Н. А. Ковалев (студент)1, Д. М. Орешкин (аспирант)2, Д. А. Разумов (аспирант)3
Научный руководитель: Н. Н. Давыдов (д.т.н., доцент)4
1 Институт прикладной математики, физики и информатики, Кафедра ФиПМ,
группа ЛТ-111, E-mail: thisismajortom@mail.ru
2 Институт прикладной математики, физики и информатики, Кафедра ФиПМ, специальность 05.13.06, E-mail: oreshkindmitry@mail.ru
3 Институт прикладной математики, физики и информатики, Кафедра ФиПМ,
специальность 05.13.06, E-mail: bobbytots@ya.ru
4 Институт прикладной математики, физики и информатики, Кафедра ФиПМ,
E-mail:ndavydov@vlsu.ru
Keywords – electrostatic activity, environmental parameters, hardware and software system, electrostatic field sensor, video recording.
Abstracts – The system for remote monitoring of the electrostatic field of the Earth in the surface layers of the atmosphere is developed. Proposed technological and design solutions for the implementation of a distributed network of electro fields sensors. The structure and the functions of the software and hardware system for remote monitoring is described. Performed experimental researches and pilot operation of remote monitoring system. Developed hardware and software for remote monitoring have patent originality and purity.
Исследование признаков нарастания электрической активности приземных слоев атмосферы, предопределяющих повышение интенсивности пожароопасных электрических разрядов над территорией сельскохозяйственных и лесных угодий и увеличение мощности грозовых импульсных электромагнитных помех вблизи высокоскоростных транспортных магистралей [1], аэродромов, коммуникационных объектов управления, связи и энергетики, - является весьма актуальным. Своевременная обработка данных о флюктуации электростатической активности атмосферы с учетом метеорологических параметров в точке наблюдения предопределяет возможность принятия надлежащих мер по обеспечению устойчивого функционирования изделий цифровой микроэлектроники в составе электронных средств управления важными и/или опасными народнохозяйственными объектами. Проведенные научные и прикладные исследования разработанных мобильных средств мониторинга приземных воздушных слоев доказали возможность измерения электрофизических и метеорологических параметров и характеристик атмосферы в удаленном доступе, а также видеофиксации атмосферных явлений и регистрации метеоусловий в точке наблюдения.
|
|
В ходе выполнения научно-практических исследований решены следующие задачи: обоснован выбор способов видеофиксации атмосферных явлений, регистрации и передачи информационных пакетов (содержащих данные измерения электрических параметров атмосферы, GPS-параметров местоположения, метеопараметров в точке наблюдения); разработана структура комплекса наблюдения; оптимизированы способы и средства обработки и отображения данных измерения, регистрации и видеофиксации объектов в Интернет-доступе; проведены экспериментальные исследования комплекса в полевых условиях; выполнены информационно-патентные исследования комплекса; получены Свидетельства РФ о государственной регистрации программ для ЭВМ [2-4].
Структура информационно-технического комплекса наблюдения приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структура комплекса наблюдения атмосферных явлений и регистрации метеоусловий.
В состав комплекса входят: флюксметр – датчик электрического поля [5] (изготовлен в ВлГУ); цифровая метеостанция; цифровая Web-камера; средства аппаратно-программного обеспечения эксперимента и отображения данных.
|
|
Перечень регистрируемых комплексом параметров представлен в таблице 1.
Таблица 1. Перечень регистрируемых параметров
| Параметры | Формат регистрации |
| Идентификатор флюксметра | 24 символа |
| Дата | дд.мм.гггг |
| Время регистрации | чч:мм:сс:ммм (вплоть до мс) |
| Температура воздуха, °С | трехзначное целое число |
| Атмосферное давление, мм рт. ст. | трехзначное целое число |
| Влажность воздуха, % | трехзначное целое число |
| Параметр поля, В/м | трехзначная целая и двузначная дробная часть |
| Число спутников | трехзначное целое число |
| Дата (со спутника) | дд.мм.гггг |
| Время (со спутника) | чч:мм:сс (вплоть до с) |
| Географическая широта по GPS | двузначная целая и шестизначная дробная часть |
| Географическая долгота по GPS | трехзначная целая и шестизначная дробная часть |
| Высота над уровнем моря по GPS, км | трехзначная целая и шестизначная дробная часть |
| Скорость, м/с | трехзначная целая и шестизначная дробная часть |
Эксперименты проведены в удаленной местности Среднерусской возвышенности на территории Юрьев-Польского района Владимирской области. Данные наблюдений представлены в таблице 2.
Таблица 2. Данные эксперимента
| Параметры | Значения |
| Дата наблюдения | 16.08.2014 |
| Период времени | с 16:06:50 по 16:16:50; UTC/GMT+3 |
| Географическое положение | широта: 56.630671 (56°37′50″N); долгота: 39.654916 (39°39′18″E) |
| Диапазон значений E, В/м | от - 8091 до + 8091 |
| Наименьшее значение E, В/м | - 704,653 |
| Наибольшее значение E, В/м | + 534,306 |
| Погрешность, % | ± 4,2 |
Зависимость изменения напряженности Е электрического поля Земли в точке наблюдения рассчитана с учетом калибровочных коэффициентов и приведена на рисунке 2. Зафиксирован резкий всплеск величины напряженности электрического поля Земли с изменением полярности в период прохождения череды облаков над точкой наблюдения (от - 593,071 В/м до + 534,306 В/м).
|
|
| |
| Рисунок 2 - График изменения напряженности поля в точке наблюдения в период времени с 16:06:50 до 16:16:50 (16.08.2014г.). |
На рисунках 3 и 4 приведены «стоп-кадры» видеозаписи состояния атмосферы над точкой наблюдения, синхронизированные с регистраторами величины электрического поля Земли.
Зафиксировано изменение напряженности электрического поля от - 593,071 В/м (см. рисунок 3) до + 468,990 В/м (см. рисунок 4).
Рисунок 3 – Прохождение отрицательно заряженных облаков.
Подтверждена высокая чувствительность датчика к проявлению локальных атмосферных электрических эффектов и установлена возможность регистрации и видеофиксации малых летательных объектов, обладающих наведенным электрическим зарядом на поверхности тела или корпуса (см. рисунок 5).
Рисунок 4 – Прохождение положительно заряженного облака.
Регистрируемые комплексом данные допускают возможность оценки интенсивности изменения и скорости перемещения в пространстве разнополярных атмосферных образований в удаленном доступе, а также обеспечивают фиксацию флюктуаций электрического поля Земли в точке наблюдения в режиме видеоотображения и архивирования текущих процессов.
Рисунок 5 – Регистрация флюксметром низколетящих объектов (птицы).
Учитывая метеоданные о скорости и направлении ветров над контролируемой местностью, возникает возможность прогнозирования месторасположения и распространения электрически активных воздушных масс по территории охранных зон.
Результаты выполненных исследований показывают, что разработанный комплекс может позиционироваться как средство прогнозирования гроз на контролируемой территории охранных зон.
Исследования выполнены при поддержке РФФИ (гранты № 14-07-00794А и № 14-07-97520р), а также Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере "Фонд содействия инновациям" (гранты У.М.Н.И.К. № 1771 и № 1774).