способ однопунктовой дальнометрии источников атмосфериков

Формула изобретения

Способ определения дальности до молниевых разрядов, заключающийся в том, что принимают атмосферик на вертикальную электрическую антенну, усиливают его, фильтруют в требуемой широкой полосе частот, дискретизируют по времени с шагом t на заранее установленном интервале времени TI, запоминают полученный при этом сигнал Z_i (i = 1 - I1, где I 1 = TI/t) и проверяют его на соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n = 1 - N) до источника, для чего N-кратно параллельно обрабатывают атмосферик, причем при каждой n-ой обработке компенсируют в атмосферике ожидаемый при дальности L_n до источника пространственный сигнал с помощью земного сигнала этого же атмосферика, для этого образуют сигнал обратной связи Q_n,i и вычитают его из сигнала Z_i, причем полученный в результате такого вычитания разностный сигнал W_n,i используют для образования сигнала Q_n,i, при этом вычисляют энергию D_n сигнала W_n,i на заранее установленном интервале времени I0 - I1 (где I0 = TO/t, T0 - ожидаемая длительность земного сигнала), образуют выходной сигнал обработки P_n = 1/D_n, обратно пропорциональный D_n, запоминают его и сравнивают полученные значения P_n (n = 1 - N) по величине, находят обработку с максимальным P_n и определяют дальность до молниевого разряда как дальность, соответствующую этой обработке, отличающийся тем, что при каждой n-ой обработке атмосферика компенсирующий сигнал Q_n,i (i = 1 - I1) образуют по правилу



где h_n,i - заранее известная импульсная функция перехода от земного сигнала S_n,i к пространственному сигналу U_n,i при дальности L_n до источника атмосферика, определяемая соотношением:



где G_no(j2fm) и G_np(j2fm) - заранее известные комплексные коэффициенты передачи трасс распространения соответственно земного и пространственного сигналов;

f - заранее установленный шаг по частоте;

F - максимальная частота спектра анализируемого атмосферика

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехническим средствам дальнометрии источников электромагнитного излучения, в частности к способам и устройствам пассивной дальнометрии молниевых разрядов облако - земля преимущественно вертикальной поляризации, и может быть использовано в метеорологии и в гражданской авиации для оперативной грозолокации на расстоянии 300 - 2000 км.

Известен способ однопунктовой дальнометрии молниевых разрядов, реализованный в [1]. Этот способ основан на использовании зависимости формы атмосферика как от сигнала в источнике, так и от дальности до источника и заключается в том, что принимают атмосферик на вертикальную электрическую антенну, усиливают его, фильтруют в широкой полосе частот и дискретизируют по времени, запоминают полученный сигнал и проверяют его на соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n=1 - N) до молниевого разряда, для этого N-кратно параллельно обрабатывают атмосферик, при каждой n-ой обработке образуют невязку D_n^* между атмосфериком и сигналом, полученным при прохождении заранее неизвестным излученным сигналом трассы распространения длиной L_n с известной импульсной переходной функцией распространения (функцией преобразования короткого импульсного сигнала при прохождении трассы распространения), определяют сигнал в источнике, минимизирующий величину D_n^* с образованием величины D_n, из полученных D_n образуют обратно пропорциональные величины P_n= 1/D_n, запоминают их, сравнивают по величине, находят обработку с максимальным P_n и соответствующую дальность принимают за дальность до молниевого разряда.

Недостатком указанного способа является большая трудоемкость вычислений, связанная с определением в каждом канале обработки одновременно с дальностью до источника также оптимальной формы сигнала в источнике.

Наиболее близким к заявленному техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ однопунктового определения дальности до грозовых разрядов, реализованный в [2]. Этот способ основан на представлении атмосферика как совокупности земного сигнала и пространственного (состоящего из нескольких ионосферных) сигнала и использовании зависимостей интервалов времени и отношения амплитуд между каждым из ионосферных и земным сигналами атмосферика от дальности до грозового разряда и состоит в том, что 1) принимают атмосферик, содержащий земной и один или несколько ионосферных сигналов, на вертикальную электрическую антенну, 2) усиливают принятый атмосферик, 3) фильтруют его в широкой полосе частот, 4) дискретизируют по времени с шагом t на заранее установленном интервале времени T1, 5) запоминают полученный при этом сигнал Z_i (i=1 - I1, где I1 = T1/t ) и 6) проверяют его на соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n=1 - N) до грозового разряда, для этого при каждой n-й обработке 7) компенсируют в атмосферике ожидаемый пространственный сигнал с помощью земного сигнала с использованием ожидаемых при дальности L_n интервалов времени и отношения амплитуд между каждым из ионосферных и земным сигналами, 8) определяют энергию D_n нескомпенсированного остатка пространственного сигнала на заранее установленном интервале времени, 9) образуют выходной сигнал P_n= 1/D_n, обратно пропорциональный полученному сигналу, и 10) запоминают его, при этом 11) полученные при N обработках выходные сигналы сравнивают между собой по величине и определяют обработку с максимальным выходным сигналом, 12) соответствующую дальность принимают за дальность до грозового разряда.

Недостатком указанного способа является погрешность дальнометрии, вызванная различием форм ионосферных и земного сигналов в атмосферике из-за различия условий их распространения и приводящая к неполной компенсации пространственного сигнала атмосферика в канале обработки, соответствующем истинной дальности до грозового разряда.

Целью настоящего изобретения является увеличение дальности действия и повышение точности однопунктовой дальнометрии источников атмосфериков за счет использования для каждой трассы распространения заранее известной импульсной функции перехода от земного и пространственному сигналу и преобразования с помощью указанной функции земного сигнала в атмосферике в сигнал, который используется для компенсации ожидаемого пространственного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе однопунктового определения дальности до молниевого разряда, выключающем прием атмосферика Z(t), содержащего земной и пространственный сигналы, на вертикальную электрическую антенну, усиление принятого атмосферика, его фильтрацию в требуемой широкой полосе частот и дискретизацию по времени с шагом t на заранее установленном интервале времени T1, запоминание полученного при этом сигнала Z_i(i=1 - I1, где I1 = T1/t) и его проверку на соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n=1 - N) до молниевого разряда, для этого N-кратную параллельную обработку атмосферика, включающую при каждой n-ой обработке компенсацию в атмосферике ожидаемого пространственного сигнала с помощью земного сигнала этого же атмосферика путем образования сигнала обратной связи Q_n,i и вычитания его из сигнала Z_i, причем получаемый при этом разностный сигнал W_n,i используется для образования сигнала Q_n,i, вычисление энергии D_n сигнала W_n,i на заранее установленном интервале времени i=I0 - I1 (I0 = T0/t, где T0 - ожидаемая длительность земного сигнала), образование выходного сигнала обработки P_n=1/D_n, обратно пропорционального полученной энергии, и его запоминание, сравнение полученных значений P_n (n=1 - N) по величине, нахождение обработки с максимальным P_n и определение дальности до источника как дальность, соответствующую обработке, согласно изобретению при каждой n-ой обработке атмосферика компенсирующий сигнал Q_n,i (i=1 - I1) образуют из сигнала W_n,i по правилу



где h_n,i - заранее известная импульсная функция перехода от земного сигнала S_n,i к пространственному сигналу U_n,i при дальности L_n до источника атмосферика



определяемая соотношением



где G_n0(j2fm) и G_np(j2fm) - заранее известные комплексные коэффициенты передачи трасс распространения соответственно земного и пространственного сигналов, f - шаг по частоте, F - максимальная частота спектра анализируемого атмосферика,

Новым в предложенном способе дальнометрии по сравнению с прототипом является использование при каждой n-ой обработке атмосферика для образования компенсирующего сигнала Q_n,i заранее известной импульсной функции h_n,i перехода от земного к пространственному сигналу.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства однопунктовой дальнометрии, где обозначено: 1 - электрическая антенна, 2 - усилитель, 3 - фильтр, 4 - первый блок задержки, 5 - аналого-цифровой преобразователь, 6 - первый блок памяти, 7 - пороговый блок, 8 - второй блок задержки, 9 - первый одновибратор, 10 - генератор тактовых импульсов, 11 - 13 - N каналов обработки, 14 - блок определения канала обработки с максимальным выходным сигналом.

На фиг. 2 представлена блок-схема одного канала обработки, где обозначено: 15 - блок вычитания, 16 - квадратор, 17 - блок накопления, 18 - блок вычисления обратной величины, 19 - второй блок памяти, 20 - вычислитель, 21 - блок постоянной памяти, 22 - третий блок памяти, 23 - второй одновибратор.

На фиг. 3 представлены примеры импульсных функций h_n(t) перехода от земного к пространственному сигналу при ночных условиях распространения и дальностях а) L=500 км и б) L=1000 км.

На фиг. 4 представлены а) нормированная расчетная форма ночного атмосферика Z(t) на расстоянии L= 500 км от излучателя (приведена в [3], рис. 1.4.7.в) и б) зависимость от L обратной невязки P(L) (полученная из P_n=P(L_n) при соединении соседних точек непрерывной линией), вычисленная для этого атмосферика с помощью предлагаемого способа. Как следует из фиг. 4 б), полученная при этом оценка дальности близка к исходной дальности до источника.

Сущность предлагаемого способа дальнометрии основана на многолучевом распространении атмосферика в волноводном канале земля - ионосфера [3], при котором атмосферик Z(t) описывается как сумма распространяющегося вдоль поверхности земли земного сигнала S(t) и пространственного сигнала U(t), содержащего один или несколько отраженных от ионосферы сигналов, которые распространяются по нескольким путям: отразившийся один раз от ионосферы - первый ионосферный сигнал, отразившийся от ионосферы, затем от земли и еще раз от ионосферы - второй ионосферный сигнал и т.д., и имеет вид

Z(t)=S(t)+U(t). (4)

При этом задержка начала пространственного сигнала относительно начала земного сигнала равна задержке прихода первого ионосферного сигнала относительно земного сигнала



где R= 6370 км - радиус Земли, H - высота нижней отражающей границы ионосферы (днем H=70 км, ночью H=90 км), c=310⁵ км/с - скорость распространения электромагнитного сигнала. При этом используется ограниченность по времени существования молниевого разряда, что приводит к ограниченной длительности T0 земного сигнала (практически T0120 мкс).

По предлагаемому способу, как и в прототипе, дальность L до молниевого разряда определяется по форме атмосферика Z(t) путем его проверки на соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n=1 - N) до источника, для чего атмосферик N-кратно параллельно обрабатывается, причем при каждой n-ой обработке в анализируемом атмосферике осуществляется компенсация ожидаемого пространственного сигнала земным сигналом с помощью ячейки с обратной связью, содержащей блок вычитания и цепь обратной связи, соединяющей выход блока вычитания с его вторым входом. По предлагаемому способу выходной сигнал ячейки с обратной связью W_n(t) преобразуется в цепи обратной связи в компенсирующий сигнал Q_n(t) по правилу



с использованием заранее известной импульсной функции h_n(t) перехода от земного сигнала к пространственному сигналу (сами эти сигналы заранее неизвестны) при распространении по трассе длиной L_n. При этом h_n(t) определяется соотношением



и зависит от длины трассы (h_n(t)=0 и U_n(t)=0 при t < _n, где _n - задержка прихода первого ионосферного сигнала относительно земного сигнала при дальности L_n до источника (5)).

В результате компенсации из анализируемого атмосферика образуется сигнал W_n(t)

W_n(t)=Z(t)-Q_n(t). (8)

Подставляя в правую часть (8) значение Z(t) из (4) и Q_n(t) из (6), получаем для W_n(t) рекуррентное соотношение



В канале обработки, настроенном на истинную дальность до источника излучения анализируемого атмосферика, соотношение (9) с учетом (7) выполняется при W_n(t)= S_n(t), откуда W_n(t)=0 при t>T0. Действие цепи обратной связи соответствует тому, что в каждый момент времени, начиная с t = _n (при t < _n сигнала на выходе цепи обратной связи еще нет: Q_n(t)=0 и W_n(t)=S_n(t)), из начальной части сигнала W_n(t) с помощью цепи обратной связи образуется сигнал Q_n(t), который, поступая на второй вход блока вычитания, компенсирует пространственный сигнал атмосферика U(t), оставляя на выходе блока вычитания только земной сигнал S(t).

В канале, настроенном на дальность, отличную от дальности до анализируемого атмосферика, из сигнала с выхода блока вычитания образуется сигнал обратной связи, отличающийся от пространственного сигнала атмосферика, в результате компенсации пространственного сигнала атмосферика не происходит и на выходе ячейки с обратной связью выходной сигнал не обращается в нуль после окончания земного сигнала.

Импульсная функция h_n(t) перехода от земного к пространственному сигналу при n-ой обработке вычисляется следующим образом. Обозначая G_n0(j) и G_пр(j) - заранее известные коэффициенты передачи трассы соответственно земного и пространственного сигналов при дальности L_n до источника, S_n(j) и U_n(j) - неизвестные спектры соответственно земного и пространственного сигналов, V(j) - неизвестный спектр сигнала в источнике, получаем



Исключая в (10) спектр сигнала в источнике V(j), получаем соотношение между спектрами пространственного и земного сигналов

U_n(j) = S_n(j)G_np(j)/G_n0(j). (11)

При этом, осуществляя преобразование Фурье обеих частей соотношения (7), получаем спектр пространственного сигнала также в виде

V_n(j) = S_n(j)K_n(j), (12)

где K_n(j) - спектр функции h_n(t). Сравнивая соотношения (11) и (12), получаем

K(j) = G_пр(j)/G_n0(j), (13)

в результате функция h_n(t), связанная с K_n(j) преобразованием Фурье, имеет вид



где F - максимальная частота пропускания входного фильтра (F=35 кГц). (Спектры пространственного и земного сигналов можно получить, используя, например, методы расчета, приведенные в [4]).

При этом в дискретном по времени представлении функция h_n(t) равна



где f - шаг по частоте (f=2 кГц).

Получаемый при этом скомпенсированный сигнал атмосферика W_n(t) (7) возводится в квадрат и интегрируется на интервале времени T0<tT1, не содержащем земного сигнала, с образованием энергии нескомпенсированного остатка D_n



обратно пропорциональная величина которого P_n=1/D_n является показателем соответствия анализируемого атмосферика дальности L_n до источника, а зависимость P_n от дальности L является решающей функцией - за дальность до источника принимается дальность, соответствующая каналу с максимальным выходным сигналом P_n.

Дальности L_n, соответствующие соседним обработкам (L_n+1>L_n), устанавливаются такими, чтобы их относительное различие было равно 5%. При этом в диапазоне дальностей 300 - 2000 км требуемое количество каналов обработки составляет N35.

Для обработки на ЭВМ осуществляется дискретизация выходящих в приведенные соотношения сигналов по времени с заранее установленным шагом t=1 мкс, в результате соотношение (6) переходит в (1)



Как видно из приведенных на фиг. 3 а), б) графиков, импульсная переходная функция h(t) состоит из нескольких разнесенных по времени "всплесков", каждый из которых соответствует одному ионосферному сигналу при увеличении дальности до источника сокращаются интервалы времени между "всплесками" (из-за уменьшения разностей длин путей отдельных ионосферных лучей), увеличиваются амплитуды "всплесков" (из-за увеличения как коэффициентов отражения сигналов от иносферы, так и затухания земного сигнала) и изменяются формы "всплесков". Время обработки атмосферика устанавливается равным T1= 400 мкс, при этом во всем диапазоне дальностей обрабатываемой атмосферик содержит земной сигнал и не менее одного ионосферного сигнала (каждая из функций h_n(t) (n=1 - N) содержит на интервале 0 - T1 не менее одного "всплеска") для обеспечения зависимости h_n(t) от дальности до источника излучения.

Приведенная на фиг. 4 а) форма ночного атмосферика Z(t) (соответствующего дальности L=500 км до источника) содержит существенно перекрывающиеся по времени земной и первый ионосферный сигналы, а также второй ионосферный сигнал. Полученный с использованием описанного способа и приведенный на фиг. 4 б) график решающей функции P(L) имеет максимум при дальности L500 км.

Учет различия форм земного и каждого из ионосферных сигналов с использованием заранее известных частотных характеристик трасс распространения для компенсации ожидаемых ионосферных сигналов атмосферика земным сигналом (в отличие от прототипа, где формы земного и ионосферных сигналов считаются одинаковыми), увеличивает дальность действия и уменьшает погрешности измерения дальности до источника.

Предлагаемый способ определения дальности до источников атмосфериков включает следующую последовательность операций: а) принимают атмосферик на вертикальную электрическую антенну 1 высотой 3 м, б) усиливают его в усилителе 2, в) фильтруют в полосе частот 2 - 35 кГц с помощью фильтра 3, г) для сохранения начальной части атмосферика, предшествующей моменту превышения порога, задерживают сигнал на 20 мкс в первом блоке задержки 4 и д) осуществляют в блоке 5 аналого-цифровое преобразование сигнала по времени с шагом t = 1 мкм, е) полученный при этом сигнал Z_i (i=1 - I1, где I1=400) запоминают в первом блоке памяти 6 и ж) обрабатывают в решающем устройстве, состоящем из N (N=35) параллельных каналов обработки 11 - 13, каждый из которых настроен на фиксированную дальность L_n до источника излучения в установленном заранее диапазоне дальностей 300 - 2000 км, з) сигнал с выхода фильтра, кроме того, сравнивают с установленным заранее пороговым уровнем в пороговом блоке 7, на выходе которого вырабатывают короткий импульсный сигнал в момент первого превышения атмосфериком порогового уровня, полученный при этом сигнал для синхронизации работы подают параллельно и) на второй вход АЦП, к) на вторые входы каналов обработки и л) задерживают на 500 мкс - время регистрации атмосферика во втором блоке задержки 8, м) сигналом с его выхода запускают одновибратор 9, на время действия которого н) запускают генератор тактовых импульсов 10, вырабатывающий 400 импульсов, о) выходные сигналы тактового генератора подают на третьи входы каналов обработки, п) по окончании обработки атмосферика выходные сигналы каналов обработки сравнивают по величине в блоке 14 и р) на одном из выходов этого блока, соответствующем каналу обработки с максимальным выходным сигналом, вырабатывают стандартный сигнал, при этом в каждом n-ом (n=1 - N) канале обработки сигнал атмосферика с первого входа последовательно а1) пропускают через блок вычитания 15, б1) возводят в квадрат в квадраторе 16, в1) накапливают в накопителе 17 и г1) образуют обратно пропорциональную величину накопленного сигнала в блоке 18, причем выходной сигнал этого блока является выходным сигналом канала обработки, д1) сигнал с выхода блока вычитания, кроме того, запоминают в блоке памяти 19 и е1) обрабатывают в вычислителе 20 совместно с выходными сигналами блока постоянной памяти 21, содержащего импульсную функцию перехода от земного к пространственному сигналу при дальности L_n до источника, ж1) образованный при этом на выходе вычислителя сигнал обратной связи подают на второй вход блока вычитания для компенсации в атмосферике пространственного сигнала, при этом сигнал с второго входа канала обработки, соответствующий моменту начала атмосферика, подают параллельно на первые входы з1) накопителя для его обнуления, и1) второго блока памяти и к1) вычислителя, а также л1) задерживают в третьем блоке задержки 22 на время ожидаемого запаздывания прихода пространственного сигнала относительно земного сигнала и м1) подают на вход второго одновибратора 23, сигналом с выхода которого н1) разрешают по второму входу работу накопителя, при этом тактовые импульсы с третьего входа канала обработки подают параллельно на вторые входы о1) второго блока памяти и п1) вычислителя, а также р1) на третий вход постоянной памяти соединены с соответствующими входами вычислителя.

Способ определения дальности до молниевых разрядов может быть реализован в устройстве, блок-схема которого приведена на фиг. 1, где обозначено: 1 - электрическая антенна, 2 - усилитель, 3 - фильтр, 4 - первый блок задержки, 5 - аналого-цифровой преобразователь, 6 - первый блок памяти, 7 - пороговый блок, 8 - второй блок задержки, 9 - одновибратор, 10 - генератор тактовых импульсов, 11 - 13 - N каналов обработки, 14 - блок определения канала обработки с максимальным выходным сигналом, а блок-схема одного канала обработки приведена на фиг. 2, где обозначено: 15 - блок вычитания, 16 - квадратор, 17 - накопитель, 18 - блок вычисления обратной величины, 19 - второй блок памяти, 20 - вычислитель, 21 - блок постоянной памяти, 22 - третий блок памяти, 23 - второй одновибратор.

В качестве блоков 2 - 4, 6 - 10, 15 - 19 и 21 - 23 могут быть использованы стандартные блоки, в том числе на интегральных микросхемах, приведенные в [5], в качестве блока 5 - стандартный аналого-цифровой преобразователь, в качестве блока 14 - блок, описанный в [6].

Для проверки работоспособности метода дальнометрии, в том числе и вычислителя 20, была использована ЭВМ РС-386.

При реализации предлагаемого способа дальнометрии устанавливается:

- электрическая антенна 1 - вертикальная штыревая, длиной 3 м (действующая высота 1,5 м),

- усилитель 2 - линейный, переменного тока, широкополосный с регулируемым коэффициентом усиления 50 - 500,

- фильтр 3 - полосовой с полосой пропускания 2 - 35 кГц,

- длительность задержки сигнала в блоке 4 _a= 20 мкс,

- АЦП 5 10-разрядный с шагом по времени t = 1 мкс,

- блок памяти 6 объемом 512 слов,

- длительность задержки сигнала в блоке 8 _b= 500 мкс,

- длительность выходного сигнала одновибратора 9 _b= 4 мс,

- шаг по времени тактового генератора 10 _g= 10 мкс,

- блок памяти 19 объемом 512 слов,

- блок постоянной памяти 21 объемом 512 слов,

- длительность обрабатываемого атмосферика T1 400 мкс,

- ожидаемая длительность земного сигнала атмосферика T0 120 мкс,

- шаг по частоте при расчете h_n,1 f = 2 кГц,

- диапазон дальностей способа 300 - 2000 км,

- относительное расхождение градаций дальности соседних каналов обработки от средней дальности этих каналов 5%,

- количество каналов обработки N=35,

- относительное уменьшение погрешностей дальнометрии по сравнению с прототипом 20%.

Технический результат использования предложенного способа по сравнению с прототипом состоит в расширении диапазона дальностей и повышении точности однопунктовой дальнометрии источников атмосфериков, что может быть использовано в метеорологии и гражданской авиации.

Литература

1. Епанечников В. А. Способ однопунктового определения дальности до молниевого разряда, МКИ G 01 S 11/00, заявка на патент N 97117580/09 с положительным решением от 22.05.98 г.

2. Александров М.С., Гапонов И.М., Епанечников В.А., Казаров Ю.В. Устройство для однопунктового определения дальности до источника грозового разряда. Патент РФ N 1799155 от 08.10.92, МКИ G 01 S 11/00.

3. Кононов И. И., Петренко И.А., Снегуров В.С. Радиотехнические методы местоопределения грозовых очагов. Л.: Гидрометеоиздат, 1986.

4. Макаров Г.И., Новиков В.В., Рыбачек С.Т. Распространение радиоволн в волноводном канале Земля - ионосфера. -М.: Наука, 1993.

5. "Аналоговые цифровые интегральные микросхемы"// под ред. Якубовского С.В. -М.: Радио и связь, 1985.

6. Устройство определения канала с максимальным уровнем сигнала. Авторское свидетельство 1451609, СССР, МКИ 4 G 01 R 19/04.