УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРНОГО ИСТОЧНИКА НИЗКОЧАСТОТНЫХ РАДИОВОЛН Российский патент 2024 года по МПК H04B7/22 

Область техники

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к технике генерации низкочастотного радиоизлучения в ионосфере в диапазоне частот от долей герца до нескольких десятков килогерц. Изобретение относится также к геологической разведке полезных ископаемых методом электромагнитного зондирования с контролируемым источником при поиске нефти газа, в рудной и инженерной геофизике.

Уровень техники

Известен способ геоэлектрической разведки, основанный на использовании эффекта генерации низкочастотных радиоволн (НЧР) в ионосфере. Опубликовано в Котик Д.С, С.В. Поляков, В.О. Рапопорт, Авт. свид. № 987552, 1983, Бюлл. № 1 и A.M. Бабиченко, Б.И. Клайн, Д.С. Котик, и др., Электромагнитное зондирование Земли с использованием эффекта Гетманцева, ДАН, 1984, Т. 276, № 4.

Этот же способ изложен в патенте US 5777476, Date of Patent: Jul. 7, 1998, K. Papadopoulos, GROUND GLOBAL TOMOGRAPHY (GGT) USING MODULATION OF THE IONOSPHERIС ELEСTROJETS. В упомянутом патенте кроме способа, который аналогичен указанному выше, предложено в качестве устройства для выполнения геологического картографирования недр использовать КВ-передатчик с излучением в зенит для нагрева ионосферных электронов, вызывающий модуляцию струи электрического тока на высотах Е-слоя, переизлучающего из области нагрева электронов низкочастотное радиоизлучение (НЧР) на частоте модуляции КВ передатчика в волновод Земля-ионосфера (ВЗИ). Это устройство примем в качестве прототипа.

Согласно американскому патенту мощный КВ-передатчик (коротковолновой передатчик), с частотой в диапазоне (2 - 15) МГц, располагается под авроральной или экваториальной электроструей и используется для модуляции естественного ионосферного тока в нижней ионосфере путем нагревания ионосферных электронов, тем самым инжектируя НЧР в ВЗИ. Передатчик включает в себя схему модуляции, которая модулирует выходной сигнал передатчика с использованием частотной, фазовой или амплитудной модуляции. В качестве такого устройства предлагается использовать нагревный стенд, который можно использовать в соответствии с упомянутым изобретением. Объект создан в рамках ВЧ-Программы Активных Авроральных Исследований (HF Aсtive Auroral Research Program, HAARP) и расположен в Гаконе, Аляска. Это устройство подробно описано в «HAARP Research and Applications: A Joint Program of Phillips Laboratory and Office of Naval Research». https://www.academia.edu/30673299/HAARP_Research_and_Applications.

Осуществления упомянутого выше изобретения заключается в следующем: наземный передатчик на частоте в КВ-диапазоне излучает вверх высокочастотные электромагнитные волны, модулированные по амплитуде низкочастотным напряжением. Модулированный сигнал взаимодействует с ионосферной плазмой, в которой протекает ток электроструи, и модулирует проводимость плазмы в области взаимодействия. Демодулированный низкочастотный сигнал имеет временные характеристики сигнала модуляции. Низкочастотная волна инжектируется в ВЗИ, распространяется в нем с малым затуханием до обследуемой области и проникают в недра. Низкочастотные электрическое и магнитное поля измеряются над обследуемой площадкой с помощью одного или нескольких обычных электрических и магнитных датчиков. Датчики могут располагаться на поверхности земли, морском дне, на низколетящих самолетах или под землей. Измеряются как амплитуда, так и фаза низкочастотных полей. Электромагнитное поле, генерируемое взаимодействием модулированного КВ-излучения с ионосферной плазмой, эквивалентно полю, генерируемому горизонтальным магнитным диполем (ГМД), расположенным в области взаимодействия.

Автором вышеупомянутого патента предполагалось, что размещение устройства в авроральной ионосфере (или на магнитном экваторе) позволит получить интенсивный низкочастотный сигнал на значительных удалениях от источника в глобальных масштабах. Однако, как показали экспериментальные исследования, эти ожидания не оправдались. Прежде всего, это связано с большой вариабельностью положения авроральной электроструи. Её положение зависит от магнитной активности и может находиться на удалении 500-600 км к северу от стенда при слабой магнитной активности и на столько же к югу при высокой магнитной активности. Антенная решетка стенда содержит 180 диполей и обладает высокой направленностью. Вследствие этого область ионосферы, подвергаемая нагреву, имеет размеры прядка 10- 30 км в диаметре (в зависимости от несущей частоты).

Существуют еще две установки для воздействия на ионосферу (среднеширотная - стенд СУРА в РФ и высокоширотная - EISGAT Heater в Норвегии, Тромсё). Результаты, полученные на стенде HAARP, практически подтвердили результаты по ионосферной генерации низкочастотных радиоволн, полученных ранее на упомянутых установках. Эти установки также обладают большими антенными решетками со 144 диполями каждая. Все упомянутые установки являются капитальными сооружениями и, естественно, не могут быть приближены к районам, нуждающимся в геологических изысканиях. Строить новые подобного рода установки в таких районах также не представляется экономически обоснованным. Отметим, что на момент ввода в строй, установка HAARP (по состоянию на 2008 г.) понесла около 250 млн. $ США строительных, эксплуатационных и налоговых затрат (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/HAARP ). Более того отсутствует такого рода установка на экваторе. Ввиду данных обстоятельств, в США возникла идея разработки мобильной установки морского базирования, которая могла бы быть использована в районе для исследований на любой широте, в том числе и на магнитном экваторе. Однако, этот проект исходил из той же парадигмы, что и стационарные стенды. Предложена достаточно большая антенная решетка (24 диполя на двух океанских баржах), диапазон воздействия (5 - 10) МГц, и передатчик мощностью 800 кВт. Основные результаты разработки этого проекта опубликованы в приведенных ниже статьях:

1. Papadapolos, D. A New Paradigm in Sourсes and Physics of High Power Ionospheriс Modification, 20th Annual RF Ionospheric Interactions Workshop, April 27-30, 2014. http://ireap.umd.edu/sites/default/files/documents/muri2014/Papadapolous-Arecibo-2014.pdf.

2. Esser, B., D. Mauch, J. Dickens, J, Mankowski A. Neuber. Tunable, Electrically Small Inductively Coupled Antenna for Transportable Ionospheric Heating. Radio Science, doi:10.1002/2017RS006484.

3. Brian L. Beaudoin, et al., Experimental studies on radio frequency sources for ionospheric heaters, Physics of Plasmas 25, 103116 (2018).

Предпосылки создания изобретения

Механизм генерации НЧР в ионосфере указывает на резонансное усиление эффекта при использовании нагрева на частоте близкой к гирочастоте электронов в нижней ионосфере (см. Котик Д.С., Трахтенгерц В.Ю., «О механизме возбуждения комбинационных частот в ионосферной плазме», Письма в ЖЭТФ 1975, Т. 21. № 2. с. 114).

Автором патента US 5053783 указывается, что генерируемая мощность низкочастотного сигнала пропорциональна квадрату эффективного дипольного момента источника:

, (1)

где - полный модулированный ток в области взаимодействия - источник низкочастотного поля в ВЗИ, а L - линейный размер модулированной области. Эффективный момент горизонтального излучаемого тока M можно оценить интегрированием по высоте плотности тока на частоте модуляции Ω.

, (2)

где - амплитуда модуляции проводимости, - амплитуда модуляции частоты столкновений электронов с молекулами, при этом - стороннее электрическое поле является динамо полем на средних широтах ( - скорость нейтрального ветра), для высоких широт или экватора это поле поляризации токовой струи .

Эффективный момент М оценивается, интегрируя (2) с использованием теоремы о среднем:

(3)

В выражении (3) - протяженность эффективного излучающего слоя по высоте, - продольная и поперечная протяженность ионосферного источника соответственно. Выражение (3) практически совпадает с выражением (2) в описании к патенту US 5053783.

В патенте US 5053783 предлагается увеличить размеры области нагрева ионосферы путем быстрого сканирования узким лучом (полуширина луча 7,5° в конусе с полушириной размером в 35,5°), поскольку эффективный момент ионосферного источника пропорционален размерам этой области. Сканирование производится в течение первого полупериода низкочастотного сигнала, и во время второго полупериода передатчики установки выключаются для остывания ионосферы (так называемая пространственная модуляция). Такая манипуляция позволяет увеличить диаметр области источника с 20 км до 120 км на высоте 80 км. Отметим, что подобное управление лучом достаточно сложная техническая задача.

Однако, устройство, предлагаемое согласно настоящему изобретению (см. фиг. 4 и фиг. 5), использует антенную систему из двух вертикальных диполей, разнесенных на расстояние d. Диаграмма направленности такой системы представлена на фиг. 6. На фиг. 4 показано, что эта диаграмма определяет размеры области ионосферы 13, нагреваемую радиоизлучением наземной установки на циклотронной частоте. На высоте Е-слоя (70-100 км) протекают постоянные токи 14. Излучение такой системы направлено вдоль лини соединяющей диполи (ось Х) в секторе шириной 179° (при сдвиге фазы диполя b на -90° относительно диполя a). Для определенности это направление излучения считается направлением на Восток. Направление излучения сменится на противоположное (на Запад) при сдвиге фазы диполя b равном + 90°. На фиг. 7 показано распределение (в относительных единицах) на высоте 80 км амплитуды электрического поля нагревного устройства с двумя вертикальными диполями. Прямоугольником выделена область, размеры которой принимается за область ионосферного источника при оценке эффективного момента М путем интегрирования выражения (3) с применением теоремы о среднем. Как видно из фиг. 7, продольный размер составляет , а поперечный . Площадь ионосферного источника составит 120 000 кв. км. Это почти на порядок превышает площадь, образуемую сканированием лучом коротковолновой нагревной установки в пространстве согласно патенту US 5053783 и равную ~ 14400 кв. км. Следует отметить, что такой результат достигается намного более простой антенной системой по сравнению с антенной решеткой стенда HAAR.

Дополнительно следует отметить, что амплитуда модуляции частоты столкновений пропорциональна осцилляции температуры электронов на частоте модуляции, которая рассчитывается по теории тепловой нелинейности плазмы. См. монографию Гуревич, А.В., Шварцбург А.Б. 1973 «Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере» М: Наука, 1973.

(4)

, (5)

где e, m - заряд и масса электрона соответственно, - невозмущенные значения температуры и частоты столкновений соответственно, - поле нагревной радиоволны в ионосфере, - гирочастота и угол магнитного поля Земли с вертикалью соответственно. Знак «-» в знаменателе соответствует необыкновенной волне воздействия, вращение вектора электрического поля в которой совпадает с направлением вращения электрона в магнитном поле Земли. Как видно из уравнения (5), циклотронный резонанс проявляется именно в температуре электронов при нагреве плазмы высокочастотной волной. Отсюда очевидно, что эффективный момент источника М, определяемый выражением (3), зависит не только от его геометрических размеров, но и от несущей частоты нагревной радиоволны, которая должна быть близкой к гирочастоте электронов в нижней ионосфере. Эта частота определена формулой (H₀ - магнитное поле Земли, с - скорость света) и изменяется от 0,8 МГц на экваторе до 1,5 МГц в высоких широтах, соответственно эти частоты относятся к диапазону средних волн (СВ). При этом расстояние d между диполями будет изменяться от ~50 м в высоких широтах до 94 м на экваторе.

Результаты численного моделирования модификации параметров нижней ионосферы под воздействием мощного радиоизлучения, приведенные на фиг. 1 настоящей заявки, позволяют определить оптимальные частоты для воздействия на нижнюю ионосферу (см. Иткина, М.А. и др., «Нагрев нижней ионосферы коротковолновым радиоизлучением», Препринт №162, НИРФИ, 1983 г). Кривые на фиг. 1 настоящей заявки дают представление об уровне поглощения в нижней ионосфере в дневных и ночных условиях на различных частотах. Из фиг. 1 настоящей заявки видно, что днем на частотах ниже 3 МГц практически вся энергия поглощается до высоты 100 км, т.е. в пределах нижней ионосферы. Таким образом, частоты являются оптимальными для формирования низкочастотного источника в дневных условиях. Ночью оптимальная частота сдвигается в область (0,5 - 1,8) МГц с максимумом температуры на высотах 90-110 км, т.е. при использовании частот близких к циклотронной частоте электронов ионосферы. Область ионосферных токов также находится в этом же интервале высот в ночное время.

Для экспериментальной проверки данного утверждения в декабре 1982 г был использован нагревный стенд НИИ Радио, расположенный в Подмосковье, (см. Котик, Д.С., и др. 1984, «Экспериментальные исследования сигналов комбинационных частот при резонансном гирочастотном нагреве ионосферы», Труды XIV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн). Передатчик мощностью Р =80 кВт работал на синфазную антенную решетку с коэффициентом усиления G = 100 на частоте f = I,35 МГц. Приемный пункт находился на удалении ρ=500км к востоку от передатчика. Сигналы уверенно наблюдались в полосе частот от 300 Гц до 4 кГц и показаны на фиг. 2. Отметим, что обнаружение генерированных в ионосфере сигналов в ночное время, являлось принципиально новым эффектом по сравнению с проведенными ранее исследованиями в KB-диапазоне на средних широтах.

На стенде СУРА также были проведены эксперименты с использованием гирочастотного нагревного передатчика с синфазной решеткой из восьми скрещенных диполей (G=35, P=150 кВт, полоса рабочих частот (1,2-1,4) МГц). См. Беляев, П.П., и др. «Генерация сигналов комбинационных частот в ионосфере», Известия ВУЗов, Радиофизика, 1987 г., Т. 30, 2, стр. 248-286. Большой массив данных позволил провести детальное сравнение эффективности генерации на частотах 4,8 МГц и 1,4 МГц. Результат, совместной обработки представлен на фиг. 3 настоящей заявки, гдепоказано отношение [А] амплитуды ионосферного сигнала при генерации с помощью гирочастотного средства к амплитуде сигнала, генерируемого стендом на частоте 4,8 МГц. Данные были нормированы по мощности, показана дисперсия на каждой точке, соответствующей усреднению. В скобках на графике указано число случаев, подвергнутых обработке. В результате было установлено: эффективность использования нагрева на гирочастоте выше в среднем в 4 раза в дневное время, до 8 раз в утренние часы и безальтернативна ночью. См. Kotik D., «ELF/VLF emissions generated in the ionosphere by heating facilities - A new tool for ionospheric and magnetospheric research», Radiophysics and Quantum Electronics, 1994, Vol. 37, 6.

Экспериментально была показа возможность эффективного использования для ионосферной генерации НЧ-радиоволн антенн в виде вертикальных диполей. Это эксперимент был проведен с мощной широковещательной радиостанцией «Коминтерн», работавшей на частоте 236 кГц на длинных волнах. В 1984-1985г было проведено четыре серии экспериментов в ночное время с целью проверки возможности генерации низкочастотного сигнала в зоне авроральной струи указанной радиостанцией (см. Котик, Д.С., и др., «Генерация ОНЧ сигналов в области авроральной электроструи среднеширотным длинноволновым передатчиком», В сб. «Низкочастотное излучение в магнитосфере земли», М: ИЗМИРАН, 1986, стр. 71-75). Во всех экспериментах была выбрана частота модуляции 402Гц. Основная часть измерений проводилась вблизи г. Горького. Почти все сеансы работы передатчика сопровождались геомагнитной активностью различного уровня. В результате была определена зависимость амплитуды сигнала НЧР от индекса планетарной магнитной активности. При значительной геомагнитной активности (Кр>5) сигнал возрастал в среднем на порядок (а временами и на полтора порядка,) по сравнению со случаем слабой активности (Кр=2), и совсем не наблюдался при спокойном геомагнитном поле. Поскольку эффект связан с воздействием на высокоширотную ионосферу среднеширотного передатчика, имеющего антенну с круговой диаграммой направленности, представлял интерес оценить долю энергии, излучаемой в северном направлении. Такую оценку легко провести, оценив угловые размеры синфазно излучающей области облученной электроструи для частоты 402 Г. Величина этого углового сектора Δϕ, в котором поле передатчика формирует эффективный ионосферный источник составляет для случая слабого возмущения получим и для сильного - . Таким образом, в эффекте генерации сигнала НЧР, "работает" в первом случае (слабое возмущение) 0,13 часть излученной мощности Р = 1 МВт, а во втором случае - 0,2 Р, (130 кВт и 200 кВт соответственно).

Еще один эксперимент с этим же передатчиком был проведен в условиях «белых ночей» в июне 1989 г., т.е. при полностью освещенной ионосфере. (См. Авдеев, В.Д., Д.С. Котик, С.А. Пырочкин, Ф.П. Ярыгин, «Эксперимент по генерации сигналов и помех в СНЧ диапазоне на основе модуляции ионосферной токовой системы мощным ДВ радиоизлучением», в сб. «Распространение радиоволн в неоднородных средах и рассеяние на ионизированных образованиях», 2005 г, стр. 285-287). Работа проводилась сеансами в течение девяти ночей в период летнего солнцестояния с 00:30 до 05:30 мск. Частота модуляции была F=210 Гц. Удаление приемного пункта от ленинградской радиостанции составляло 400 км. В этом эксперименте не наблюдалась зависимость амплитуды НЧР от магнитной активности, поскольку сигнал генерировался в области среднеширотной ионосферы непосредственно над радиостанцией. В условиях освещенности возрастает как концентрация электронов, так и поглощение энергии волны. В экспериментах с радиостанцией «Коминтерн» были получены максимальные амплитуды ионосферного сигнала по сравнению со всеми другими нагревными стендами, даже несмотря на то, что частота радиостанции была значительно ниже гирочастоты. В этом эксперименте в пункте, удаленном на 400 км от передатчика, даже в средних широтах амплитуда НЧ-сигнала на порядок превосходила максимальные сигналы, наблюдавшиеся на стендах EISGAT и HAARP и измеренные вблизи стендов при модуляции полярной электроструи.

Отдельно следует отметить современные возможности построения мощных передатчиков в СВ-диапазоне. Революция в элементной базе силовой электроники привела к созданию множества мощных твердотельных малогабаритных устройств в различных областях народного хозяйства, от двигателей электромобилей до радиопередатчиков (см. Макушин М. «Тенденции развития силовой электроники», Электроника, №.8, 2019, DOI: 10.22184/1992-4178.2019.189.8.50.55). Так, например, передатчик производства канадской кампании NAUTEL (https://www.nautel.com/products/am-transmitters/nx-series/ ) мощностью 25 кВт в диапазоне 531 кГц -162- кГц, имеет размеры 184 см х 96 см х 120 см, при весе 567 кг. Такие массогабаритные параметры позволяют установку таких передатчиков в морском контейнере и перевозку автомобильным тягачом. Вариант такого мобильного размещения передатчика мощностью 100 кВт предлагает хорватская компания RIZ, выпускающая аналогичные канадским передатчики (http://www.riz.hr/en/transmitters.html ). Антенна в виде телескопической мачты высотой в несколько десятков метров размещается на прицепе. Таким образом, становится очевидной возможность создания мобильного варианта устройства, предлагаемого согласно настоящему изобретению, в автомобильном, железнодорожном или морском варианте.

Целью настоящего изобретения является создание нового устройства, которое не имеет ограничений рассмотренного выше устройства по патентам US 5777476, US 5053783 для наземных и шельфовых геофизических исследований: разведки нефти и газа, полезных рудных ископаемых, геотермальных ресурсов, подземных вод, карстов, инженерно-экологических и археологических изысканий, общей геолого-томографической съемки. Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение размеров ионосферного источника при одновременном уменьшении массогабаритных параметров устройства, уменьшение стоимости расходов на его сооружение и эксплуатацию, возможность создания мобильных вариантов устройства, увеличение экономической эффективности полевых геофизических работ.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 демонстрирует зависимость возмущения температуры электронов (верхняя панель) и зависимость коэффициента прохождения необыкновенной СВ волны (нижняя панель) через нижнюю ионосферу от частоты для трех заданных высот в полдень и полночь ( - поле волны на входе в ионосферу, эффективная мощность PG - мощность установки и коэффициент усиления антенной системы соответственно).

Фиг. 2 демонстрирует усредненный спектр амплитуды НЧР на удалении 500 км от источника. В скобках показано число измерений на данной частоте, для ночных данных не показана дисперсия.

Фиг. 3 демонстрирует сравнение эффективности генерации в ионосфере низкочастотного излучения на частотах 1.4 МГц и 4.8 МГц.

Фиг.4 демонстрирует концепцию устройства для формирования ионосферного источника НЧР согласно изобретению.

Фиг. 5 демонстрирует блок схему устройства базового модуля (БМ) для формирования ионосферного источника НЧР (вверху схематическое изображение антенной системы модуля по Фиг. 4.)

Фиг. 6 демонстрирует диаграммные свойства устройства БМ.

Фиг. 7 демонстрирует распределение амплитуды устройства БМ на высоте 80 км. Прямоугольником выделена область, размеры которой принимаются за область ионосферного источника при оценке эффективного момента М путем интегрирования уравнения (3) по теореме о среднем. Как видно из рисунка продольный размер составляет, а поперечный .

Фиг. 8 демонстрирует диаграммные свойства устройства, содержащего два БМ (вверху - схематическое изображение антенн устройства)

Фиг. 9 демонстрирует переключение сектора излучения нагревной волны устройством из двух БМ по сторонам Света в соответствии с таблицей 1.

Фиг. 10 демонстрирует распределение в относительных единицах амплитуды поля нагревного устройства из двух БМ на высоте 80 км. Прямоугольником выделена область, размеры которой принимается за область ионосферного источника. Как видно из рисунка продольный размер составляет , а поперечный .

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг. 1 - фиг. 10. Ниже приведено описание вариантов осуществления изобретения.

Основные и дополнительные аспекты будут изложены частично в последующем описании, а частично будут очевидны из описания или могут быть изучены при помощи применения представленных примерных вариантов осуществления.

В соответствии с одним аспектом примерного варианта осуществления, обеспечено устройство для формирования ионосферного источника низкочастотных радиоволн посредством облучения модулированными радиоволнами наземного передатчика ограниченной области стационарных ионосферных токов, из которой низкочастотные волны на частоте модуляции инжектируются в волновод Земля-ионосфера, отличающееся тем, что базовый модуль устройства состоит из двух идентичных усилителей мощности в диапазоне длинных/средних радиоволн, каждый из которых через фидерную линию и согласующий трансформатор присоединён к своему вертикальному диполю, расстояние между которыми составляет четверть длины волны на несущей частоте, при этом несущая частота устройства зависит от географического положения упомянутого устройства и выбирается близкой к гирочастоте электронов на высотах нижней ионосферы, которая изменяется от экватора до высоких широт в пределах (0.8 - 1,5) МГц, причем устройство содержит блок управления, который генерирует по заданному протоколу частоту, амплитуду и фазу напряжения несущей частоты, частоту модуляции, задает время переключения частот модуляции передатчика, время начала и окончания сеанса работы, осуществляет контроль излучения передатчиков по датчикам от диполей соединенных с блоком управления по волоконно-оптической линии связи; осуществляется контроль характеристик низкочастотных радиоволн от ионосферного источника, измеряемого на базовой станцией, удалённой на расстояние прямой видимости для УКВ связи, и поступающих по радиоканалу на блок управления для сохранения в памяти блока управления.

В соответствии с дополнительным вариантом осуществления устройство для формирования ионосферного источника низкочастотных радиоволн содержит два базовых модуля согласно варианту осуществления, упомянутому выше, объединённых единым блоком управления и единой удаленной базовой станцией, при этом диполи располагаются по углам квадрата, сторона которого также равна четверти длины волны на несущей частоте.

Таким образом обеспечивается увеличение размеров ионосферного источника при одновременном уменьшении массогабаритных параметров устройства, уменьшение стоимости расходов на его сооружение и эксплуатацию, возможность создания мобильных вариантов устройства, увеличение площади проведения полевых геофизических работ обслуживаемой одной установкой с радиусом до 100 км.

Эти и другие аспекты станут более очевидными и более понятными из нижеследующего описания примерных вариантов осуществления, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых.

Подробное описание изобретения

В первом варианте осуществления обеспечено устройство для формирования ионосферного источника низкочастотного излучения согласно. Концепция данного устройства согласно настоящему изобретению показана на фиг. 4 заявки. На фиг. 5 настоящей заявки приведена блок-схема упомянутого устройства в минимальном составе, которое далее называется базовым модулем (БМ). В блоке 1 управления синтезируется частота, амплитуда и фаза сигналов, подаваемых на усилитель 2 мощности и усилитель 3 мощности. Несущая частота выбирается в радиодиапазоне средних волн (СВ) из условия близости к гирочастоте электронов в нижней ионосфере на высотах (80 - 100) км и в зависимости от широты, на которой предполагается использование упомянутого устройства в пределах от 0,8 МГц в экваториальных районах до 1,5 МГц в высоких широтах. В упомянутом блоке 1 управления синтезируется сигнал модуляции несущей частоты, частота которого может варьироваться от долей герца до нескольких десятков килогерц и изменяется в течение сеанса зондирования по заданному расписанию. Несущая частота поступает из блока 1 управления на усилитель 2 мощности и усилитель 3 мощности. На усилитель 2 мощности несущая частота поступает со сдвигом фазы на . После усиления, модулированные по амплитуде напряжения несущей частоты по фидерным трактам 4, поступают через антенные согласующие трансформаторы 5 на вертикальные диполи 6 и 7. Диполи располагаются на поверхности земли (вариант - на морской платформе) и расстояние между ними , где λ - длина волны на несущей частоте. Например, при выборе частоты f = 1,5 МГц, расстояние d = 50 м. Контрольные сигналы от датчиков электромагнитного излучения, расположенных вблизи диполей 6 и 7, через линии волоконно-оптической связи поступают на блок управления 1 для сопоставления с заданными параметрами сдвига фазы и корректировки её при необходимости. Базовая станция 10 контроля ионосферного сигнала, содержащая датчики электромагнитного поля НЧР, аналогово-цифровой преобразователь и УКВ-приёмопередатчик, располагается на расстоянии прямой видимости (5-30км) от упомянутых усилителей мощности. Измеренные характеристики сигнала НЧР оцифровываются и по УКВ линии связи 11 поступают на блок 1 управления, в котором они сохраняются как реперные данные для дополнительного использования для исключения ионосферных вариаций сигнала при обработке данных зондирования исследуемого района. Диаграмма направленности антенной системы из двух вертикальных диполей представлена на фиг. 6. Эта диаграмма направленности определяет размеры области ионосферы 13, нагреваемой радиоволной на частоте близкой к циклотронной (см. фиг. 4). На высотах Е-слоя (70-100) км протекают постоянные токи 14. Нагрев электронов модулированным СВ излучением 12 в области, определяемой диаграммой направленности, приводит к модуляции проводимости плазмы и, как следствие, переменной составляющей ионосферного тока на частоте модуляции. В свою очередь, эта область ионосферы и является ионосферным источником 15 низкочастотной радиоволны (НЧР 16), распространяющейся в волноводе Земля-ионосфера (ВЗИ 17). Радиоизлучение предлагаемого устройства согласно диаграмме направленности (фиг.6) направлено в сектор шириной 179° вдоль оси Х. (при сдвиге фазы диполя b на величину ). Ось Х должна быть направлена на область геофизических исследований. Ниже для определенности это направление излучения считается направлением на Восток. Направление излучения сменится на противоположное (на Запад) при смене сдвига фазы диполя b на величину . На фиг. 7 показано распределение (в относительных единицах) амплитуды поля нагревного устройства с двумя диполями на высоте 80 км. Прямоугольником выделена область, размеры которой принимается за область ионосферного источника при оценке тока виртуальной низкочастотной антенны путем интегрирования по теореме о среднем. Как видно из фиг. 7 продольный размер составляет, а поперечный размер составляет . Теоретические оценки и проведенные эксперименты с гирочастотным установками для нагрева ионосферы показывают, что при мощности предлагаемого устройства БМ в 100 кВт (два усилителя по 50 кВт) область, в которой предполагается проведение геологоразведки может быть удалена до 1000 км от пункта размещения упомянутого устройства.

В еще одном варианте осуществления обеспечено устройство для формирования ионосферного источника низкочастотных радиоволн, содержащее два базовых модуля (БМ). Диполи в этом варианте осуществления располагаются по углам квадрата, сторона которого равна четверти длины СВ-радиоволны (см. фиг. 8). В данном устройстве оба базовых модуля объединены общим блоком 1 управления и базовой станцией 10 контроля характеристик НЧР. Такая конфигурация антенной системы позволяет получить увеличение мощности СВ-излучения за счет двух дополнительных усилителей и увеличение гейна антенной системы за счет двух дополнительных излучателей. Дополнительные возможности предоставляет управление сектором излучения СВ-волн. Если выбирать распределение фаз по диполям в соответствии с таблицей 1, то сектор будет переключаться по сторонам Света, как это показано на фиг.9.

Таблица 1

Диполь Распределение фаз по диполям a 0 0 -90 -90 b -90 0 0 -90 G 0 -90 -90 0 d -90 -90 0 0 Направление Восток Север Запад Юг

Распределение амплитуды поля в относительных единицах нагревного устройства содержащего два базовых модуля, на высоте 80 км показано на фиг. 10. Прямоугольником выделена область, размеры которой принимается за область ионосферного источника при оценке эффективного момента М источника, путем интегрирования уравнения (3) по теореме о среднем. Как видно из фиг. 10 продольный размер составляет , а поперечный размер . В этом случае поперечный размер на 100 км меньше, чем для устройства БМ. Однако, мощность возрастает в 2 раза (4 усилителя по 50 кВт), что приводит к увеличению возмущения температуры на частоте модуляции в 4 раза (эффект квадратичный по полю согласно выражению (5). Оценки показывают возрастание дальности проведения геофизических изысканий в 3-4 раза по сравнению с устройством согласно первому варианту осуществления.

Хотя эта заявка описана со ссылкой на конкретные варианты осуществления, очевидно, что в них могут быть внесены различные модификации и комбинации, не выходящие за рамки сущности и объема этой заявки. Соответственно, описание и сопроводительные чертежи представляют собой просто примерное описание этой заявки, определяемой прилагаемой формулой изобретения, и рассматриваются как любые или все модификации, вариации, комбинации или эквиваленты, которые охватывают объем этой заявки. Ясно, что специалист в данной области техники может внести различные модификации и изменения в эту заявку, не выходя за рамки этой заявки. Эта заявка предназначена для охвата этих модификаций и вариантов этой заявки при условии, что они подпадают под объем защиты, определенный следующей формулой изобретения и их эквивалентными технологиями.

Будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено точной конструкцией, которая была описана выше и проиллюстрирована на сопровождающих чертежах, и, что различные модификации и изменения могут быть сделаны, не выходя за рамки его объема. Подразумевается, что рамки объема изобретения ограничены только прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к технике генерации низкочастотного радиоизлучения в ионосфере в диапазоне частот от долей герца до нескольких десятков килогерц. Изобретение относится также к геологической разведке полезных ископаемых методом электромагнитного зондирования с контролируемым источником при поиске нефти газа, в рудной и инженерной геофизике. Техническим результатом является увеличение размеров ионосферного источника при одновременном уменьшении массогабаритных параметров устройства, уменьшение стоимости расходов на его сооружение и эксплуатацию, возможность создания мобильных вариантов устройства, увеличение площади проведения полевых геофизических работ обслуживаемой одной установкой, чей радиус составляет не менее тысячи километров. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство для формирования ионосферного источника низкочастотных радиоволн посредством облучения модулированными радиоволнами наземного передатчика ограниченной области стационарных ионосферных токов, включающее базовый модуль, содержащий два идентичных усилителя мощности в диапазоне длинных и средних радиоволн, причем каждый усилитель мощности через фидерную линию и согласующий трансформатор присоединен к своему вертикальному диполю, причем расстояние между диполями составляет четверть длины волны на несущей частоте, при этом несущая частота упомянутого устройства зависит от его географического положения и выбирается примерно равной гирочастоте электронов на высотах нижней ионосферы, отличающееся тем, что содержит блок управления, выполненный с возможностью: генерировать по заданному протоколу частоту, амплитуду и фазу напряжения несущей частоты, частоту модуляции, задавать время переключения частоты модуляции упомянутого наземного передатчика, время начала и окончания сеанса работы, осуществлять контроль излучения передатчика по датчикам от диполей, соединенных с упомянутым блоком управления по волоконно-оптической линии связи; базовую станцию, выполненную с возможностью осуществлять контроль характеристик низкочастотных радиоволн, поступающих по радиоканалу на упомянутый блок управления от ионосферного источника, причем базовая станция удалена на расстояние прямой видимости для УКВ связи; и память, выполненную с возможностью сохранения упомянутых характеристик низкочастотных радиоволн.

2. Устройство для формирования ионосферного источника низкочастотных радиоволн, содержащее два базовых модуля по п.1, объединенных единым блоком управления и единой удаленной базовой станцией, при этом диполи располагаются по углам квадрата, сторона которого равна четверти длины волны на несущей частоте.