УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ Российский патент 1998 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиолокационной метеорологии и может быть использовано для определения состояния атмосферы, а именно наличия загрязняющих примесей, преимущественно, радиоактивных.

Известно устройство для определения состояния атмосферы, в частности, для измерения интенсивности дождя, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенный переключатель (циркулятор), антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор (аналого-цифровой преобразователь), индикатор, вычислитель, механический поляризатор в виде вращающейся секции круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой, и последовательно соединенные блок управления поляризатором и исполнительный механизм (см. например, авт.св. N 1128211, кл. G 01 S 13/95, 1983.

Это устройство позволяет обнаруживать различные метеоцели, давать количественную оценку интенсивности гидрометеоров (в частности, дождя).

Однако это устройство не позволяет определить наличие радиоактивных примесей в атмосфере.

Известно устройство для определения состояния атмосферы, содержащее последовательно соединенные передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, интегратор и вычислитель, поляризатор, связанный с ним блок управления поляризатором, первый вход приемника подключен к второму выходу циркулятора, выход генератора стандартных сигналов подключен к второму входу приемника; в устройстве имеется блок синхронизации, один выход которого подключен к входу блока управления поляризатором, второй выход подключен к второму входу блока стробирования, а третий выход подключен к входу блока запуска передатчика (заявка N 93053639/09 (053793), 1993, решение о выдаче патента от 28.09.94).

Данное устройство принято за прототип настоящего изобретения. Оно позволяет обнаруживать в атмосфере радиоактивные примеси и дифференцировать их от других метеоцелей.

Однако это устройство базируется на принципе изучения импульсов с различной поляризацией, линейной и круговой, что значительно усложняет и удорожает его. Для смены поляризации требуется не только сложный, дорогостоящий элемент, каким является поляризатор, но и постоянное наличие генератора стандартных сигналов. Последнее объясняется тем, что при поимпульсной смене поляризации требуется постоянное наличие опорного калибровочного сигнала на каждый период следования импульсов (1 мс). Кроме того, устройство по заявке N 93053639/09 обеспечивает только индикацию наличия радиоактивных примесей. Количественная оценка степени радиоактивного загрязнения определенного объема атмосферы не осуществляется.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания устройства для определения состояния атмосферы на предмет наличия в ней радиоактивных примесей, которое обеспечило бы также количественную оценку степени радиоактивного загрязнения определенного объема атмосферы, и, кроме того, существенно упрощение и удешевление устройства, повышение надежности его работы за счет исключения сложных и дорогостоящих элементов.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в устройство для определения состояния атмосферы, содержащее последовательно соединенные передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну, снабженную приводом, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, интегратор, вычислитель с блоком памяти, а также блок синхронизации, вход приемника подключен к второму выходу циркулятора, второй выход блока синхронизации подключен к второму входу блока стробирования, третий выход блока синхронизации подключен к входу блока запуска передатчика, введены следующие новые элементы: антенна снабжена шаговым приводом, содержится дополнительно цифровой блок управления этим шаговым двигателем, вход этого блока соединен с первым выходом блока синхронизации, первый выход подключен к шаговому приводу антенны, а второй выход соединен с вторым входом вычислителя.

Заявителю неизвестны какие-либо источники информации, содержащие сведения о техническом решении, адекватном признакам, приведенным в отличительной части формулы изобретения.

Первичный (технический) эффект заявленного устройства состоит в том, что благодаря реализации его отличий (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы изобретения) достигается принципиально новое свойство объекта, а именно обеспечивается не только индикация радиоактивных примесей в атмосфере, но и производится количественная оценка степени радиоактивного загрязнения. Кроме того, исключается необходимость подачи импульсов различной поляризации, что значительно упрощает и удешевляет устройство, повышает его надежность. Последнее объясняется тем, что поляризатор элемент довольно сложный, и наличие его неизбежно усложняет и снижает надежность устройства в целом. Следует также отметить, что в заявляемом устройстве исключается необходимость постоянного наличия в его составе генератора стандартных сигналов.

Это объясняется тем, что при отсутствии необходимости смены поляризации устраняется и необходимость постоянного наличия опорного калибровочного сигнала. Калибровка приемного тракта может осуществляться от внешнего генератора стандартных сигналов не чаще, чем один раз в 10 30 дней.

Указанные обстоятельства обуславливают, по мнению заявителя, соответствие заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана схема устройства: на фиг. 2 эпюры выходных сигналов приемника для разных угловых положений антенны в соответствии с фиг. 3; на фиг. 3 схема ступенчатого перемещения антенны с помощью шагового двигателя; на фиг. 4 поле измеренных значений отражаемости элементов исследуемого объема атмосферы, соответствующих различным положениям антенны и различным дальностям; на фиг. 5 схема, иллюстрирующая поле измеренных значений отражаемости элементов исследуемого объема атмосферы для естественной облачности; на фиг. 6 то же, что на фиг. 5, при наличии радиоактивных загрязнений.

Устройство для определения состояния атмосферы содержит передатчик 1, имеющий блок 2 запуска. Выход передатчика 1 соединен с входом циркулятора 3, связанного первым выходом с приемо-передающей антенной 4. Антенна 4 снабжена приводом 5 с шаговым двигателем. Второй выход циркулятора 3 соединен со входом приемника 6. Выход приемника 6 соединен с первым входом блока 7 стробирования, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 8. Выход аналого-цифрового преобразователя 8 подсоединен к входу интегратора 9, выход которого подключен к первому входу вычислителя 10. Вычислитель 10 снабжен блоком памяти 11. Связь вычислителя 10 с блоком памяти осуществлена посредством обычных каналов запроса и выдачи информации. Вычислитель 10 подсоединен к блоку 12 представления информации. В конкретном примере реализации изобретения блоки 10 и 11 представляют собой персональный компьютер, а блок 12 монитор. Блок 13 синхронизации соединен первым выходом с цифровым блоком 14 управления приводом 5 антенны 4. Второй выход блока 13 синхронизации соединен со вторым входом блока 7 стробирования, третий выход блока 13 соединен с входом блока 2 запуска передатчика 1. Первый выход блока 14 управления приводом 5 антенны подключен к приводу 5 антенны, второй выход блока 14 соединен с вторым входом вычислителя.

Устройство работает следующим образом. Электрический сигнал с третьего выхода блока 13 синхронизации подается на блок 2 запуска передатчика 1. Высокочастотный зондирующий сигнал с выхода передатчика 1 через циркулятор 3 поступает на антенну 4, угловое положение которой в этот момент α 1^o, и излучается в виде одиночного импульса в наблюдаемую зону атмосферы (фиг. 2, a₁ 1^o). Соответствующий этому импульсу сигнал, отраженный от наблюдаемой зоны атмосферы, принимается антенной 4 и через циркулятор 3 с его второго выхода поступает на вход приемника 6. С выхода приемника 6 принятый и усиленный сигнал поступает на вход 1 блока 7 стробирования. К второму входу блока 7 стробирования подается сигнал с второго выхода блока 13 синхронизации, который обеспечивает временную селекцию отраженного сигнала на дальности ΔR R_max R_min (фиг. 2). С выхода блока 7 стробирования сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 8, с выхода которого сигнал (в цифровой форме) подается на вход интегратора 9. Одиночные импульсы излучаются через интервал 1 мс, количество одиночных импульсов при каждом положении антенны не менее 10. Соответствующие им принятые отраженные сигналы суммируются в интеграторе 9, сигнал на выходе которого равен их среднему значению. Этот сигнал поступает на вход вычислителя 10.

Блок синхронизации 13 после выдачи заданного количества сигналов на блок 7 стробирования подает с первого выхода сигнал на вход блока 14 управления шаговым приводом антенны. С второго выхода блока 14 подается также сигнал на второй вход вычислителя 10. Этот сигнал содержит информацию о положении антенны.

Вычислитель 10 по значению усредненного сигнала с выхода интегратора и значению сигнала, содержащего информацию о положении антенны, определяет отражаемость Z1ik

для каждого конкретного угла положения антенны (i) и конкретного элемента дальности (k); значение Z_ik (фиг. 4) запоминается в блоке 11 памяти. Шаговый двигатель поворачивает антенну из положения α₁ в положение α₂ (фиг. 3), и цикл повторяется. Поворот антенны осуществляется в пределах заданных значений азимута при фиксированном угле места. Затем угол места изменяется и все операции повторяются. Таким образом просматриваются все пространственные элементы в заданной зоне атмосферы.

Вычислитель 10 определяет дисперсию отражаемостей σ_z для наблюдаемой зоны атмосферы, а также среднее значение отражаемости для этой же зоны.

Если дисперсия значений отражаемости σ_z превышает 8.10 дБ, то констатируют, что данная область атмосферы содержит существенное количество радиоактивных примесей. Если σ_z меньше 6.8 дБ, то делают вывод об отсутствии существенного количества радиоактивных примесей в наблюдаемой зоне атмосферы.

Для количественной оценки радиоактивного загрязнения предварительно проводят калибровку устройства. При этом экспериментально устанавливают функциональную связь между и суммарной активностью Q(K_u) радиоактивного вещества, содержащегося во всем исследуемом объеме атмосферы. Калибровка осуществляется с использованием внешнего генератора стандартных сигналов при известных значениях Q. Калибровка конкретного опытного образца устройства осуществляется с использованием данных ЛАЭС о радиоактивности технологических выбросов в атмосферу. Полученная калибровочная кривая вводится в блок 11 памяти и хранится в нем. Поскольку исследуемая область атмосферы имеет вполне определенные размеры и объем V, то средняя объемная активность облака (Ku/м) определяется из соотношения: Q/V. Аналогично определяется средняя активность, приходящаяся на единицу площади S сечения наблюдаемой зоны атмосферы (Ku/м). Все операции производятся в вычислителе. Информация выводится на экран блока 12 представления информации (в конкретном примере монитор компьютера) в виде таблицы или диаграммы.

Реализация устройства осуществляется с использованием известной элементной базы. Погрешность определения степени радиоактивного загрязнения атмосферы с помощью заявляемого устройства при известных метеоусловиях не более 8 12% при неизвестных метеоусловиях не хуже 15-25% Минимальная определяемая интенсивность радиоактивного выброса в атмосферу составляет от 1,0 до 50,0 Ku/сут при дальности обнаружения от 2 до 15 км соответственно.

Изобретение относится к радиолокационной метеорологии и может быть использовано для определения состояния атмосферы. Устройство содержит последовательно соединенные передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну, снабженную приводом, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, интегратор, вычислитель с блоком памяти, блок представления информации, а также блок синхронизации; вход приемника подключен к второму выходу циркулятора, второй выход блока синхронизации подключен к второму входу блока стробирования, третий выход подключен к входу блока запуска передатчика; новым является то, что антенна снабжена шаговым приводом, при этом введен блок управления шаговым приводом антенны, вход этого блока соединен с первым выходом блока синхронизации, первый выход подключен к шаговому приводу антенны, а второй выход соединен с вторым входом вычислителя. Устройство позволяет обнаруживать в атмосфере загрязнения, преимущественно радиоактивные примеси, дифференцировать их от других метеоцелей (снега, дождя, града и т.д.) и определять степень радиоактивного загрязнения наблюдаемой зоны атмосферы. 6 ил.

Устройство для определения состояния атмосферы, содержащее последовательно соединенные передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну, снабженную приводом, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, интегратор, вычислитель с блоком памяти, блок представления информации, а также включающее блок синхронизации, вход приемника подключен к второму выходу циркулятора, второй выход блока синхронизации подключен к второму входу блока стробирования, третий выход блока синхронизации подключен к входу блока запуска передатчика, отличающееся тем, что антенна снабжена шаговым приводом, при этом введен блок управления шаговым приводом антенны, вход этого блока соединен с первым выходом блока синхронизации, первый выход подключен к шаговому приводу антенны, а второй выход соединен с вторым входом вычислителя.