СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ИСТОЧНИКОВ АТМОСФЕРИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 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 преимущественно вертикальной поляризации, и может быть использовано в метеорологии и в гражданской авиации для оперативной грозолокации на расстояниях 300-1200 км.

Известны способ однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов и устройство для его осуществления, реализованные в [1]. Этот способ основан на использовании зависимости от дальности отношения спектральных плотностей электромагнитного сигнала грозового разряда - атмосферика на разных частотах - и заключается в том, что принимают атмосферик на две горизонтальные ортогональные магнитные антенны, усиливают принятые составляющие, фильтруют каждую магнитную составляющую параллельно в двух разных узких полосах частот (попарно одинаковых у разных составляющих), на каждой из двух использованных частот определяют модуль суммарного сигнала, делят первый из полученных модулей на второй и по величине полученного отношения определяют дальность до грозового разряда.

Устройство для осуществления этого способа состоит из двух горизонтальных ортогональных магнитных антенн, двух широкополосных усилителей, четырех узкополосных фильтров, четырех квадраторов, двух сумматоров, имеющих по два входа и по одному выходу каждый, делителя, имеющего два входа и один выход, и решающего блока.

Недостатками указанных способа и устройства являются существенная погрешность дальнометрии, вызванная непостоянством отношения спектральных плотностей в грозовом разряде.

Наиболее близким к предлагаемым способу и устройству, принятыми в качестве прототипа, являются способ и устройство однопунктового определения дальности до грозовых разрядов, реализованные в [2]. Этот способ основан на использовании зависимости интервала времени между моментами прихода пространственного и земного сигналов атмосферика от дальности до грозового разряда и состоит в том, что на вертикальную электрическую антенну принимают атмосферик, содержащий земной и пространственный сигналы, усиливают принятый сигнал атмосферика, фильтруют его в широкой полосе частот, задерживают по времени и проверяют параллельно на его соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n=1-N) до грозового разряда, для чего при каждой n-й проверке компенсируют в атмосферике пространственный сигнал с помощью земного сигнала с использованием ожидаемых при дальности L_n отношения амплитуд и интервала времени между пространственным и земным сигналами, определяют энергию нескомпенсированного остатка пространственного сигнала на заранее установленном интервале времени, нормируют ее, образуют выходной сигнал проверки, обратно пропорциональный полученному сигналу, и запоминают его, при этом полученные при N проверках выходные сигналы сравнивают между собой по величине и определяют поверку с максимальным выходным сигналом, дальность, соответствующую этой проверке, принимают за дальность до грозового разряда.

Устройство для осуществления этого способа состоит из всенаправленной штыревой электрической антенны, усилителя, фильтра, блока задержки, порогового блока, N каналов проверки и блока определения канала проверки с максимальным выходным сигналом, при этом каждый канал проверки состоит из одновибратора, трех блоков задержки, блока вычитания, сумматора, четырех ключевых блоков, двух усилителей, двух квадраторов, двух интеграторов и делителя.

Указанные блоки соединены следующим образом: выход электрической антенны соединен последовательно с первым усилителем, фильтром и первым блоком задержки, выход фильтра подключен, кроме того, к входу порогового блока, при этом первые входы N каналов проверки объединены и подключены к выходу первого блока задержки, а вторые входы N каналов проверки объединены и подключены к выходу порогового блока, причем выход каждого канала проверки соединен с соответствующим входом блока определения канала проверки с максимальным выходным сигналом, N выходов этого блока являются N выходами устройства, при этом в каждом канале проверки первые входы блока вычитания и сумматора объединены и являются первым входом канала проверки, причем выход блока вычитания подключен к второму входу делителя через последовательно соединенные первый ключевой блок, второй ключевой блок, первый квадратор и первый интегратор, а выход сумматора подключен к первому входу делителя через последовательно соединенные третий ключевой блок, четвертый ключевой блок, второй квадратор и второй интегратор, при этом выход делителя является выходом канала проверки, кроме того, выход блока вычитания подключен к второму входу блока вычитания через последовательно соединенные второй усилитель и второй блок задержки, а выход сумматора подключен к второму входу сумматора через последовательно соединенные третий усилитель и третий блок задержки, при этом вторые входы первого и второго интеграторов и вход одновибратора объединены и являются вторым входом канала проверки, причем выход одновибратора подключен параллельно к вторым входам первого и третьего ключевых блоков и к входу четвертого блока задержки, выход которого подключен параллельно к вторым входам второго и четвертого ключевых блоков.

Недостатком указанных способа и устройства является погрешность дальнометрии, вызванная непостоянством зависимости отношения амплитуд пространственного и земного сигналов в атмосферике от дальности до источника атмосферика, в том числе из-за медленных флуктуаций коэффициента отражения сигнала от ионосферы, приводящих к неполной компенсации пространственного сигнала атмосферика в канале проверки, соответствующем истинной дальности до грозового разряда.

Целью изобретения является повышение точности дальнометрии грозовых разрядов за счет использования принятых атмосфериков также для уточнения реальной зависимости отношения амплитуд пространственного и земного сигналов в атмосферике от дальности до его источника и использование полученного уточненного отношения при дальнометрии последующих атмосфериков.

Цель достигается тем, что в способе дальнометрии источников атмосфериков, включающем прием атмосферика, содержащего земной и пространственный сигналы, на вертикальную электрическую антенну, последовательное усиление атмосферика, его фильтрацию в требуемой широкой полосе частот, задержку по времени, а также параллельную проверку на его соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n=1-N) до грозового разряда, при этом при каждой n-й проверке включающем обработку анализируемого сигнала атмосферика, включающем его двухкратное параллельное преобразование, в том числе при первом преобразовании включающем образование из анализируемого сигнала скомпенсированного сигнала путем суммирования анализируемого сигнала и сигнала обратной связи, полученного путем умножения скомпенсированного сигнала на -K_n и задержки на время τ_n, где K_n и τ_n - установленные заранее значения, равные соответственно отношению амплитуд и интервалу времени между пространственным и земным сигналами, ожидаемым при дальности L_n до источника атмосферика, причем τ_n связано с L_n соотношением

где R= 6370 км - радиус Земли, H - высота нижней отражающей границы ионосферы (днем H=70 км, ночью H=90 км), c=3•10⁵ км/с - скорость распространения электромагнитного сигнала, кроме того, включающем последовательное возведение полученного при этом скомпенсированного сигнала в квадрат и интегрирование на заранее установленном интервале времени, содержащем только ожидаемый пространственный сигнал, при этом второе преобразование сигнала подобно первому преобразованию и отличается от него лишь использованием коэффициента -K_n вместо K_n при образовании сигнала обратной связи, кроме того, включающем образование выходного сигнала обработки путем деления сигнала, полученного при втором преобразовании, на сигнал, полученный при первом преобразовании, а также запоминание выходного сигнала проверки, кроме того, сравнение запомненных сигналов N проверок Q_n по величине, определение проверки с максимальным выходным сигналом и принятие дальности, соответствующей этой проверке, за дальность до источника атмосферика, согласно изобретению при каждой проверке исходный сигнал атмосферика обрабатывают параллельно второй раз подобно первой указанной обработке; но с использованием меньшего модуля ожидаемого отношения амплитуд пространственного и земного сигналов K*n

= K_nk_g (например, при k_g≈0,95), получая выходной сигнал второй обработки Q*n, причем в качестве выходного сигнала проверки используют выходной сигнал первой обработки, при этом выходной сигнал каждой проверки сравнивают с установленным заранее пороговым уровнем Q₀ и в случае его превышения сравнивают выходные сигналы первой и второй обработок между собой по величине и перед дальнометрией последующих атмосфериков вводят изменение в K_n следующим образом: если сигнал, полученный при первой обработке, был больше сигнала, полученного при второй обработке, - увеличивают на установленную заранее относительно небольшую величину, например на 5% от начального значения , если меньше, - соответственно уменьшают на такую же величину.

Новым в предложенном способе дальнометрии по сравнению с прототипом является использование принятого атмосферика также для уточнения отношения амплитуд пространственного и земного сигналов перед проверкой последующих атмосфериков путем второй параллельной обработки атмосферика с использованием меньшего модуля ожидаемого отношения амплитуд пространственного и земного сигналов, при этом в случае, если выходной сигнал проверки превышает установленный пороговый уровень, в этой проверке вводится уточнение ожидаемого отношения амплитуд пространственного и земного сигналов путем сравнения между собой сигналов, полученных при первой и второй обработках, по величине, причем знак полученной разности этих сигналов определяет знак вводимого уточнения.

Цель достигается также тем, что в известном устройстве однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов, содержащем вертикальную электрическую антенну, усилитель, фильтр, блок задержки, пороговый блок, N каналов проверки и блок определения канала проверки с максимальным выходным сигналом, содержащем при этом в каждом канале проверки одновибратор, блок задержки и ветвь обработки, содержащую блок вычитания, сумматор, четыре ключевых блока, два блока задержки, два квадратора, два интегратора и делитель, причем выход электрической антенны соединен последовательно с усилителем, фильтром и первым блоком задержки, а выход фильтра соединен, кроме того, с входом порогового блока, при этом у N каналов проверки первые входы объединены и подключены к выходу блока задержки, вторые входами объединены и подключены к выходу порогового блока, а выход каждого канала проверки соединен с соответствующим входом блока определения канала проверки с максимальным выходным сигналом, причем N выходов этого блока являются N выходами устройства, при этом в каждом канале проверки первый и второй входы канала подключены соответственно к первому и второму входам ветви обработки, второй вход канала, кроме того, подключен к четвертому входу ветви обработки через последовательно соединенные одновибратор и четвертый блок задержки, при этом выход одновибратора соединен, кроме того, с третьим входом ветви обработки, причем в каждой ветви обработки первые входы блока вычитания и сумматора объединены и подключены к первому входу ветви обработки, при этом выход блока вычитания подключен к второму входу делителя через последовательно соединенные первый ключевой блок, второй ключевой блок, первый квадратор и первый интегратор, а выход сумматора подключен к первому входу делителя через последовательно соединенные третий ключевой блок, четвертый ключевой блок, второй квадратор и второй интегратор, при этом выход второго блока задержки соединен с вторым входом блока вычитания, выход третьего блока задержки соединен с вторым входом сумматора, а выход делителя подключен к выходу ветви обработки, при этом вторые входы первого и второго интеграторов объединены и подключены к второму входу ветви обработки, вторые входы первого и третьего ключевых блоков объединены и подключены к третьему входу ветви обработки, а вторые входы второго и четвертого ключевых блоков объединены и подключены к четвертому входу ветви обработки, согласно изобретению в каждый канал проверки дополнительно введены второй блок вычитания, ограничитель, пятый и шестой ключевые блоки, третий интегратор, второй сумматор, второй усилитель, триггер Шмитта, пятый блок задержки и источник постоянного напряжения, а в ветвь обработки дополнительно введены два умножителя и добавлен пятый вход, причем выход первого ключевого блока соединен, кроме того, через первый умножитель с входом второго блока задержки, а выход третьего ключевого блока соединен, кроме того, через второй умножитель с входом третьего блока задержки, при этом вторые входы первого и второго умножителей объединены и подключены к пятому входу ветви обработки, кроме того, в канал обработки дополнительно введена вторая ветвь обработки, аналогичная первой ветви обработки и содержащая блок вычитания, сумматор, четыре ключевых блока, два блока задержки, два квадратора, два интегратора, два умножителя и делитель, при этом первый, второй, третий и четвертый входы второй ветви обработки подключены к соответствующим входам первой ветви обработки, а выходы первой и второй ветвей обработки соединены соответственно с вторым и первым входами второго блока вычитания, выход первой ветви обработки, кроме того, подключен к выходу канала проверки, при этом выход второго блока вычитания подключен к пятому входу второй ветви обработки через последовательно соединенные ограничитель, пятый ключевой блок, третий интегратор, второй сумматор и второй усилитель, при этом второй вход второго сумматора подключен к источнику постоянного напряжения, а выход второго сумматора соединен, кроме того, с пятым входом первой ветви обработки, при этом выход первой ветви обработки, кроме того, подключен к второму входу пятого ключевого блока через последовательно соединенные шестой ключевой блок и триггер Шмитта, причем второй вход канала проверки подключен, кроме того, к второму входу шестого ключевого блока через пятый блок задержки.

Новым в предложенном устройстве по сравнению с прототипом является использование дополнительно в каждом канале проверки второго блока вычитания, ограничителя, пятого и шестого ключевых блоков, третьего интегратора, второго сумматора, второго усилителя, триггера Шмитта, пятого блока задержки и источника постоянного напряжения, а также использование в ветви обработки дополнительно двух умножителей и добавление пятого входа, кроме того, использование в каждом канале проверки дополнительно второй ветви обработки, аналогичной первой ветви обработки и содержащей блок вычитания, сумматор, четыре ключевых блока, два блока задержки, два квадратора, два интегратора, два умножителя и делитель.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства определения дальности до источников атмосфериков, где обозначено: 1 - электрическая антенна, 2 - первый усилитель, 3 - фильтр, 4 - первый блок задержки, 5 - пороговый блок, 6-8 - N каналов проверки, 9 - блок определения канала проверки с максимальным выходным сигналом.

На фиг. 2 представлена блок-схема одного канала проверки, где обозначено: 10 - первая ветвь обработки, 11 - вторая ветвь обработки, 12 - одновибратор, 13 - четвертый блок задержки, 14 - второй блок вычитания, 15 - ограничитель, 16 - пятый ключевой блок, 17 - третий интегратор, 18 - второй сумматор, 19 - второй усилитель, 20 - шестой ключевой блок, 21 - триггер Шмитта, 22 - пятый блок задержки.

На фиг. 3 представлена блок-схема одной ветви обработки, где обозначено: 23 - первый блок вычитания, 24 - первый ключевой блок, 25 - второй ключевой блок, 26 - первый квадратор, 27 - первый интегратор, 28 - первый умножитель, 29 - второй блок задержки, 30 первый сумматор, 31 - третий ключевой блок, 32 - четвертый ключевой блок, 33 - второй квадратор, 34 - второй интегратор, 35 - второй умножитель, 36 - третий блок задержки, 37 - делитель.

Сущность предлагаемого способа дальнометрии состоит в том, что в известном способе однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов [2], основанном на анализе формы принятого электромагнитного сигнала грозового разряда Z(t) - атмосферика, используются особенности формы атмосферика, которой описывается как сумма распространяющегося вдоль поверхности земли - земного сигнала и отраженного от ионосферы - пространственного сигнала, одинаковых по форме, но имеющих противоположную полярность. При этом пространственный сигнал из-за большей длины пути оказывается задержанным по времени по отношению к земному сигналу, в результате Z(t) можно представить как
Z(t) = S(t)+K•S(t-τ), (1)
где S(t)-земной сигнал, K•S(t-τ) - пространственный сигнал, τ и K - соответственно задержка времени прихода и отношение амплитуд пространственного и земного сигналов. На расстояниях до 1200 км τ связано с дальностью L до грозового разряда соотношением

при этом зависимость K от L также считается известной.

Учитывая, что земной и пространственный сигналы в общем случае частично перекрываются по времени, в [2] предложено производить в анализируемом сигнале атмосферика Z(t) компенсацию пространственного сигнала с помощью земного сигнала, получая при этом сигнал V(t), в виде рекуррентного соотношения
V(t) = Z(t)-K^*V(t-τ^*), (3)
при этом сигнал V(t) образуется путем сложения анализируемого сигнала Z(t) и сигнала обратной связи -K^*V(t-τ^*), полученного при умножении V(t) на -K^* и задержки на интервал времени τ^*.

При этом, подставляя в правую часть (3) значение Z(t) из (1), получаем
V(t) = S(t)+KS(t-τ)-K^*V(t-τ^*). (4)
В случае K^*=K и τ^*=τ имеем
V(t) = S(t)+K(S(t-τ)-V(t-τ)), (5)
откуда, учитывая, что при t<0 V(t)=S(t)=0, получаем V(t)=S(t) при всех t.

Таким образом, указанное преобразование при установке параметров обратной связи, соответствующих истинной дальности до источника атмосферика (τ^*=τ, K^*=K), приводит к образованию земного сигнала атмосферика V(t) ≡ S(t). При установке параметров τ^* и K^*, не соответствующих истинной дальности до источника атмосферика (τ^* и K^* отличаются от соответствующих τ и K), образуется сигнал V(t), в общем случае не совпадающий по форме с земным сигналом S(t).

Кроме того, для дальнометрии используется то, что в грозовом разряде длительность земного сигнала T ограничена (практически T < 120 мкс). При этом определение дальности состоит в параллельной проверке атмосферика на его соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n= 1-N) до грозового разряда, причем при каждой n-й проверке осуществляют двухкратное параллельное преобразование анализируемого сигнала Z(t), каждое из которых аналогично описанному выше, причем первое преобразование состоит в образовании из сигнала Z(t) скомпенсированного сигнала V(t) по правилу
V_n(t) = Z(t)-K_nV_n(t-τ_n),
где K_n и τ_n - соответственно отношение амплитуд и разность моментов прихода пространственного и земного сигналов, ожидаемые при дальности L_n до источника атмосферика. Второе преобразование сигнала Z(t) подобно первому преобразованию, отличается от него лишь использованием -K_n вместо K_n при образовании сигнала обратной связи. Полученные при этом сигналы соответственно V_n(t) и V*n

(t) возводят в квадрат и интегрируют на одном и том же интервале времени Max(T,τ_n)-Max(T,τ_n)+τ_n, не содержащем земного сигнала, получая первый и второй преобразованные сигналы. При этом образуют выходной сигнал обработки Q_n путем деления второго преобразованного сигнала на первый преобразованный сигнал, что приводит к независимости Q_n от амплитуды атмосферика, причем сигнал Q_n является также выходным сигналом проверки, при этом за дальность до источника принимают дальность, соответствующую проверке, выходной сигнал которой максимален. Дальности настроек соседних каналов проверки (L_n+1 > L_n) устанавливаются с относительным различием порядка 5%.

Однако реальное отношение амплитуд пространственного и земного сигналов непостоянно (например, из-за регулярных и случайных флуктуаций электронной концентрации ионосферы), в результате чего максимум выходного сигнала может достигаться при проверке, не соответствующей истинной дальности до источника. Для повышения точности дальнометрии требуется по возможности оперативно оценивать реальную зависимость отношения амплитуд пространственного и земного сигналов от дальности до источников во всем рабочем диапазоне дальностей и вводить соответствующие изменения в используемые параметры K_n проверок. Однако существующие ионосферные станции не обеспечивают требуемого контроля ионосферы.

В настоящей заявке для уточнения реальной зависимости от L_n используется то, что в канале проверки, соответствующем истинной дальности до источника атмосферика, выходной сигнал оказывается тем больше, чем меньше отличие используемого K_n от истинного при этом предлагается при каждой n-й проверке параллельно осуществлять также вторую подобную обработку атмосферика с использованием относительно мало отличающегося от K_n (например, , получая второе значение Q*n/

, и использовать различие Q_n и Q*n для уточнения K_n и K*n. При этом в качестве выходного сигнала проверки использовать Q_n, а для ускорения подстроек изменения в K_n и K*n вводить во всех каналах, где выходной сигнал канала Q_n превосходит установленное пороговое значение Q_o, учитывая, что, во-первых, как правило, пороговое значение оказывается превзойденным не только в канале проверки, настроенном на истинную дальность до источника, но и в соседних каналах и, во-вторых, достижимые при этом относительные отличия оценок K_n от истинных значений в среднем не превышают 10-15%, что сравнимо с неустранимыми случайными флуктуациями При этом в случае, если Q_n>Q₀, определяется, в какой из ветвей обработки выходной сигнал больше по величине (то есть, какое из двух использованных значений K_n или K*n оказалось более надежным) - если в первой, то считается, что использованные значения были занижены, и перед приемом последующих атмосфериков одновременно увеличивают их на относительно небольшую величину (например на 5% от начального значения), если во второй, то соответственно уменьшают их на такую же величину. При этом в случае, если начальное различие K_n и велико, для достаточно хорошего приближения K_n к требуется неоднократно вводить указанную коррекцию.

Сущность предлагаемого устройства однопунктовой дальнометрии основана на том, что предлагается по окончании проверки атмосферика в каждом n-м канале проверки, где Q_n>Q_o, вычислять разностный сигнал δ_n= Q*n

-Q_n, двухсторонне симметрично ограничивать его на заранее установленном уровне ±λ, интегрировать на заранее установленном интервале времени T_z, образуя стандартный по модулю сигнал ε_n= T_zλ•sign(δ_n), полярность которого совпадает с полярностью δ_n, суммировать полученное ε_n с предыдущим значением напряжения на выходе интегратора и с установленным заранее постоянным напряжением E_n (E_n<0), которое вводится для установки начальных значений K_n и K*n, и использовать полученный суммарный сигнал для установки новых значений K_n и K*n в обеих ветвях этого канала, заменив использованные в прототипе в цепях обратной связи усилители на умножители и подавая соответствующий суммарный сигнал на их вторые входы, причем во вторую ветвь обработки этот сигнал подавать после предварительного усиления с коэффициентом k_g, несколько меньшим единицы (k_g≈0,95), осуществляя, таким образом, по окончании проверки атмосферика переход от старых к новых значениям K_n и K*n

где - предыдущее значение суммарного напряжения на входах умножителей первой ветви обработки, при этом при Q_n>Q*n получаем ε_n< 0, в результате K_n и K*n одновременно увеличиваются по абсолютной величине на относительно небольшую величину (с учетом их знаков: K_n<0 и K*n < 0), а при Q_n < Q*n - соответственно уменьшаются. Для исключения неограниченного нарастания сигнала в цепях обратной связи при в цепи обратной связи вводятся ключевые блоки, открываемые на интервал времени 0-(T+τ_n) существования земного и пространственного сигналов, а для ограничения времени вычисления энергии скомпенсированного сигнала и аналогичной величины, получаемой при втором преобразовании анализируемого сигнала, перед квадраторами вводятся ключевые блоки, открываемые на интервал времени Max(T,τ_n)-Max(T,τ_n)+T+τ_n, в результате сигнал на входе интегратора поступает на интервале времени Max(T,τ_n)-(T+τ_n).

Предлагаемый способ дальнометрии включает следующую последовательность операций: принимают электромагнитный сигнал грозового разряда - атмосферик, состоящий из земного и пространственного сигнала, на вертикальную электрическую антенну 1 высотой 3 м с круговой диаграммой направленности, усиливают принятый сигнал в усилителе 2, фильтруют его в требуемой широкой полосе частот 2-35 кГц, содержащей основную энергию сигнала, с помощью фильтра 3, задерживают по времени на t₄=20 мкс для сохранения начальной части атмосферика с помощью блока задержки 4 и проверяют параллельно на его соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности до грозового разряда в каналах проверки 6-8, сигналы с выходов N каналов проверки сравнивают по величине в блоке 9, в результате находят проверку с максимальным выходным сигналом и соответствующую ей дальность принимают за дальность до грозового разряда, отфильтрованный сигнал, кроме того, сравнивают с установленным заранее пороговым уровнем в первом пороговом блоке 5 и при первом превышении порогового уровня образуют короткий импульсный сигнал, который подают параллельно на вторые входы N каналов проверки, при этом в каждом канале проверки сигнал с первого входа подают параллельно на первые входы первой 10 и второй 11 ветвей обработки, сигнал с второго входа канала проверки подают параллельно на вторые входы первой и второй ветвей обработки, кроме того, этим же сигналом запускают одновибратор 12, на выходе которого образуют прямоугольный сигнал установленной заранее длительности, который параллельно подают на третьи входы первой и второй ветвей обработки и задерживают в четвертом блоке задержки 13 на заранее установленный интервал времени, полученный при этом задержанный сигнал подают параллельно на четвертые входы первой и второй ветвей обработки, при этом сигнал, полученный на выходе первой ветви обработки подают на выход канала проверки, кроме того, образуют разностный сигнал между выходными сигналами второй и первой ветвей обработки в втором блоке вычитания 14, полученный сигнал последовательно двухсторонне симметрично ограничивают в ограничителе 15, пропускают через пятый ключевой блок 16, интегрируют в третьем интеграторе 17, суммируют с постоянным напряжением во втором сумматоре 18, полученный при этом сигнал подают параллельно на пятый вход первой ветви обработки и на второй усилитель 19, сигнал с выхода которого подают на пятый вход второй ветви обработки, при этом сигнал с выхода первой ветви обработки, кроме того, пропускают через шестой ключевой блок 20 и сравнивают с установленным заранее пороговым уровнем в триггере Шмитта 21, на выходе которого в случае превышения установленного заранее порогового уровня образуют стандартный прямоугольный импульсный сигнал, этим сигналом открывают по второму входу пятый ключевой блок, при этом сигнал с второго выхода канала проверки, кроме того, задерживают в пятом блоке задержки на заранее установленное время существования атмосферика и полученным сигналом открывают по второму входу шестой ключевой блок, при этом в каждой ветви обработки из сигнала с первого входа ветви обработки вычитают в первом блоке вычитания 23 сигнал с выхода этого же блока, который предварительно последовательно пропускают через первый ключевой блок 24, умножают в первом умножителе 28 на сигнал с пятого входа ветви обработки и задерживают во втором блоке задержки 29 на установленный заранее интервал времени, при этом сигнал с выхода первого ключевого блока, кроме того, последовательно пропускают через второй ключевой блок 25, возводят в квадрат в первом квадраторе 26 и интегрируют в первом интеграторе 27 на установленном заранее интервале времени, кроме того, сигнал с первого входа ветви обработки суммируют в первом сумматоре 30 с выходным сигналом этого же сумматора, который предварительно последовательно пропускают через третий ключевой блок 31, умножают во втором умножителе 35 на сигнал с пятого входа ветви обработки и задерживают в третьем блоке задержки 36 на установленный заранее интервал времени, при этом сигнал с выхода третьего ключевого блока, кроме того, последовательно пропускают через четвертый ключевой блок 32, возводят в квадрат во втором квадраторе 33 и интегрируют во втором интеграторе 34 на установленном заранее интервале времени, при этом сигнал с выхода второго интегратора делят на сигнал с выхода первого интегратора в делителе 37, полученный при этом сигнал подают на выход ветви обработки, при этом сигналом с второго входа ветви обработки перед началом обработки атмосферика обнуляют по второму входу первый и второй интеграторы, сигналом с третьего входа ветви обработки открывают на время существования земного и пространственного сигналов первый и третий ключевые блоки, сигналом с четвертого входа ветви обработки открывают на время существования только пространственного сигнала второй и четвертый ключевые блоки.

Устройство определения дальности до источников атмосфериков работает следующим образом: сигнал атмосферика принимается вертикально ориентированной электрической антенной 1, полученный сигнал последовательно усиливается в первом усилителе 2, фильтруется фильтром 3 и подается параллельно на первые входы N каналов проверки 6-8, отфильтрованный сигнал атмосферика подается на вход порогового блока 5, выходной сигнал которого подается параллельно на вторые входы N каналов проверки, сигнал с выхода каждого канала проверки подается на соответствующий вход блока определения канала проверки с максимальным выходным сигналом 9, N выходов этого блока являются N выходами устройства, при этом в каждом из N каналов проверки сигнал с его первого входа подается параллельно на первые входы первой 10 и второй 11 ветвей обработки, а сигнал с второго входа подается параллельно на вторые входы первой и второй ветвей обработки и на вход одновибратора 12, выходной сигнал которого задерживается в четвертом блоке задержки 13 и подается параллельно на четвертые входы первой и второй ветвей обработки, сигнал с выхода одновибратора, кроме того, подается параллельно на третьи входы первой и второй ветвей обработки, сигналы с выходов первой и второй ветвей обработки подаются соответственно на второй и первой входы второго блока вычитания 14, выходной сигнал которого последовательно пропускается через ограничитель 15, пятый ключевой блок 16 и третий интегратор 17, выходной сигнал которого суммируется с установленным заранее постоянным напряжением во втором сумматоре 18, полученный при этом сигнал усиливается во втором усилителе 19 и подается на пятый вход второй ветви обработки, сигнал с выхода второго сумматора, кроме того, подается на пятый вход первой ветви обработки, при этом сигнал с выхода первой ветви обработки, кроме того, подается на выход канала проверки, а также пропускается последовательно через шестой ключевой блок 20 и триггер Шмитта 21, выходной сигнал которого подается на второй вход пятого ключевого блока, причем сигнал с выхода второй ветви обработки, кроме того, подается на вход пятого блока задержки 22, с выхода которого подается на второй вход шестого ключевого блока, при этом в каждой из двух ветвей обработки сигнал с первого входа ветви обработки пропускается последовательно через первый блок вычитания 23, первый 24 и второй 25 ключевые блоки, возводятся в квадрат в первом квадраторе 26 и интегрируется в первом интеграторе 27, кроме того, сигнал с выхода первого ключевого блока пропускается последовательно через первый умножитель 28 и второй блок задержки 29, выходной сигнал которого подается на второй вход первого блока вычитания, кроме того, сигнал с первого входа ветви обработки пропускается последовательно через первый сумматор 30, третий 31 и четвертый 32 ключевые блоки, возводится в квадрат во втором квадраторе 33 и интегрируется во втором интеграторе 34, кроме того, сигнал с выхода третьего ключевого блока пропускается последовательно через второй умножитель 35 и третий блок задержки 36, выходной сигнал которого подается на второй вход первого сумматора, при этом сигналы с выходов первого и второго интеграторов подаются соответственно на второй и первый входы делителя 37, выходной сигнал которого подается на выход ветви обработки, при этом сигнал с второго входа ветви обработки подается параллельно на вторые входы первого и второго интеграторов, сигнал с третьего входа ветви обработки подается параллельно на вторые входы первого и третьего ключевых блоков, сигнал с четвертого входа ветви обработки подается параллельно на вторые входы второго и четвертого ключевых блоков, сигнал с пятого входа ветви обработки подается параллельно на вторые входы первого и второго умножителей.

В качестве блоков 2, 5, 12, 14, 16-21, 23-28, 30-35, 37 используются стандартные блоки на интегральных микросхемах, приведенные в [4]: блок 2 - на с. 55; в качестве блока 5 используется триггер Шмитта - на с. 223; блок 12 - на с. 115; блоки 14, 18, 23, 30, - на с. 43; блоки 16, 20, 24, 25, 31, 32 - на с. 291; блок 17 - на с. 93, блок 19 - на с. 18; блок 21 - на с. 223; блоки 26, 33 - на с. 132; блоки 27, 34 - на с. 98; блоки 28, 35, 37 - на с. 132; блок 9 описан в [5].

При реализации предлагаемого способа и устройства дальнометрии устанавливается:
электрическая антенна 1 - штыревая, длиной 3 м (действующая высота 1,5 м),
усилитель 2 - линейный, переменного тока, широкополосный с регулируемым коэффициентом усиления k₂=30-300,
фильтр 3 - полосовой с полосой пропускания 2-35 кГц,
длительность задержки в блоке задержки 4 t₄=20 мкс,
усилитель 19 - линейный, постоянного тока с коэффициентом усиления k_g= 0,95,
амплитуда корректирующего сигнала ,
длительность сигнала на выходе блока 12 t₁₂= T+τ_n,
длительность задержки в блоке 13 t₁₃= Max(T,τ_n),
длительность сигнала на выходе блока 21 T_z=80 мкс,
длительность задержки в блоке 22 t₂₂=300 мкс,
диапазон дальностей способа и устройства 300-1200 км,
относительное расхождение соседних градаций дальности ≈ 5%,
количество каналов проверки N=40,
относительное уменьшение погрешностей дальнометрии по сравнению с прототипом ≈20%.

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

Литература
1. Ernst W. Coleman. Storm Warning Method and Apparatus: Patent 4672305 USA, 14.12.87, Cl.324-72.

2. Александров М.С., Гапонов И.М., Епанечников В.А., Казаров Ю.В. Устройство для однопунктового определения дальности до источника грозового разряда: патент 1799155 РФ, кл. G 01 S 11/00, 1992.

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

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.- Л.: Энергоиздат, 1988.

5. Устройство определения канала с максимальным уровнем сигнала: авторское свидетельство СССР N 1451609, кл. G 01 R 19/04.7

Изобретение относится к радиотехническим средствам дальнометрии источников электромагнитного излучения, в частности к способам и устройствам пассивной дальнометрии грозовых разрядов облако - земля, преимущественно вертикальной поляризации, и может быть использовано в метеорологии для оперативной грозолокации на расстояниях 300-1200 км. Технический результат использования изобретения состоит в повышении точности однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что электромагнитный сигнал принимается антенной, усиливается, фильтруется и проверяется на соответствие каждой из заранее установленных градаций дальности до грозового разряда. Дальность, соответствующая максимальному выходному сигналу, принимается за дальность до грозового разряда. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения дальности до источников атмосфериков, заключающийся в том, что принимают сигнал атмосферика, содержащий земной и пространственный сигналы, на вертикальную электрическую антенну, усиливают его, фильтруют в требуемой широкой полосе частот, задерживают по времени, образуя сигнал Z(t), и параллельно проверяют на его соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n = 1 - N) до грозового разряда, причем при каждой n-й проверке осуществляют двухкратное параллельное преобразование полученного сигнала, при первой из которых вначале образуют из анализируемого сигнала Z(t) скомпенсированный сигнал V_n(t) по правилу
V_n(t) = Z(t) - K_nV_n(t - τ_n),
где K_n и τ_n устанавливают заранее, для чего образуют сигнал обратной связи путем умножения V_n(t) на коэффициент -K_n и задержки на интервал времени τ_n и суммируют его с анализируемым сигналом, полученный при этом скомпенсированный сигнал возводят в квадрат и интегрируют на заранее установленном интервале времени, получая первый преобразованный сигнал, причем второе преобразование анализируемого сигнала подобно первому, но с использованием коэффициента -K_n вместо K_n при образовании сигнала обратной связи, при этом образуют сигнал обработки путем деления второго преобразованного сигнала на первый преобразованный сигнал, кроме того, запоминают выходной сигнал каждой проверки и сравнивают запомненные сигналы, полученные при N проверках, по величине, определяют канал проверки с максимальным выходным сигналом и принимают дальность, соответствующую этому каналу, за дальность до источника атмосферика, отличающийся тем, что при каждой n-й проверке, выходной сигнал которой превышает установленный пороговый уровень, обрабатывают сигнал Z(t) параллельно второй раз подобно первой указанной обработке, но с меньшим коэффициентом при образовании сигналов обратной связи K*n

= K_nK_g, получая второй сигнал обработки, причем в качестве выходного сигнала проверки используют первый сигнал обработки, при этом полученный выходной сигнал проверки сравнивают с установленным заранее пороговым уровнем Q₀ и, в случае его превышения, сравнивают первый и второй сигналы обработки между собой по величине и, если сигнал, полученный при первой обработке, больше сигнала, полученного при второй обработке, - увеличивают на установленную заранее величину, а в случае, если сигнал, полученный при первой обработке, меньше сигнала, полученного при второй обработке, - соответственно уменьшают на такую же величину. 2. Устройство определения дальности до источников атмосфериков, содержащее последовательно соединенные вертикально расположенную электрическую антенну, усилитель, фильтр и первый блок задержки, а также содержащее N каналов проверки, блок определения канала проверки с максимальным выходным сигналом и пороговый блок, причем выход фильтра, кроме того, соединен с входом порогового блока, при этом у N каналов проверки первые входы объединены и подключены к выходу блока задержки, вторые входы объединены и подключены к выходу порогового блока, а выход каждого из N каналов проверки соединен с соответствующим входом блока определения канала проверки с максимальным выходным сигналом, причем N выходов этого блока являются N выходами устройства, при этом каждый из N каналов проверки содержит ветвь обработки и последовательно соединенные одновибратор и четвертый блок задержки, выход которого соединен с четвертым входом ветви обработки, причем первый и второй входы канала проверки соединены соответственно с первым и вторым входами ветви обработки, а второй вход канала проверки, кроме того, соединен с входом одновибратора, выход которого, кроме того, соединен с третьим входом ветви обработки, при этом ветвь обработки содержит последовательно соединенные блок вычитания, первый и второй ключевые блоки, первый квадратор и первый интегратор, кроме того, содержит последовательно соединенные сумматор, третий и четвертый ключевые блоки, второй квадратор и второй интегратор, а также содержит второй блок задержки, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, и третий блок задержки, выход которого соединен с вторым входом сумматора, кроме того, содержит делитель, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами второго и первого интеграторов, а выход соединен с выходом ветви обработки, при этом первые входы блока вычитания и сумматора объединены и подключены к первому входу ветви обработки, вторые входы первого и второго интеграторов объединены и подключены к второму входу ветви обработки, вторые входы первого и третьего ключевых блоков объединены и подключены к третьему входу ветви обработки, а вторые входы второго и четвертого ключевых блоков объединены и подключены к четвертому входу ветви обработки, отличающееся тем, что каждая ветвь обработки дополнительно содержит первый и второй умножители и пятый вход, причем первый вход первого умножителя соединен с выходом первого ключевого блока, а выход - с входом второго блока задержки, первый вход второго умножителя соединен с выходом третьего ключевого блока, а выход - с входом третьего блока задержки, причем вторые входы первого и второго умножителей объединены и подключены к пятому входу ветви обработки, при этом каждый канал проверки дополнительно содержит вторую ветвь обработки, аналогичную первой ветви обработки и содержащую блок вычитания, сумматор, четыре ключевых блока, два блока задержки, два квадратора, два интегратора, два умножителя и делитель, при этом в канале проверки первый, второй, третий и четвертый входы второй ветви обработки соединены с соответствующими входами первой ветви обработки, кроме того, каждый канал проверки дополнительно содержит последовательно соединенные второй блок вычитания, ограничитель, пятый ключевой блок, третий интегратор, второй сумматор и второй усилитель, выход которого соединен с пятым входом второй ветви обработки, причем выход второго сумматора соединен, кроме того, с пятым входом первой ветви обработки, а также содержит последовательно соединенные шестой ключевой блок и триггер Шмитта, выход которого соединен с вторым входом пятого ключевого блока, кроме того, содержит источник постоянного напряжения, который подключен к второму входу второго сумматора, а также содержит пятый блок задержки, вход которого подключен к второму входу канала проверки, а выход подключен к второму входу шестого ключевого блока, при этом выход первой ветви обработки подключен к выходу канала проверки, а также соединен параллельно с вторым входом второго блока вычитания и с входом шестого ключевого блока, а выход второй ветви обработки соединен с первым входом второго блока вычитания.