спектральная плотность собственных шумов антенной системы во всем частотном диапазоне 200 Гц – 14 кГц лежит как минимум на 20 дБ ниже спектральной плотности собственных шумов волновода Земля – ионосфера, приведенной в [2]. Система сбора данных. Основа системы сбора – блок АЦП с аналоговыми и цифровыми интерфейсами ввода-вывода, разработанный на базе [3]. Устройство имеет 4 аналоговых входа для приема дифференциального сигнала в диапазоне –2.5 … +2.5 В и оцифровки при помощи 24-битных аналого-цифровых преобразователей последовательного приближения с передискретизацией AD7767. Блок АЦП формирует из оцифрованных данных пакеты по 1024 Байт, с указанием необходимой информации в заголовке о процессе сбора, а завершается пакет контрольной суммой. Заголовок содержит в себе значение частоты оцифровки, временную метку, координаты станции и другие параметры текущего процесса. Размер пакета подобран с учетом того, что при этом размере достигается наибольшая скорость записи на энергонезависимую память. Синхронизация данных со временем осуществляется посредством вставки временной метки в пакет [3; 4]. Сигнал PPS генерирует прерывание в микроконтроллере. Обработчик прерывания сбрасывает таймер микроконтроллера, отсчитывающий доли секунды. Временная метка помещается в заголовок пакета и соответствует первому байту блока данных, получаемых с АЦП после сигнала PPS. Метка представляет собой мировое время (UT), выраженное в секундах с 1/1/1970 00:00:00, получаемое по данным GPS/GLONASS (ИТ) приемника, и в долях секунд – в отсчетах таймера микроконтроллера с разрешением 1/65536000. Погрешность измерения времени в основном определяется точностью установки частоты примененного кварцевого резонатора – источника тактовой частоты микроконтроллера и стабильностью вырабатываемого приемником GPS/GLONASS Pulse-Per-Second (PPS) импульса. Максимальная общая измеренная погрешность определения времени примененных в эксперименте регистраторов не превышала 1 мкс. Оцифрованные данные передаются на компьютер через интерфейс Ethernet или на встроенную FLASH память. Блок АЦП оцифровывает аналоговые данные с частотой до 32 кГц. Максимальная частота сигнала, которую способен зарегистрировать прибор, составляет около 15 кГц. Входящие в состав устройства 24-битные микросхемы АЦП AD7767 обеспечивают динамический диапазон до 115.5 дБ. Параллельная работа микросхем АЦП от одного тактового источника обеспечивает точное временное соответствие отсчетов между каналами. Для уменьшения влияния помехи сети 50 Гц в случае стационарной установки приемника применяется гальваническое разделение цепей приборов и сети питания технологического помещения, где расположен компьютер. Система сбора питается от общей сети 220 В, разделенной трансформатором. Компьютер и АЦП гальванически разделены посредством интерфейса Ethernet, а внутри АЦП аналоговая часть отделена от цифровой гальваническими изоляторами ADUM3401C и изолированным преобразователем напряжения. В результате достигается минимум помех от питающей сети здания. Элементная база приемника подобрана с учетом работы в индустриальном диапазоне температур от –40 до +70 °С. Калибровка. Калибровка измерительных каналов магнитных компонент проводилась с помощью калибровочного тора – однослойной тороидальной катушки с воздушным сердечником. В процессе калибровки тороидальная катушка располагалась таким образом, чтобы кабели рамочных антенн проходили внутри тора. В катушку тора подавался ток известной величины и частоты. Принимая во внимание тот факт, что магнитное поле полностью сосредоточено внутри тороидальной катушки, величина магнитного потока Ф тор через плоскость антенны пересчитывается в величину калибровочного однородного магнитного поля B кал как B кал = Ф тор / S ант , где S ант – площадь магнитной рамочной антенны. Полная калибровка вертикальной электрической антенны вследствие ее больших размеров практически невозможна, поэтому при помощи вспомогательной антенны, установленной вблизи основной, измеряется только фазо-частотная характеристика (ФЧХ) канала E z и определяется форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) с точностью до постоянного коэффициента, как описано в [5]. Этих характеристик достаточно для определения направления распространения СНЧ/ОНЧ сигналов и разделения поперечной магнитной (TM) и поперечной электрической (TE) волноводных мод. Значения постоянного коэффициента АЧХ вертикальной электрической антенны были получены в ходе описанного здесь эксперимента.