4. КОМПЛЕКС НАУЧНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ HAARP

: общие сведения : : ионозонд : : риометры : : ионосферные радары : : индукционный магнетометр : : ELF/VLF радиоприемник : : регистратор GNSS-сцинтилляций : : КВ/УКВ мониторы : : оптические инструменты :

 

Комплекс научных инструментов HAARP предназначен для наблюдения за состоянием ионосферы, магнитосферы и верхних слоев тропосферы и измерения их параметров как в процессе активного эксперимента с разогревом ионосферы излучением комплекса IRI, так и в обычном пассивном режиме. В состав комплекса входят также средства мониторинга электромагнитной обстановки.

Комплекс включает:

1. Ионозонд.
2. Риометры - классический и отображающий.
3. Ионосферные УКВ-радары - низкочастотный (VHF) и модульный высокочастотный (MUIR).
4. Индукционный магнетометр.
5. ELF/VLF радиоприемник.
6. Регистратор GNSS-сцинтилляций.
7. КВ/УКВ мониторы.
8. Оптические инструменты.

Текущие и архивные данные мониторинга с помощью комплекса научных инструментов предоставлялись для открытого онлайн доступа в разделе Data Index сайта HAARP (в архивной копии сайта данные мониторинга не сохранены).

 

Ионозонды являются инструментом вертикального зондирования ионосферы. Основное их назначение - измерение распределения плотности свободных электронов в ионосферне по высоте. Принцип их действия основан на измерении параметров и времени задержки радиоэха от излучаемого передающей антенной вертикально вверх зондирующего сигнала в диапазоне декаметровых волн, преимущественно на частотах от 1-2 до 20-40 МГц. Полученное по результатам зондирования распределение параметров отраженных сигналов по частотам и высотам, называемое ионограммой, является основой для вычисления распределения свободных электронов в ионосфере, а также для определения других параметров ионосферной плазмы с построением карт, директограмм и графиков.

Рис.4.1. Ионограмма ионозонда Digisonde Lowell DSP-4 комплекса HAARP

(источник иллюстрации - архивная копия сайта HAARP)

 

Антенный комплекс ионозонда состоит из передающей антенны и решетки приемных антенн. Последняя состоит их 4-х антенн, расположенны в виде трехлучевой звезды, что позволяет определять направление на радиоэхо. В качестве аппаратной части использован ионозонд Digisond DSP-4 фирмы Lowell Digisonde International, разработанный при участии Массачусетского Университета Лоуэлла.

Рис.4.2. Антенны и аппаратура ионозонда комплекса HAARP

(источники иллюстрации: 1. архивная копия сайта HAARP 2. Lowell Digisonde International)

 

Развернутые сведения о вертикальном зондировании ионосферы (физические основы, задачи, материальное обеспечение, математический аппарат, сети ионосферных станций и пр.) см. в отдельном обзоре.

 

Риометры (riometer - Relative Ionosperic Opacity Meter) - это инструменты для измерения показателей абсорбции (непрозрачности) ионосферы. В отличие от ионозондов, риометры являются пассивными инструментами, не имеющими собственных радиопередатчиков. Источниками эталонного радиосигнала, «просвечивающего» ионосферу, для них служит совокупность космических объектов - звезд и галактик, создающих фоновое космическое излучение. Степень абсорбции ионосферы определяется по уровню принимаемого сигнала данного излучения на частотах, находящихся на границе частотной прозрачности, при этом в качестве опорного эталона для оценки используется усредненный уровень сигнала в спокойные дни солнечной активности.

Рис.4.3. Вид на риометры комплекса HAARP

(источник иллюстрации - архивная копия сайта HAARP)

 

В составе комплекса измерительных инструментов HAARP предусмотрены два риометра - «классический» и отображающий (imaging). «Классический» риометр принимает сигнал космического излучения на частоте 30 МГц с помощью стэка 2х2 5-ти-элементных антенн типа «кросс-яги бим», направленных в зенит. Принятый сигнал усиливается, фильтруется от помех, усредняется и записывается в виде суточных графиков. Классический риометр измеряет усредненную абсорбцию в области ионосферы, расположенной непосредственно над ним, поэтому его называют также риометром всего неба (all sky riometer).

Рис.4.4. Антенный стэк и данные измерений классического риометра комплекса HAARP

(источник иллюстрации - архивная копия сайта HAARP)

 

Отображающий риометр принимает сигнал с помощью фазированной антенной решетки, диаграмму которой последовательно фокусируют на заданных участках небесной сферы. Полученные для них значения абсорбции потом объединяются как «пиксели» в общую «картинку» сканируемой области ионосферы.

Антенная решетка отображающего риометра представляет собой матрицу 8х8 из 64-х кросс-диполей, фазируемых с помощью матрицы Батлера. Частота принимаемого сигнала риометра - 38.6 МГц. Минимальный угол раскрыва диаграммы антенны - 6,7°, ее главная ось сориентирована вдоль магнитного меридиана.

Рис.4.5. Кросс-диполь и паттерн диаграммы антенны отображающего риометра
комплекса HAARP

(источники иллюстрации: 1. HAARP Diagnostic Instruments Photographic Tour 2017 2. HAARP Imaging Riometer Diagnostic)

 

Примечание. Отображающий радар является более совершенным инструментом, чем классический. С вводом его в действие необходимость в классическом риометре отпала и последний был демонтирован.

 

Более подробно об исследовании ионосферы с помощью риометров (физические основы, задачи, аппаратура, математика и пр.) см. в отдельном обзоре.

 

Ионосферные радары предназначены для радиолокационного зондирования ионосферы на частотах диапазонов метровых и дециметровых волн. Они позволяют определять те же параметры ионосферы, что и ионозонды, но в более широком диапазоне высот и с возможностью сканирования в пределах отклонения луча до 60° от вертикали. Кроме того, они позволяют обнаруживать в ионосфере различного рода плазменные неоднородности - плазмоиды, волны Ленгмюра и др., что требовалось для ряда экспериментов программы HAARP.

В составе комплекса HAARP предусмотрено два некогерентных ионосферных радара - модульный высокочастотный УКВ радар MUIR (Modular UHF Ionospheric Radar), работающий на частоте 446 МГц, и низкочастотный УКВ радар (VHF radar), работающий на частоте 139 МГц.

Радар MUIR имеет фазированную антенную решетку из антенных модулей, размещаемых на металлической несущей раме, установленной на бетонном свайном фундаменте с целью защиты от вибраций. Каждый модуль имеет 32 кросс-диполя, расположенных в узлах решетки 8х8 в шахматном порядке. Всего в антенной решетке MUIR используется 16 таких модулей, т.о. общее число кросс-диполей составляет 512 и расположены они в узлах матрицы 32х32 в шахматном порядке. Площадь (апертура) антенной решетки равна 219.8 м2.

Пиковая импульсная мощность радара достигает 512 кВт. Радар позволяет изменять направление луча при каждом импульсе, при этом максимально отклонение от вертикали может достигать 25 °.

Рис.4.6. Антенная решетка ионосферного радара MUIR комплекса HAARP

(источник иллюстрации - архивная копия сайта HAARP)

 

Сведения о низкочастотном УКВ (VHF) радаре в архивной копии сайта HAARP ограничены лишь упоминанием о нем в общем перечне инструментов и его фотографией. Судя по фото, его антенна также является фазированной антенной решеткой в форме прямоугольника, сильно вытянутого в направлении СЮ, т.е., в направлении магнитного меридиана. Тип излучателей антенной решетки неизвестен, также нет данных по ее диаграмме. По данным других источников, данный радар использовался с 2001 по 2003 год для измерения параметров неоднородностей в ионосферной плазме, в частности, волн Ленгмюра и ионно-акустических волн.

В связи внедрением более совершенного радара MUIR использование VHF радара было прекращено как морально устаревшего и требующего модернизации.

Рис.4.7. Низкочастотный УКВ-радар комплекса HAARP

(источник иллюстрации - архивная копия сайта HAARP)

 

Более подробную информацию об исследовании ионосферы с помощью ионосферных радаров см. в отдельном обзоре.

 

 

 

 

Для оценки влияния вариаций ионосферных токов, вызванных разогревом ионосферы в процессе экспериментов, на параметры геомагнитных пульсаций в составе комплекса научных приборов HAARP предусмотрен трехкоординатный индукционный магнетометр. Он имеет три индукционных датчика для измерения горизонтальных (СЮ и ЗВ) и вертикальной составляющей геомагнитного поля, и вторичную аппаратуру, обеспечивающую усиление сигналов датчиков, первичную фильтрацию помех и последующую цифровую обработку с выделение полезных сигналов из шумов и определением спектральных характеристик геомагнитных пульсаций в диапазоне единиц и долей герц.

Рис.4.8. Конструкция датчика индукционного магнетометра комплекса HAARP

(источник иллюстрации - архивная копия сайта HAARP)

 

Датчики магнетометра представляют собой длинные катушки малого диаметра с большим (несколько тысяч) числом витков с сердечниками из пластин пермаллоя. По конструкции они полностью аналогичны датчикам резонанса Шумана, но работают в существенно более низком диапазоне частот.

Более подробно о геомагнитном поле, геомагнитных пульсациях и их измерениях см. в отдельном обзоре.

 

Для обнаружения и измерения индуцированного разогревом ионосферы ELF/VLF (сверх- и ультранизкочастотного) излучения как на самом комплексе HAARP, так и в удаленных измерительных пунктах использовался цифровой ELF/VLF приемник AWESOME (Atmospheric Wether Electromagnetic System for Observation, Modelling and Education), разработанный Стэнфордским Университетом. Приемник имеет следующие параметры:

• диапазон частот - 800 гц / 47 кГц;
• уровень собственных шумов - не более -60 дБ-pT/Гц-1/2.
• число каналов - 2 (для антенн горизонтальных магнитных компонент);
• входной импеданс - 1 Ом;
• частота дискретизации при аналого-цифровом преобразовании - 100 кГц;
• разрядность - 16 бит;
• погрешность временнОй синхронизации по сигналу GPS - не более 100 нС.

Приемник расчитан на работу с «воздушными» магнитными антеннами, представляющими собой катушки с большой площадью витка без сердечников.

Рис.4.9. Структурная схема и компоненты ELF/VLF приемника AWESOME

(источник иллюстрации - Sensitive Broadband ELF/VLF Radio Reception With the AWESOME Instrument)

 

Более подробно об экспериментах по генерации низкочастотных волн в ионосфере путем ее разогрева см. далее в настоящем обзоре.

 

Для исследования структуры и динамики слоя F ионосферы, в т.ч. полного электронного содержания TEC (total electron content), с целью оценки его влияния на прохождение сигналов навигационных спутниковых систем (GNSS) был создан радиокомплес SATSIN (HAARP diagnostic Satellite Scintillation system) на основе GPS/GLONASS радиоприемников.

Рис.4.10. Радиокомплекс SATSIN

(источники иллюстрации: 1. Developing satellite signal parameter estimation algorithms for high-accuracy applications 2. An Improved Ionosphere Scintillation Event Detection and Automatic Trigger for A GNSS Data Collection System)

 

Комплекс содержит 4 разнесенных в пространстве приемника сигналов навигационных спутников, из которых 3 (2 - GPS и 1 - GLONASS) используются для записи в регистратор спутниковых сигналов с целью последующего анализа, а 1 (GSV4004B) служит детектором, включающим регистратор только при обнаружении сцинтилляций, что позволяет на несколько порядков снизить объем обрабатываемых данных. Более подробно о комплексе SATSIN см. в главе настоящего обзора, посвященной исследованиям по программе HAARP в интересах спутниковой связи и навигации.

 

Для мониторинга спектра радиоизлучений в районе комплекса IRI HAARP предусмотрен КВ/УКВ монитор, работающий в диапазоне 2 МГц - 1 ГГц. Он содержит приемный тракт УКВ-диапазона 30 МГц - 1 ГГц и приемный тракт КВ диапазона 2 - 30 МГц, выходные сигналы которых поступают на смеситель, суммарный сигнал с выхода которого поступает на вход анализатора спектра HP-8560E. Данные анализатора спектра обрабатываются компьютером и отображаются в виде спектрограммы с необходимыми для визуального мониторинга отметками, которая выводится на экран монитора оператора, а также для свободного онлайн доступа на страницу сайта комплекса HAARP.

Рис.4.11. КВ/УКВ мониторы комплекса HAARP

(источник иллюстрации - архивная копия сайта HAARP)

 

Для наблюдения за параметрами отраженного сигнала HAARP использовался комплекс на базе радиоприемника TenTec 422B Centurion и зенитной спиральной конической антенны/

Рис.4.12. КВ монитор отраженного сигнала комплекса HAARP

(источник иллюстрации - архивная копия сайта HAARP)

 

 

Для наблюдений за световыми эффектами в атмосфере, ионосфере и магнитосфере в составе комплекса HAARP организована обсерватория оптических измерений, в которой установлены 2 видеорегистратора полного неба, телескопический видеорегистратор и фотометры разных спектральных диапазонов.

Рис.4.13. Обсерватория оптических измерений комплекса HAARP

(источник иллюстрации - архивная копия сайта HAARP)

 

Рис.4.14. Кадры фоторегистратора всего неба комплекса HAARP

(источник иллюстрации - Artificial optical emissions at HAARP for pump frequencies near the third and second electron gyro-harmonic)

 

Более подробно об оптических инструментах и проведенных с их помощью исследованиях см. в отдельной главе настоящего обзора.

 

Примечание. На разных стадиях исследований применялись и другие инструменты, впоследствие морально устаревшие и замененные на описанные в данной главе. Кроме того, временно использовались некоторые инструменты, устанавливавшиеся на период экспериментов. Использовались и инструменты, расположенные на площадках других исследовательских центров. Информация об этих инструментах в настоящий обзор не включена.

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 20.08.2018 Последнее изменение - нет

© Janto 2018 Все права защищены