СПОСОБ ОДНОПУНКТОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО МОЛНИЕВОГО РАЗРЯДА Российский патент 1999 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиотехническим средствам пассивной локации источников электромагнитного излучения, в частности к способам однопунктовой дальнометрии молниевых разрядов облако - земля, и может быть использовано в метеорологии и в гражданской авиации для оперативного контроля грозовой деятельности на расстояниях 300 - 1800 км.

Известен способ однопунктовой дальнометрии молниевых разрядов, реализованный в [1]. Этот способ основан на использовании зависимости отношения спектральных плотностей магнитной и электрической составляющих электромагнитного сигнала молниевого разряда - атмосферика от дальности до источника и состоит в том, что 1) принимают вертикальную электрическую и две горизонтальные, ортогональные магнитные составляющие атмосферика, 2) фильтруют все три составляющие в одинаковой узкой полосе частот, 3) усиливают их, 4) образуют модуль суммарного магнитного сигнала, 5) определяют амплитуду полученной величины, 6) образуют модуль электрического сигнала, 7) определяют амплитуду полученной величины, 8) сигнал, полученный по п.5, делят на сигнал, полученный по п.7, 9) используют полученную при этом величину для определения дальности до молниевого разряда.

Недостатком этого способа являются малая дальность действия и большая погрешность в оценке дальности на расстояниях свыше 100 км, вызванные слабой зависимостью от дальности отношения спектральных плотностей магнитной и электрической составляющих атмосферика.

Наиболее близким к заявленному техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ однопунктового определения дальности до источника грозового разряда, реализованный в [2]. Этот способ основан на использовании зависимости интервалов времени между пространственными и земным сигналами в атмосферике от дальности до источника и состоит в том, что 1) принимают атмосферик, состоящий из земного и Q (Q≥1) пространственных сигналов, на всенаправленную электрическую антенну, 2) усиливают принятый сигнал атмосферика, 3) фильтруют его в широкой полосе частот и 4) задерживают по времени, 5) проверяют полученный при этом сигнал Z(t) на его соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n = 1 - N) до молниевого разряда, для этого N-кратно параллельно обрабатывают сигнал, причем при каждой n-й обработке 6) образуют начальный анализируемый сигнал Z_n(t) = Z(t), 7) осуществляют в сигнале Z_n(t) взаимную компенсацию земного и Q пространственных сигналов, для чего 8) последовательно в каждый момент времени t от t= 0 до t=T (где T - максимальная ожидаемая длительность земного сигнала) образуют вспомогательную величину W_n как взвешенное среднее значение сигнала Z_n(t) в момент времени t и в Q моментах времени, отстающих от t на установленные заранее интервалы времени, равные ожидаемым для дальности L_n задержкам времен прихода соответствующих пространственных сигналов относительно земного сигнала, 9) переходят к новым значениям сигнала Z_n(t) путем вычитания из предыдущих Z_n(t) в те же моменты времени полученного W_n, домноженного на установленные заранее коэффициенты, равные ожидаемым отношениям амплитуд соответствующих пространственных и земного сигналов, 10) циклически повторяют преобразования по пп. 8-9 установленное заранее число раз, 11) образуют выходной сигнал, обратно пропорциональный энергии результирующего сигнала Z_n(t) на установленном заранее интервале времени, 12) запоминают его, 13) сравнивают выходные сигналы, полученные при N параллельных обработках, по величине, 14) определяют обработку с максимальным выходным сигналом, 15) дальность, соответствующую этой обработке, принимают за дальность до молниевого разряда.

Недостатком указанного способа является погрешность дальнометрии, вызванная неполной взаимной компенсацией земного и пространственных сигналов в атмосферике при обработке, соответствующей истинной дальности до молниевого разряда, вследствие различия форм пространственных и земного сигналов из-за изменения форм пространственных сигналов при отражении от ионосферы.

Целью настоящего изобретения является увеличение дальности действия и повышение точности однопунктовой дальнометрии молниевых разрядов за счет одновременного определения дальности до источника излучения и формы сигнала в источнике, приводящих к минимуму невязку между получаемым при этом сигналом в конце трассы распространения и атмосфериком, с использованием заранее известной импульсной переходной функции каждой трассы (функции преобразования короткого импульсного сигнала при прохождении трассы распространения).

Поставленная цель достигается тем, что в способе однопунктового определения дальности до молниевого разряда, включающем прием атмосферика на вертикальную электрическую антенну, усиление принятого сигнала, его фильтрацию в требуемой широкой полосе частот, задержку по времени и дискретизацию по времени с шагом dt на заранее установленном интервале времени T₁, запоминание полученного при этом сигнала Z_i (i = 1 - I), где I = T₁/dt) 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 принятого сигнала с образованием значения F*n

при каждой n-й обработке, образование выходных значений обработок P_n, их запоминание, сравнение по величине, нахождение обработки с максимальным P_n и определение дальности до молниевого разряда как дальности, соответствующей этой обработке, согласно изобретению при каждой n-й параллельной обработке атмосферика образуют невязку F_n между сигналом атмосферика и сигналом, полученным при прохождении трассы распространения длиной L_n заранее неизвестным излученным сигналом S_n,j (j = 1 - J, где J - заранее установленное значение),

где
HS_n,q (q≥1) - заранее известная переходная функция n-й трассы распространения, определяют сигнал S_n,j = S*n,j , минимизирующий величину F_n, для чего дифференцируют F_n по всем значениям S_n,k (k = 1 - J) и приравнивают нулю полученные выражения, в результате получают систему из J линейных уравнений с J неизвестными значениями S*n,j (j = 1 - J):

решают эту систему уравнений и в результате получают значения S*n,j (j = 1 - J), подставляют полученные значения в правую часть (1) вместо S_n,j и получают минимальное при n-й обработке значение F*n:

Новым в предложенном способе дальнометрии молниевого разряда по сравнению с прототипом является вычисление при каждой n-й параллельной обработке излученного сигнала S*n,j (j = 1 - J) такого, который приводит к минимуму невязку между принятым атмосфериком и сигналом, полученным при прохождении сигналом S*n,j трассы распространения, соответствующей дальности L_n до источника излучения, с использованием для этой цели импульсной переходной функции трассы.

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

На фиг.2 представлены примеры нормированных импульсных переходных функций трасс распространения HS_n (t) при ночных условиях и дальностях а) L = 500 км и б) L = 1000 км.

На фиг. 3 представлены а) нормированная расчетная форма ночного атмосферика 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 представленного способа.

Сущность предлагаемого способа однопунктового определения дальности до молниевого разряда основана на совместном определении длины трассы распространения и формы сигнала в источнике излучения, приводящих к минимальной невязке между атмосфериком и сигналом, получаемым при прохождении сигналом источника трассы распространения, где сигнал V(t) в конце трассы распространения связан с излученным сигналом S(t) соотношением

где T_О - максимальная ожидаемая длительность излученного сигнала,
HS(t) - импульсная переходная функция трассы распространения (приведенная к началу земного сигнала - HS(t)=0 при t<0).

Форма функции HS(t) определяется лучевым характером распространения в волноводном канале земля-ионосфера на расстояниях L≤1800 км, при котором излученный сигнал поступает в точку приема по нескольким путям: вдоль поверхности земли - земной сигнал, отразившись один раз от ионосферы, - первый пространственный сигнал, отразившись от ионосферы, затем от земли и еще раз от ионосферы, - второй пространственный сигнал и т.д., а также основана на определении формы излученного сигнала, приводящей к сигналу в конце трассы распространения, наиболее близкому по форме к сигналу атмосферика.

Импульсная переходная функция трассы распространения HS(t) является обратным преобразованием Фурье от коэффициента передачи трассы и по форме состоит из нескольких "пиков", каждый из которых соответствует одному пути распространения, - первый соответствует земному сигналу, второй - первому пространственному сигналу и т. д. Как видно из приведенных на фиг.2 а), б) графиков, при увеличении дальности до источника сокращаются интервалы времени между "пиками" (из-за уменьшения разностей длин путей отдельных лучей), уменьшается относительная амплитуда первого "пика" (из-за увеличения коэффициентов отражения пространственных сигналов от ионосферы) и, кроме того, несколько изменяются формы "пиков". Время обработки атмосферика T₁ устанавливается таким, чтобы обрабатываемый атмосферик содержал земной сигнал и не менее одного пространственного сигнала (при этом импульсная переходная функция трассы распространения HS(t) содержит на интервале O - T₁ не менее двух "пиков") для обеспечения существенной зависимости HS(t) от дальности до источника излучения.

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 молниевого разряда, для чего сигнал атмосферика N-кратно параллельно обрабатывается.

Согласно изобретению при каждой n-й обработке осуществляется расчет невязки между атмосфериком и сигналом V_n(t) (4), полученным расчетным путем при пропускании заранее неизвестного излученного сигнала S_n(t) через трассу длиной L_n, вводится невязка F_n - энергия разности между Z(t) и V_n(t):

ищется излученный сигнал S*n

(t) такой, который приводит к сигналу V*n(t) , минимизирующему F_n : F*n = Мин(F_n/по S_n(t)), образуется выходной сигнал обработки P_n (n = 1 - N), обратно пропорциональный F*n (P_n = 1/ F*n) , который запоминается, полученные при N обработках значения P_n сравниваются по величине, определяется обработка с максимальным выходным сигналом P_n - m: Макс(P_n/ по n) (с минимальной по n обработкам невязкой F*m ) и дальность L_m, соответствующая этой обработке, принимается за дальность до молниевого разряда. Таким образом, зависимость обратной невязки P_n от дальности L_n является решающей функцией при определении дальности до источника излучения.

При этом для определения S_n(t), минимизирующей невязку F_n (при фиксированном n), осуществляется дискретизация функций Z(t) (0≤t≤T₁), S_n(t) (0≤t≤T₀ и HS_n(t) (t≥0) по времени с заранее установленным шагом dt, переводящая их соответственно в Z_i (i = 1 - I), где I = T₁/dt, S_n,j (j = 1 - J, где J = T₀/dt) и HS_n,q (q≥1), в результате формула (5) переходит в формулу (1).

Для вычисления сигнала в источнике S_n,j (j = 1 - J), минимизирующего величину F_n, F_n определяется как функция от S_n,k (k = 1 - J) и дифференцируется по всем значениям S_n,k:

каждое из полученных при этом выражений приравнивается к нулю, и после
изменения порядка суммирования образуется система из J линейных уравнений с J неизвестными относительно S*n,k

(2), в результате решения этой системы уравнений получаются значения S*n,k (k = 1 - J), при подстановке которых в правую часть уравнения (1) вместо S_n,j образуется минимальное при фиксированном n значение невязки F*n (3) и вычисляется обратная невязка P_n = 1/ F*n.
Использование в настоящей заявке при дальнометрии излученных сигналов, прошедших трассы распространения с заранее известными импульсными переходными функциями, для компенсации сигнала атмосферика (в отличие от прототипа, где осуществляется взаимная компенсация пространственных и земного сигналов), исключает необходимость в идентичности форм земного и пространственных сигналов.

Дальности L_n, соответствующие соседним обработкам (L_n+1>L_n), устанавливаются такими, чтобы их относительное различие не превышало 5%. При этом в диапазоне дальностей 300 км≤L≤1800 км до молниевых разрядов требуемое количество параллельных проверок составляет N=35. Максимальное ожидаемое время существования сигнала молниевого разряда устанавливается порядка T₀ = 120 мкс.

На фиг.3 представлены а) нормированная расчетная форма ночного атмосферика 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.3 б), вычисленная дальность до источника близка к исходной дальности.

Предлагаемый способ определения дальности до молниевых разрядов 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 и г) сравнивают с установленным заранее пороговым уровнем в пороговом блоке 7, на выходе которого вырабатывают короткий импульсный сигнал в момент первого превышения атмосфериком порогового уровня, д) полученный сигнал подают на вторые входы блоков 5,8-10 для синхронизации их работы, е) сигнал с выхода фильтра, кроме того, для сохранения начальной части атмосферика, предшествующей моменту превышения порога, задерживают на 20 мкс в блоке задержки 4 и ж) подают на первый вход блока 5, где осуществляют аналого-цифровое преобразование атмосферика по времени с шагом dt=l мкс, з) полученный при этом сигнал Z_i (i = 1 - I, где I = 400 - заранее установленное значение) запоминают в блоке памяти 6 и и) обрабатывают в решающем устройстве, состоящем из N (N = 35) параллельных каналов обработки 8-10, каждый из которых соответствует фиксированной дальности до источника излучения в установленном заранее диапазоне дальностей 300-1800 км, для чего при каждой n-ой обработке (n = 1 - N) к) вводят невязку между атмосфериком и сигналом, образованным при прохождении заранее неизвестным излученным сигналом трассы длиной L_n, л) дифференцируют эту невязку по всем значениям излученного сигнала, м) приравнивают нулю полученные выражения, н) решают получаемую при этом систему линейных уравнений и определяют таким образом соответствующий сигнал в источнике излучения, о) подставляют полученные при этом значения в выражение для невязки и определяют таким образом минимальную невязку, п) образуют выходной сигнал, обратно пропорциональный полученной невязке, р) в блоке 11 определяют обработку с максимальным выходным сигналом, с) соответствующую дальность принимают за дальность до источника излучения.

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 - блок задержки, 5 - аналого-цифровой преобразователь, 6 - блок памяти, 7 - пороговый блок, 8 - 10 - N каналов обработки, 11 - блок определения канала с максимальным выходным сигналом.

В качестве блоков 2-3,7 используются стандартные блоки на интегральных микросхемах, приведенные в [5], в качестве блоков 5 и 6 используются соответственно стандартные аналого-цифровой преобразователь и блок памяти, в качестве блока 11 используется блок, описанный в [6].

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 τ_a = 20 мкс,
АЦП 5 10-разрядный с шагом по времени dt = 1 мкс,
блок памяти 6 объемом 512 слов,
длительность обрабатываемого атмосферика T₁ 400 мкс, максимальная ожидаемая длительность сигнала молниевого разряда T₀ = 120 мкс,
диапазон дальностей способа 300 - 1800 км,
относительное расхождение градаций дальности соседних каналов обработки ≈ 5% от средней дальности этих каналов: 2(L_n+1 - L_n)/(L_n+1 + L_n)≈0,05 (n = 1 - N - 1),
количество каналов обработки N = 35,
дальность действия способа увеличивается на 20%,
относительное количество грубых ошибок дальнометрии сокращается на 25%.

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

Литература
1. Lothar Н. Runke. Determining Distance to Lightning Strokes from a Single Station. USA Patent N 3715660, 06.02.1973.

2. Патент РФ N 2042958, G 01 S 13/08, 1995.

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. О.В.Якубовского. М.: Радио и связь, 1985.

6. Авторское свидетельство N 1451609, G 01 R 19/14, ВНИИПИ 1989.

Изобретение относится к радиотехническим средствам пассивной локации источников электромагнитного излучения, в частности к способам однопунктовой дальнометрии молниевых разрядов облако - земля, и может быть использовано в метеорологии и в гражданской авиации для оперативной дальнометрии грозовой деятельностью на расстояниях 300-1800 км. Электромагнитный сигнал молниевого разряда - атмосферик принимается вертикальной штыревой электрической антенной, усиливается, фильтруется в широкой полосе частот и преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя, полученный при этом сигнал проверяется на его соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n(n=1-N) до молниевого разряда, для этого сигнал N-кратно параллельно обрабатывается, полученные при этом выходные сигналы сравниваются между собой по величине и дальность, соответствующая максимальному выходному сигналу, принимается за дальность до молниевого разряда. Предлагаемый способ позволяет увеличить дальность действия и повысить точность измерения дальности до молниевого разряда, что и является достигаемым техническим результатом. 3 ил.

Способ определения дальности до молниевых разрядов, заключающийся в том, что принимают сигнал атмосферика на вертикальную электрическую антенну, усиливают его, фильтруют в требуемой широкой полосе частот, задерживают по времени, дискретизируют по времени с шагом dt на заранее установленном интервале времени T₁ и проверяют полученный при этом сигнал Z_i (i = 1 - I, где I = T₁/dt) на его соответствие каждой из N заранее установленных градаций дальности L_n (n = 1 - N) до молниевого разряда, для этого N-кратно параллельно обрабатывают сигнал, причем при каждой n-й обработке образуют сигнал F_n ^*, образуют выходной сигнал обработки P_n = 1/F_n ^*, запоминают его, сравнивают выходные сигналы, полученные при N обработках, по величине находят обработку с максимальным P_n и соответствующую дальность принимают за дальность до молниевого разряда, отличающийся тем, что при каждой n-й обработке атмосферика вводят заранее неизвестный излученный сигнал S_n,j (j = 1 - J, где J - заранее установленное значение), образуют невязку F_n между сигналом атмосферика и сигналом, полученным при прохождении сигналом S_n,j (j = 1 - J) трассы распространения длиной L_n

где HS_n,q (q ≥ 1) - заранее известная импульсная характеристика n-й трассы распространения,
определяют сигнал S^* _n,j, минимизирующий величину F_n, для чего дифференцируют F_n по всем значениям S_n,k (k = 1 - J) и приравнивают нулю полученные выражения, в результате получают систему из J линейных уравнений с J неизвестными значениями S^* _n,j (j = 1 - J)

решают эту систему уравнений и получают значения S^* _n,j (j = 1 - J), подставляют полученные значения в правую часть уравнения F_n вместо S_n,j, в результате получают значение F_n ^*