Мои анализатор и монитор VLF-спектра в MATLAB. Мониторинг прохождения сверхдлинных волн

При приеме сверхдлинноволновых сигналов часто возникает проблема в распознавании наличия слабого сигнала, которого почти не видно на спектрограмме-"водопаде", которая строится популярной у любителей сверхдлинных волн программой Spectrum Lab.

Я решил использовать тот факт, что спектр помех случаен, что позволит, накапливая результаты наблюдений, распознать наличие слабого полезного сигнала. При этом я предполагаю, что анализируемый радиосигнал подается на вход звуковой карты компьютера с выхода предварительного усилителя.

Скрипт-анализатор спектра

Код скрипта vlf.m для математического пакета MATLAB я разместил в репозитарии на GitHub:
https://github.com/Dreamy16101976/VLF_MATLAB

Частота оцифровки (в герцах) задается жестко заданным в скрипте параметром Fs (желательно, чтобы звуковая карта позволяла использовать частоту не ниже 96 кГц).

При запуске скрипта запрашиваются:

• нижняя частота среза ФВЧ (по умолчанию 6000 Гц)
  
• интервал для анализа спектра dt (по умолчанию 20 мс)
  
• число анализируемых интервалов N (по умолчанию 5000)
  
• нижняя частота интервала для построения спектрограммы
• верхняя частота интервала для построения спектрограммы

Скрипт непрерывно производит анализ спектра и записывает результаты в текстовые и png-файлы (с именем вида YYYYMMDDHHMMSS.xxx) с картинками спектра.
Для прерывания работы скрипта необходимо нажать сочетание клавиш CTRL-C в командном окне MATLAB или окне консоли, в котором выполняется скомпилированное приложение.

Компиляция скрипта

Скрипт можно компилировать в исполняемый exe-файл посредством команды:

mcc -mv -o vlf vlf.m

Для распространения полученного приложения необходимы:

• исполнимый файл vlf.exe
• архив vlf.ctf
• инсталлятор MCRInstaller.exe (MATLAB Component Runtime 7.7 installer for Windows)

Результаты работы скрипта

Вот такие результаты я получил при запуске скрипта с параметрами dt=500 и N=1800:
(антенна ориентирована в направлении "северо-восток - юго-запад")

А вот соответствующая спектрограмма-"водопад":

1 - 18,3 кГц
2 - 18,9 кГц
3 - 19,6 кГц
4 - помеха
5 - 20,3 кГц
6 - 20,9 кГц
7 - 22,1 кГц
8 - 23,4 кГц
9 - 24,0 кГц

Скрипт для мониторинга

Для облегчения мониторинга сигнала выбранной СДВ-радиостанции я разработал скрипт vlf_mon.m (на основе скрипта vlf.m) для MATLAB и разместил его в репозитарии на GitHub:
https://github.com/Dreamy16101976/vlfmon

Скрипт запрашивает размер интервала (dt) для анализа спектра, число интервалов (N) и наблюдаемую частоту (f):

Он непрерывно выполняет измерения:

Результаты записываются в текстовый файл:

f = 22100 Hz
dt = 500 msec
N = 1800
Level:    80u
Time: 16.12.2017 21:25
Level:    86u
Time: 16.12.2017 21:43
Level:    93u
Time: 16.12.2017 22:01
..........................

Компиляция скрипта

Скрипт можно компилировать в исполняемый exe-файл посредством команды:

mcc -mv -o vlf_mon vlf_mon.m

Для распространения полученного приложения необходимы:

• исполнимый файл vlf_mon.exe
• архив vlf_mon.ctf
• инсталлятор MCRInstaller.exe (MATLAB Component Runtime 7.7 installer for Windows)

Исследование прохождения сверхдлинных радиоволн

Для изучения условий распространения сверхдлинных радиоволн я выбрал сигнал частотой 22,1 кГц. Он излучается британской станцией (позывной GQD), расположенной в Skelton (N 54° 43' 54.48" W 002° 52' 58.92") на большом расстоянии от Гомеля (места приема сигнала).

Сначала я использовал мой скрипт-анализатор спектра и вручную измерял соответствующие уровни сигнала на спектрограммах.

Я провел 9 декабря 2017 года замеры уровня сигнала станции GQD с интервалом 1-2 часа, начиная примерно с 16 часов местного времени
(закат в день измерения наступил примерно через час после начала наблюдений):

Графически изменение уровня сигнала при наступлении темного времени суток имеет вид:

Как видно, уровень сигнала в светлое время суток намного слабее, чем ночью.

Вот так можно показать это изменение наглядно:

(слева - бледная полоска сигнала станции на спектрограмме, справа - сильный сигнал в темное время суток)

Это различие объясняется различными условиями прохождения радиоволн в разное время суток. Подробно я описал причину этого здесь.

Вот соответствующие примеры двух спектрограмм (слева - в дневное время, справа - в ночное время):

13 декабря я сделал серию измерений утром, начиная с 8:15 (восход Солнца наступил в 9:00).

18 декабря я сделал измерения от предрассветного времени до заката с интервалом в один час:

Эти измерения совпали с предыдущими - в дневное время уровень сигнала незначительно отличается от 0,30x10^-4.

Продолжение следует