УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МНОГОЛУЧЕВОЙ СТРУКТУРЫ ИОНОСФЕРНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК G01V3/00 G01W1/00 

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для оценки многолучевости отраженных от ионосферы сигналов.

Известны устройства определения многолучевости КВ сигналов Barry G.H. A low-power vertical incidend ionosonde. JEEE Fraus Georg, Electrou, 1971, v. 9. N 2, p.p. 86-89, Смирнов В.Б. Аппаратура наклонного зондирования ионосферы. В сб. Наклонное зондирование ионосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1972, с. 57) по количеству принимаемых коротких по длительности и поэтому разделенных по времени прихода в пункт приема сигналов, отраженных от ионосферы.

Устройство для определения многолучевости КВ сигналов состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) с блоком развертки типа А, на экране которой наблюдают импульсные сигналы, отраженные от различных слоев ионосферы. Недостатком устройства является невозможность определения степени многолучевости в условиях импульсных помех и малая разрешающая способность.

Устройство (Barry G. H. A low-power vertical incidence ionosoude JEEE. Fraus Geosci Electron 1971, N 2, p.p. 86-89) содержит также ЭЛТ с блоком развертки типа В, на экране которой визуально регистрируют по количеству ионограмм многолучевость сигнала. Устройство имеет высокую помехозащищенность и разрешающую способность, обусловленные использованием линейно-частотно-модулированного сигнала, что требует существенного усложнения аппаратуры и наличия дорогостоящих стандартов частоты. Поэтому данное устройство имеет ограниченное применение.

В качестве прототипа взято устройство, реализованное в ионосферной станции (Смирнов В.В. и др. Аппаратура наклонного зондирования ионосферы. В сб. Наклонное зондирование ионосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1972, с. 57). Принцип определения моноголучевости состоит в следующем. Передатчик мощностью 30 кВт излучает короткие импульсы, которые, отражаясь от различных слоев ионосферы, принимаются приемником. Устройство определения многолучевости представляет собой панорамный индикатор (ЭЛТ), на экране которого воспроизводится ионограмма, образуемая напряжением импульсных сигналов с выхода приемника. С экрана индикатора визуально регистрируется количество ионограмм, соответствующих количеству принимаемых лучей. Работа устройства требует передачи и приема только импульсных сигналов, имеет низкую помехоустойчивость и небольшую разрешающую способность по лучам, ограничиваемую минимальной длительностью импульса, что приводит к существенным погрешностям в определении многолучевости.

Таким образом, аналоги и прототип для определения многолучевости сигналов требуют использования специальных сигналов, работают на принципе визуальной селекции, не поддаются автоматизации процесса и создают высокий уровень помех другим радиосредствам.

Для устранения этих недостатков в устройство, содержащее две антенны, подключенные к соединенным между собой радиоприемникам, введены измеритель разности фаз, входы которого соединены с выходами радиоприемников, а выход подключен к входу блока фиксации текущих значений разности фаз, выходы которого через блок определения дифференциальной функции распределения соединен с блоком анализа этой функции.

Сущность изобретения состоит в том, что с помощью устройства определяется дифференциальная функция распределения разности фаз между сигналами в разнесенных по пространству антенных, анализируется вид этой функции и в результате оценивается многолучевость принимаемого сигнала.

Ионосферный сигнал, как правило, многолучевый, состоящий, например, из однократного и двухкратного отражений (лучей) от слоя ионосферы. Эти лучи имеют каждый свое среднее значение разности фаз между напряжениями, наводимыми ими в разнесенных по пространству антеннах. Случайные колебания высот отражения лучей от ионосферы приводят к флуктуациям которые описываются дифференциальной функцией распределения разности фаз, имеющей в данном случае два резко выраженных максимума, соответствующих (фиг. 4). При наличии в принимаемом сигнале несколько лучей функция распределения будет иметь несколько максимумов, а одного луча - один максимум. Таким образом, определяя и анализируя функцию распределения разностей фаз между выходными напряжениями радиоприемников, подсоединенных к двум антеннам, можно определять многолучевую структуру сигнала. Расстояние между антеннами составляет 50-80 м. Для вычисления функции распределения следует произвести 100-150 замеров разности фаз через 0,5-1 с каждый.

Измерение разности фаз, определение дифференциальной функции распределения и ее анализ на количество максимумов осуществляются новыми введенными блоками и, следовательно, устройство соответствует критерию "новизна".

Блоки фиксации текущих значений разности фаз, определения дифференциальной функции распределения и ее анализа неизвестны и, следовательно, устройство соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схемы блока фиксации текущих значений и блока определения дифференциальной функции распределения; на фиг.3 - схема блока анализа; на фиг.4 - график, поясняющий физические принципы работы устройства. Устройство содержит первый 1 и второй 2 радиоприемники, измеритель разности фаз 3, блок 4 фиксации текущих значений разности фаз, блок 5 определения дифференциальной функции распределения разности фаз, блок 6 анализа дифференциальной функции распределения, вход 7 пуска, выход 8 сигнализации окончания анализа и выход 9 результата анализа.

Блок 4 (фиг.2) содержит триггер 10, генератор 11 тактовых импульсов, регистр 12 сдвига, элементы И 13, регистры данных 14-1... 14-N, где N - количество замеров разности фаз.

Блок 5 содержит генератор 15 тактовых импульсов, элемент задержки 16, первый 17 и второй 18 счетчики, коммутатор 19, элементы сравнения 20-1... 20-M, регистры данных 21-1... 21-М, счетчики 22-1... 222-М, где M - количество фиксированных значений разности фаз, по которым определяется функция распределения, триггер 23.

Блок 6 (фиг.3) содержит коммутационные элементы 24, узел 25 определения максимума, узел 26 определения минимума, регистр 27 сдвига, первый 28 и второй 29 триггеры, генератор 30, формирователи 31, 32, счетчики 33, 34, элемент И 35, элемент ИЛИ 36, элемент задержки 37. Узлы 25 и 26 содержат регистры 38, 39, элемент сравнения 40, элемент задержки 41, элемент НЕ 42, элемент ИЛИ 43, элементы И 44, 45.

Устройство работает следующим образом. После настройки приемников 1 и 2 с общим гетеродином на заданную частоту с выхода фазометра 3 на вход блока 4 будут поступать текущие значения разности фаз, измеряемой между сигналами, принятыми антеннами радиоприемников 1 и 2.

После подачи сигнала "пуск" в блоке 4 обеспечивается фиксация и запоминание серии текущих значений разности фаз. Фиксация текущих значений производится через заданные промежутки времени (0,5-1 с). Общее количество замеров составляет 100-2000.

По окончании работы, блок 4 выдает в блок 5 сигнал пуска, при этом на информационные входы блока 5 из блока 4 поступают полученные значения разности фаз.

По команде из блока 4 запускается блок 5, который на основе получаемых из блока 4 значений, обеспечивает определение (формирование) дифференциальной функции распределения разности фаз, после чего выдает команду на запуск блока 6.

В блоке 6 производится анализ функции распределения и определения числа максимумов в ней. По окончании анализа выдается сигнал готовности и результаты измерения (на выходы 8 и 9).

Рассмотрим подробно работу блоков устройства на примерах технической реализации блоков, приведенных на фиг.2 и 3.

Сигналы с выходов радиоприемников 1 и 2 поступают на вход измерителя разности фаз 3, в качестве которого может быть использован фазометр Ф2-28. С выхода измерителя 3 текущее значение разности фазы поступает на вход блока 4. После подачи на вход блока 4 команды "пуск" (фиг.2) срабатывает триггер 10, который запускает генератор 11 и подает сигнал на первые входы элементов И 13. Период следования импульсов генератора 11 задает периодичность (частоту) фиксаций значений разности фаз. Импульсы поступают на регистр 12 и появляются поочередно на его выходах, поступая на элементы И 13. Сигналы, появляющиеся поочередно на выходах элементов И 13 обеспечивают запись в регистры 14-1...14-N текущих значений разности фаз.

По окончании серии из замеров короткий сигнал с (N+1)-го выхода регистра (через дифцепь) установит триггер 10 в исходное состояние, и сигнал с его второго выхода поступит на входы управления считыванием регистров 14. Одновременно сигнал с выхода регистра 12 поступит на вход запуска блока 5. Этим сигналом в блоке 5 обеспечится установка счетчиков 22 в исходное (нулевое) состояние и запуск генератора 15, сигналы с выхода которого начнут поступать на счетчик 17 и подсчитываться счетчиком 18.

Счетчик 17 обеспечивает управление коммутатором, подключая к входам схем сравнения 20 один из входов коммутатора, т.е. выход одного из регистров 14 блока 4. Таким образом, на входы схем сравнения 20 последовательно подаются значения разности фаз, получаемые при измерениях. На другие входы схем сравнения 20-1...20-M поданы значения с соответствующих регистров 21.1...21-M. В эти регистры записаны опорные значения разности фаз с дискретностью, равной дискретности измерения разности фаз блоком 3. Например, если с выхода блока 3 значения разности фаз выдаются с дискретностью, равной 5^o, то в регистре 21-1 должно быть записано значение разности фаз 0^o, в регистре 21-2 - 5^o, 21-3 - 10^o, 21-4 - 15^o в регистре 21-M - 360^o. В зависимости от зафиксированного текущего значения разности фаз будет появляться сигнал на выходе соответствующей схемы сравнения 20-1...20-M. Эти сигналы будут подаваться на соответствующие счетчики 22-1...22-M.

Таким образом, счетчики будут подсчитывать число зафиксированных замеров разности фаз определенной величины. В частности в счетчике 21-1 будет зафиксировано сколько раз была зарегистрирована величина разности фаз 0^o, в счетчике 21-2 - 5^o, в счетчике 21-M - 360^o. По окончании работы сигналом с счетчика 18 (на M тактов) работа блока будет остановлена и будет запущен блок 6.

В этом блоке сработает триггер 28 и запустит генератор 30, который начнет выдавать импульсы сдвига на регистр 27 и импульсы запуска на входы элементов И 35 через элемент 37. Сигналы с выходов регистра 27, поступая на входы коммутационных элементов 29, будут обеспечивать поочередное подключение счетчиков 22 (из блока 5) к входам регистров 38 (узлов 25 и 26). В исходном состоянии сигнал с триггера 29 поступает на вход элемента И 35-2, который обеспечивает прохождение импульсов запуска на узле 25, работающий следующим образом. По сигналу запуска с элемента И 35 в регистр 38 записывается текущее значение, поступающее из блока 5. Элемент 40 сравнивает значение, записанное в регистре 38 и 39, т.е. текущее и предыдущее. (В начале цикла в регистр 39 узла 25 записывается нулевое значение сигналом с элементом ИЛИ 43).

Если значение в регистре 38 больше, чем в регистре 39, то на выходе схемы сравнения 40 будет "0" и сигналом с элемента И 45, в регистр 39 запишется новое значение из регистра 38. Если значение в регистре 39 в входе измерений окажется меньше значения в регистре 39, что свидетельствует о том, что предыдущее значение было максимальным, то появится сигнал на выходе элемента И 44. Этот сигнал перебросит триггер 29 и будет подсчитан счетчиком 34.

Сигнал с выхода триггера 29 прекратит поступление сигналов запуска на узел 25, и они начнут поступать на узел 26 через элемент И 35-1. Этот узел работает аналогично, но за счет инверсного алгоритма элемента сравнения 40 сигнал на выходе элемента И 44 будет в случае, когда в функции распределения будет зафиксирован минимум. Этим сигналом перебросится триггер 29 в исходное состояние и начнет работать узел 25. После анализа замеров с выхода счетчика 33 будет выдан сигнал, который остановит работу блока 6, перебросив триггер 28 в исходное состояние.

Одновременно этот сигнал будет выдан на выход 8 устройства, сигнализируя об окончании анализа, а с выхода счетчика 34 на выход 9 будет выдано значение зафиксированных максимумов функции распределения, а следовательно, количество лучей.

Предлагаемое устройство обладает существенными технико-экономическими преимуществами, которые заключается в следующем:
1) увеличивается в 3-4 раза разрешающая способность определения многолучевости по сравнению с использованием импульсных сигналов;
2) не создаются помехи другим радиосредствам, т.к. передатчик может работать в обычном табельном режиме передачи информации;
3) увеличивается в 10-20 раз помехоустойчивость определения многолучевости сигналов за счет сужения полосы пропускания приемника до нескольких десятков герц.

Использование: для оценки многолучевости отраженных от ионосферы коротковолновых радиосигналов. Сущность изобретения: многолучевая структура сигналов определяется по форме дифференциальной функции распределения разности фаз между напряжениями в разнесенных в пространстве антеннах, подсоединенных к двум радиоприемникам с общим гетеродином. Устройство содержит блок фиксации текущих значений разности фаз, блок определения функции распределения и блок анализа этой функции. 4 ил.

Устройство для определения многолучевой структуры ионосферных сигналов, содержащее соединенные между собой радиоприемные устройства, отличающееся тем, что в него введены измеритель разности фаз между сигналами в антеннах приемников, входы которого соединены с выходами радиоприемников, а выход подключен к информационному входу блока фиксации текущих значений разности фаз, информационный и сигнальный выходы которого соединены с соответствующими входами блока определения дифференциальной функции распределения разности фаз, информационный и сигнальный выходы которого соединены с соответствующими входами блока анализа дифференциальной функции распределения.