СПОСОБ ОДНОПУНКТОВОЙ ДАЛЬНОМЕТРИИ ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиотехническим средствам дальнометрии источников электромагнитного излучения, в частности к способам и устройствам пассивной дальнометрии грозовых разрядов облако-земля, и может быть использовано в метеорологии и в гражданской авиации для оперативного наблюдения за грозовой деятельностью на расстояниях 80 300 км.

Известны способ однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов и устройство для его осуществления, реализованные в [1] Этот способ основан на использовании зависимости от дальности временной задержки между земным и первым ионосферным лучами электромагнитного сигнала грозового разряда - атмосферика и заключается в том, что принимают вертикальную электрическую компоненту атмосферика, содержащую земной и первый ионосферный лучи, усиливают ее, фильтруют в широкой полосе частот, задерживают по времени, детектируют и, при превышении амплитудой сигнала установленного порогового уровня, отображают на экране индикатора, ось времени которого отградуирована в единицах дальности до грозового разряда, по полученному изображению визуально определяют запаздывание прихода первого ионосферного луча относительно земного луча и таким образом определяют дальность до грозового разряда.

Устройство для осуществления этого способа состоит из всенаправленной штыревой электрической антенны, усилителя и широкополосного фильтра, линии задержки, детектора, порогового блока, блока синхронизации, генератора горизонтальной развертки и индикатора дальности.

Недостатками указанного способа и устройства являются как существенная погрешность дальнометрии в случае превышения длительностью грозового разряда интервала времени между моментами прихода земного и ионосферного лучей, при этом ионосферный луч частично перекрывается с земным лучом и определить момент прихода ионосферного луча оказывается невозможным, так и большое время измерения дальности по изображению атмосферика на экране индикатора.

Наиболее близким к заявленному техническим решением, принятым в качестве прототипа, являются способ и устройство однопунктового определения дальности до грозовых разрядов, реализованные в [2] Этот способ основан на использовании зависимости соотношения амплитуд магнитной и электрической компонент атмосферика от дальности до источника и состоит в том, что 1) принимают две горизонтальные, ортогональные магнитные и вертикальную электрическую компоненты атмосферика, 2) магнитные компоненты интегрируют, 3) усиливают все три компоненты, 4) фильтруют их в широкой и одинаковой полосе частот, 5) образуют модуль суммарного магнитного сигнала, 6) определяют амплитуду полученной величины, 7) образуют модуль электрического сигнала, 8) определяют амплитуду полученной величины, 9) сигнал, полученный по п. 6, делят на сигнал, полученный по п. 8, 10) используют полученную при этом величину для определения дальности до грозового разряда, 11) кроме того, сигнал, полученный по п. 5, сравнивают с заранее установленным пороговым уровнем и 12) при превышении порогового уровня вырабатывают короткий импульс, синхронизирующий работу системы.

Устройство для осуществления этого способа состоит из двух рамочных магнитных антенн, штыревой электрической антенны, двух интеграторов, трех усилителей, трех широкополосных фильтров, двух квадраторов, сумматора, блока извлечения квадратного корня, блока образования модуля, двух пиковых детекторов, делителя, решающего блока, а также порогового блока, одновибратора и двух ключевых блоков.

Недостатками данного способа и устройства являются малая дальность действия и большая погрешность в оценке дальности, вызванные малым относительным различием амплитуд электрической и магнитной компонент атмосферика на расстояниях, превышающих 100 км.

Целью настоящего изобретения является увеличение дальности действия и повышение точности определения дальности до грозового разряда в случае, когда длительность грозового разряда превышает интервал времени между моментами прихода земного и первого ионосферного лучей.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе дальнометрии источника атмосферика, включающем прием двух горизонтальных, ортогональных магнитных и вертикальной электрической компонент атмосферика, интегрирование магнитных компонент для компенсации дифференцирующего действия магнитных антенн, усиление всех трех компонент, причем коэффициенты усиления в магнитных каналах устанавливаются одинаковыми, и фильтрацию трех компонент в широкой и одинаковой полосе частот, образование квадратов магнитных компонент и их суммирование для образования квадрата суммарного магнитного сигнала, сравнение его с установленным пороговым уровнем и при первом превышении порога определение момента прихода земного луча, а также синхронизацию работы системы, согласно изобретению атмосферик принимают на интервале времени, включающем земной и первый ионосферный лучи, устанавливают относительные коэффициенты усиления в электрическом и магнитных каналах такими, чтобы обеспечить равенство амплитуд электрической и суммарной магнитной компонент земного луча, образуют квадрат электрического сигнала, образуют разностный сигнал между квадратами суммарной магнитной и электрической компонент атмосферика, обращающийся в нуль на интервале времени, не содержащем ионосферный луч, определяют момент прихода ионосферного луча по моменту первого превышения разностным сигналом второго установленного порогового уровня, определяют интервал времени между моментами прихода земного и ионосферного лучей и используют полученный интервал времени для определения дальности до грозового разряда.

Новым в предложенном способе дальнометрии грозовых разрядов по сравнению с прототипом является установка относительных коэффициентов усиления в электрическом и магнитных каналах такими, чтобы обеспечить равенство амплитуд электрической и суммарной магнитной компонент земного луча атмосферика, образование квадрата электрического сигнала, образование разностного сигнала между квадратами суммарного магнитного и электрического сигналов, равного нулю на интервале времени, не содержащем ионосферный луч, определение по полученному разностному сигналу момента прихода ионосферного луча, измерение интервала времени между моментами прихода земного и ионосферного лучей и его использование для определения дальности до грозового разряда.

Поставленная цель достигается также тем, что в известном устройстве однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов, содержащем две горизонтальные, ортогонально ориентированные магнитные и вертикальную электрическую антенны, два интегратора, три усилителя, три широкополосных фильтра, два квадратора, сумматор, решающее устройство, а также пороговый блок, одновибратор и ключевой блок, причем выход первой магнитной антенны соединен последовательно с первым интегратором, первым усилителем, первым фильтром, первым квадратором, первым входом сумматора, пороговым блоком, одновибратором и вторым входом ключевого блока, выход второй магнитной антенны соединен последовательно с вторым интегратором, вторым усилителем, вторым фильтром, вторым квадратором и вторым входом сумматора, а выход электрической антенны соединен последовательно с третьим усилителем и третьим фильтром, согласно изобретению дополнительно введены третий квадратор, блок вычитания, второй пороговый блок и триггер, причем выход сумматора, кроме того, соединен последовательно с первым входом блока вычитания, первым входом ключевого блока, вторым пороговым блоком и вторым входом триггера, выход третьего фильтра соединен последовательно с третьим квадратором и с вторым входом блока вычитания, а выход первого порогового блока соединен, кроме того, последовательно с первым входом триггера и с решающим блоком.

Новым в предложенном устройстве по сравнению с прототипом является использование дополнительно третьего квадратора, блока вычитания, второго порогового блока и триггера.

На фиг. 1 представлены пути распространения земного (0) и ионосферного (1) лучей, а также направления электрических векторов земного E_e и отраженного от ионосферного E_i лучей атмосферика, а также вертикальной составляющей E_iz отраженного от ионосферы луча (магнитные вектора земного и ионосферного лучей направлены перпендикулярно плоскости чертежа); И излучатель, ПП приемный пункт.

На фиг. 2 представлена блок-схема устройства однопунктовой дальнометрии, где обозначено: 1 первая магнитная антенна, 2 вторая магнитная антенна, 3 электрическая антенна, 4 первый интегратор, 5 второй интегратор, 6 - первый усилитель, 7 второй усилитель, 8 третий усилитель, 9 первый фильтр, 10 второй фильтр, 11 третий фильтр, 12 первый квадратор, 13 - второй квадратор, 14 третий квадратор, 15 сумматор, 16 блок вычитания, 17 первый пороговый блок, 18 одновибратор, 19 ключевой блок, 20 второй пороговый блок, 21 триггер, 22 решающий блок.

Сущность предлагаемого способа основана на лучевом распространении сигнала в волноводном канале земля-ионосфера (фиг. 1), при котором атмосферик описывается как суперпозиция частично перекрывающихся земного и ионосферного лучей [3] и на различии в соотношении электрической и магнитной компонент у земного и ионосферного лучей.

На расстояниях 80 300 км ортогональные X, Y-магнитные компоненты атмосферика равны соответственно:

где Φ азимутальный угол прихода атмосферика относительно оси Y, H_e(t), H_i(t) соответственно магнитные компоненты земного и ионосферного лучей, при этом, так как и длина трассы и расстояние от точки отражения до приемного пункта существенно превышают длину волны l, соответствующую максимальной спектральной плотности атмосферика (l < 30 км), отношение электрической и магнитной компонент у земного луча и у ионосферного луча одинаковы и равны 120π [3]
E_e(t)/H_e(t) = E_i(t)/H_i(t) = 120π, (2)
а отношение вертикальной составляющей электрической компоненты ионосферного луча E_iz(t), остающейся после компенсации горизонтальной составляющей у E_i(t) при отражении от земли и принимаемой электрической антенной, к магнитной компоненте ионосферного луча получаем из геометрического представления (фиг. 1):
E_iz(t)/H_i(t) = 120π•sin(α), (3)
где α угол падения ионосферного луча на землю, определяемый из
tg(α) = L/2h,
где L дальность до источника, h высота нижней отражающей границы ионосферы (днем h 70 км, ночью h 90 км), откуда

При L≅300 км получаем из (2) (4), что относительное различие величин E_e/H_e и E_iz/H_i превосходит: днем 9% а ночью 14%
Из (1) (4) получаем, что квадраты суммарной магнитной и суммарной электрической компонент атмосферика равны соответственно

а разностный сигнал между квадратами суммарного магнитного и нормированного суммарного электрического сигналов равен

и обращается в нуль на интервале, не содержащем ионосферный луч.

Определив по разностному сигналу момент прихода ионосферного луча и оценив задержку его прихода τ относительно земного луча, получаем оценку дальности L до источника излучения из геометрического рассмотрения длин трасс распространения земного и ионосферного лучей:
L = 2•h²/(τ•c)-τ•c/2, (6)
где c 3•10⁵ км/с скорость распространения электромагнитного сигнала, τ интервал времени между моментами прихода земного и ионосферного лучей. При этом максимальное время t достигается ночью на минимальной дальности и равно 360 мкс, в предлагаемом устройстве максимальное время T₀, допускающее оценку дальности (время включения ключевого блока по второму входу), устанавливается равным 500 мкс.

Предлагаемый способ дальнометрии включает следующую последовательность операций: а) принимают три компоненты атмосферика, содержащие земной и первый ионосферный лучи, на две горизонтальные, ортогонально ориентированные магнитные антенны 1, 2 и на вертикальную всенаправленную электрическую антенну 3, б) интегрируют сигналы с выходов магнитных антенн в интеграторах 4, 5, в) усиливают все три компоненты сигнала в усилителях 6 8 с коэффициентами усиления, обеспечивающими равенство суммарной магнитной и электрической компонент земного луча, и г) фильтруют их в широкой и одинаковой полосе частот с помощью фильтров 9 11, д) сигналы с выходов фильтров магнитных антенн возводят в квадрат в квадраторах 12, 13 и е) суммируют в сумматоре 15, образуя тем самым квадрат суммарного магнитного сигнала, ж) сравнивают полученный при этом сигнал с заранее установленным пороговым уровнем в первом пороговом блоке 17, 3) при превышении порога вырабатывают короткий импульсный сигнал, который включают триггер 21, и) образуют квадрат электрического сигнала в квадраторе 14, к) образуют в блоке 16 разностный сигнал между квадратами суммарного магнитного и нормированного электрического сигналов, л) пропускают полученный разностный сигнал через ключевой блок 19 и м) сравнивают его с вторым пороговым уровнем во втором пороговом блоке 20, н) при превышении второго порогового уровня выключают триггер 21, п) кроме того, импульсным сигналом с выхода первого порогового блока запускают одновибратор 18, который р) открывает по второму входу ключ 19 на заранее установленный интервал времени, с) сигнал с выхода триггера 21 подают на вход решающего блока 22, где по его длительности определяют расстояние до грозового разряда.

Указанные блоки соединены следующим образом: выход первой магнитной антенны соединен последовательно с первым интегратором, первым усилителем, первым фильтром, первым квадратором, первым входом сумматора, имеющего два входа и один выход, первым входом блока вычитания, имеющего два входа и один выход, первым входом ключевого блока, имеющего два входа и один выход, вторым пороговым блоком и вторым входом триггера, имеющего два входа и один выход, выход второй магнитной антенны соединен последовательно с вторым интегратором, вторым усилителем, вторым фильтром, вторым квадратором и вторым входом сумматора, выход электрической антенны соединен последовательно с третьим усилителем, третьим фильтром, третьим квадратором и вторым входом блока вычитания, выход сумматора соединен, кроме того, последовательно с первым пороговым блоком, первым входом триггера и с решающим блоком, выход первого порогового блока соединен, кроме того, последовательно с одновибратором и с вторым входом ключевого блока.

В качестве блоков 4 21 используются стандартные блоки на интегральных микросхемах, приведенные в [4]
При реализации предлагаемого способа и устройства дальнометрии устанавливаются:
магнитные антенны 1, 2 ферритовые, изготовленные из полос аморфного ферромагнетика с m 2000, расположенные по сторонам квадрата длиной 60 см, с действующей высотой на частоте 10 кГц 5 мм,
электрическая антенна 1 штыревая, длиной 3 м (действующая высота 1,5 м),
усилители 6, 7 линейные, переменного тока, широкополосные с регулируемым коэффициентом усиления 5000 50000,
усилитель 8 линейный, переменного тока, широкополосный с регулируемым коэффициентом усиления 30 300,
фильтры 9 11 полосовые с полосой пропускания 2 35 кГц,
интервал времени работы одновибратора T₀ 500 мкс,
диапазон дальностей составляет 80 300 км,
относительная погрешность оценки дальности не превосходит 20%
время дальнометрии источника атмосферика не превосходит 1 мс.

Технический результат использования предложенного способа и устройства по сравнению с прототипом состоит в увеличении дальности действия и в повышении точности однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов, что может быть использовано в метеорологии и гражданской авиации.

Литература
1. P.A. Ryan, N. Spitzer. Stormoscope, USA Patent N 4023408, June 1977.

2. Lothar H. Runke. USA Patent N 3715660, 06.02.1973.

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

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

Изобретение относится к радиотехническим средствам пассивной локации для определения дальности до источников импульсного электромагнитного излучения и может быть использовано для измерения дальности до грозовых разрядов на расстояниях 80-300 км в метеорологии и в гражданской авиации для повышения безопасности полетов.

Электромагнитный сигнал грозового разряда (атмосферик) принимается двумя горизонтальными, ортогонально ориентированными магнитными антеннами и вертикальной штыревой электрической антенной, магнитные сигналы предварительно интегрируются для компенсации дифференцирующего действия магнитных антенн, все полученные при этом сигналы усиливаются и фильтруются в широкой и одинаковой полосе частот, определяют квадрат суммарного магнитного сигнала и квадрат электрического сигнала, по суммарному магнитному сигналу определяется момент прихода земного луча, образуется также разностный сигнал между квадратами суммарного магнитного и электрического сигналов, нормированными таким образом, что разностный сигнал оказывается скомпенсированным на интервале времени, не содержащем земного луча, по разностному сигналу определяется момент прихода ионосферного луча, определяется интервал времени между моментами прихода земного и ионосферного лучей, по которому определяется дальность до грозового разряда.

Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения дальности до грозового разряда в случае, когда длительность излученного сигнала грозового разряда превосходит интервал времени между моментами прихода земного и ионосферного лучей. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов, заключающийся в том, что принимают два горизонтальных ортогональных магнитных сигнала, соответствующих двум ортогональным составляющим вектора результирующего магнитного поля, и вертикальный электрический сигнал электромагнитного поля атмосферика, магнитные сигналы предварительно интегрируют, все три принятых сигнала последовательно усиливают и фильтруют в широкой и одинаковой полосе частот, магнитные сигналы возводят в квадрат и суммируют полученные сигналы, образуя квадрат результирующего магнитного сигнала, сравнивают полученный при этом сигнал с заранее установленным первым пороговым уровнем и определяют момент его превышения, определяют в решающем блоке дальность до источника излучения, отличающийся тем, что образуют квадрат электрического сигнала, причем соотношение коэффициентов усиления электрического и каждого из магнитных сигналов устанавливают таким, чтобы обеспечить равенство квадратов электрического и результирующего магнитного сигналов, соответствующих земному лучу, образуют разностный сигнал между квадратами результирующего магнитного и электрического сигналов, сравнивают полученный при этом разностный сигнал с заранее установленным вторым пороговым уровнем и определяют момент его превышения, определяют интервал времени между моментами превышения первого и второго пороговых уровней, используют полученный интервал времени для определения дальности до грозового разряда. 2. Устройство однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов, содержащее две горизонтальные ортогонально ориентированные магнитные антенны и вертикальную электрическую антенну, два интегратора, три усилителя, три фильтра, два квадратора, сумматор, имеющий два входа и один выход, решающий блок, а также первый пороговый блок, одновибратор и ключевой блок, причем выход первой магнитной антенны соединен последовательно с первым интегратором, первым усилителем, первым фильтром, первым квадратором, первым входом сумматора, первым входом первого порогового блока, одновибратором и вторым входом ключевого блока, выход второй магнитной антенны соединен последовательно с вторым интегратором, вторым усилителем, вторым фильтром, вторым квадратором и вторым входом сумматора, выход электрической антенны соединен последовательно с третьим усилителем и третьим фильтром, отличающееся тем, что дополнительно введены третий квадратор, блок вычитания, имеющий два входа и один выход, второй пороговый блок и триггер, имеющий два входа и один выход, причем выход сумматора соединен, кроме того, последовательно с первым входом блока вычитания, первым входом ключевого блока, вторым пороговым блоком и вторым входом триггера, а выход третьего фильтра соединен последовательно с третьим квадратором и вторым входом блока вычитания, выход первого порогового блока соединен, кроме того, последовательно с первым входом триггера и решающим блоком.