Регистрация доплеровского сдвига частоты ионосферных радиосигналов над очагами землетрясений

Внедрение: 2014 г.

Модуль E‑154 был успешно применён в аппаратно-программном комплексе, позволяющем регистрировать доплеровский сдвиг частоты (ДСЧ) радиосигналов, отраженных от ионосферы, над предполагаемыми очагами землетрясений.

На рисунке 1 представлена функциональная схема приемной части этого комплекса.

Рисунок 1. Функциональная схема приемной части аппаратно-программного комплекса для измерения доплеровского сдвига частоты радиосигнала, отраженного от ионосферы.

Сигнал от радиопередатчика с высокой стабильностью частоты, отразившись от ионосферы, принимается антенной и поступает на радиоприемное устройство Р‑399А и далее на фазовый детектор (ФД). На другой вход ФД подается сигнал от генератора, управляемого напряжением (ГУН). Сигнал с выхода ФД в виде напряжения постоянного тока воздействует на ГУН и подстраивает его под частоту принимаемого сигнала, причем изменение напряжения с выхода ФД пропорционально ДСЧ. Сигнал, пройдя ФНЧ‑2 и усилитель постоянного тока (УПТ), оцифровывается с помощью АЦП типа Е‑154 и в виде файла сохраняется в памяти персонального компьютера (ПК). Синхронизация бортового времени компьютера осуществляется по сети Интернет от NTP-сервера атомного стандарта частоты и времени. Для организации съема данных с АЦП, автоматизации процессов измерения, хранения данных в ПК и их визуализации написано специальное ПО.

Была измерена нелинейность преобразования частоты с помощью петли ФАПЧ в величину напряжения при скачкообразной перестройке частоты эталонного генератора (рисунок 2). В полосе удержания петли ФАПЧ (15 Гц) нелинейность реальной характеристики составила 0,46 %, что вполне достаточно для качественного измерения ДСЧ радиосигнала, отраженного от ионосферы.

Рисунок 2. Сравнение идеальной характеристики преобразования петли ФАПЧ доплеровской установки с реальной характеристикой.

На основе аппаратно-программного комплекса измерений ДСЧ весной 2013 года на радиополигоне «Орбита» (в 20 км от г. Алматы) был начат поиск ионосферных откликов, связанных с литосферными процессами Земли. Для регулярных измерений принимали сигнал вещательного радиопередатчика, находящегося на территории Киргизии (поселок Красная речка) в 164 км от радиополигона «Орбита». Радиостанция работала на частоте 4795 кГц. 

На рисунке 3 приведена запись реального ионосферного сигнала fd(t). На графике в вариациях доплеровской частоты хорошо видны фоновые колебания с периодами среднемасштабных волновых возмущений и отчетливо прослеживаются восходно-заходные эффекты. Это свидетельствует о достаточно хорошем качестве созданного аппаратурно-программного комплекса регистрации ДСЧ.

Рисунок 3. Пример записи вариаций доплеровского сдвига частоты. По оси Х – время от начала суток 02.09.2013 г. по времени GMT в секундах.

При проведении регулярных измерений ДСЧ на радиотрассе пос. Красная речка – радиополигон «Орбита» было зарегистрировано возмущение в вариациях ДСЧ во время землетрясения, произошедшего 11 сентября 2013 года в 03 ч 2 мин 15 с по времени GMT в Киргизии, в 412 км к юго-западу от г. Алматы магнитудой М=4.3. 

Отклик ионосферы на землетрясение в записях fd(t) представлен на рисунке 4, где вертикальной стрелкой обозначено время землетрясения. На графике виден всплеск ДСЧ длительностью около 15 мин, возникший через 12 минут после землетрясения. Подобные результаты были получены в Европе при регистрации ДСЧ сейсмической волны, пришедшей 11 марта 2011 г. от эпицентра землетрясения магнитудой М=9 (о. Хонсю, Япония).

Рисунок 4. Отклик землетрясения в ДСЧ радиосигнала, отраженного от ионосферы. По оси Х – время от начала суток 11.09.2013 г. по времени GMT в секундах.

Наибольший интерес представляет положительный всплеск, появившийся за 1757 с до землетрясения (в 02 ч 31 мин 32 с), который можно рассматривать как аномалию в записях ДСЧ перед данным землетрясением. В развернутом виде аномальный положительный всплеск доплеровской частоты с большим разрешением по времени приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Аномальный всплеск в ДСЧ радиосигнала, отраженного от ионосферы, накануне землетрясения. По оси Х – время от начала суток 11.09.2013 г. по времени GMT в секундах.

Видно, что всплеск ДСЧ представляет собой не одиночный выброс в виде помехи, а достаточно продолжительный отклик с длительностью около 24 секунд. Возможно, наблюдаемый сдвиг доплеровской частоты отражает подготовительные процессы в литосфере земли перед сейсмическим событием (М=4.3), произошедшим 11.09.2013 года.

Работа выполнена по РБП 002 «Прикладные научные исследования в области космической деятельности» в рамках проекта «Исследовать взаимосвязь динамических процессов в атмосфере с процессами естественного и антропогенного происхождения на Земле».

Источник:
Салихов Н.М., Сомсиков В.М. Аппаратно-программный комплекс для регистрации доплеровского сдвига частоты ионосферных радиосигналов над очагами землетрясений // Известия Национальной академии наук Республики Казахстан. – 2014. – № 4 (296). – С. 116‑121.

Разработчик: Салихов Н.М., Сомсиков В.М. (АО «Национальный центр космических исследований и технологий» НКА РК, ДТОО «Институт ионосферы»)