СПОСОБ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ МОЛНИЕВЫХ РАЗРЯДОВ Российский патент 2000 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиотехническим способам местоопределения грозовых очагов с помощью СДВ пассивной многопунктовой приемной системы и может быть использовано в метеорологии и гражданской авиации для оперативного определения зон высокой грозовой активности на расстояниях до 2000 км.

Известен способ местоопределения источника излучения - молниевого разряда, реализованный в [1]. Этот способ основан на приеме в двух приемных пунктах ортогональных горизонтальных магнитных составляющих электромагнитного сигнала молниевого разряда - атмосферика, расчете в каждом приемном пункте по полученным данным пеленга на источник излучения и определении его местоположения как точки пересечения этих пеленгов. Способ состоит в том, что атмосферик принимают в двух территориально разнесенных приемных пунктах с помощью двух горизонтально ориентированных ортогональных магнитных антенн в каждом приемном пункте, последовательно усиливают сигналы с выходов антенн, фильтруют их, детектируют, интегрируют на установленном интервале времени и используют в каждом приемном пункте отношение полученных величин для вычисления пеленга на источник излучения, передают полученные данные с помощью узкополосных линий связи в пункт обработки и определяют местоположение молниевого разряда в точке пересечения полученной при этом пары пеленгов.

Недостатком данного способа является погрешность местоопределения, связанная с погрешностью пеленгации в каждом приемном пункте из-за поворота фронта волны, вызванного, в частности, непостоянством электрических параметров земли на трассах распространения сигнала и деполяризацией сигнала, отраженного от ионосферы.

Наиболее близким к заявленному техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ местоопределения молниевого разряда, реализованный в [2]. Этот способ основан на приеме атмосферика с помощью системы, состоящей не менее чем из трех территориально разнесенных приемных пунктов, определении моментов прихода атмосферика в приемные пункты и вычислении по полученным данным местоположения молниевого разряда. Способ состоит в том, что атмосферик принимают с помощью системы, состоящей не менее чем из трех территориально разнесенных приемных пунктов, в каждом приемном пункте определяют момент прихода атмосферика и передают полученное значение в пункт обработки, где вычисляют разности моментов прихода атмосферика в приемные пункты, рассчитывают по полученным разностям линии положения, определяют точки пересечения полученных линий положения, которые используют для определения местоположения молниевого разряда.

Недостатком указанного способа является существенная погрешность местоопределения молниевого разряда, вызванная непостоянством скорости распространения атмосферика из-за неконтролируемых дифракционных задержек атмосферика при его распространении от источника до каждого из приемных пунктов.

Целью настоящего изобретения является повышение точности местоопределения молниевого разряда с помощью большебазовой разностно-дальномерной системы за счет компенсации дифракционных задержек атмосферика, возникающих при его распространении от излучателя до каждого из приемных пунктов, с использованием заранее известных электрических свойств подстилающей поверхности земли.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе разностно-дальномерного местоопределения молниевого разряда, включающем прием СДВ импульсного сигнала молниевого разряда - атмосферика - с помощью вертикальных электрических антенн системой, состоящей не менее чем из трех (N≥3) территориально разнесенных приемных пунктов, каждый из которых, кроме того, имеет высокоточную систему единого времени и связан узкополосной линией связи с пунктом обработки, при этом включающем в каждом i-м (i=1-N) приемном пункте усиление принятого атмосферика, его фильтрацию в требуемой широкой полосе частот, определение по начальной части атмосферика, содержащей только земной сигнал, момента t_i прихода атмосферика S_i(t) в приемный пункт и передачу этого значения в пункт обработки, а также включающем вычисление в пункте обработки по полученным данным местоположения молниевого разряда, согласно изобретению итерационно уточняют местоположение источника излучения, для чего в каждом i-м приемном пункте вычисляют спектральную плотность принятого атмосферика Z_i(jω), где (i=1-N), f - частота, а в каждом k-м (k= l, 2,...) цикле итерации координаты источника, вычисленные в пункте обработки в предыдущем цикле итерации, передают в приемные пункты, в каждом из которых вычисляют ожидаемое дифракционное ослабление V_i ^(K)(jω), где (i= 1-N), f - частота земного сигнала на трассе распространения от вычисленного источника до i-го приемного пункта, а также новую спектральную плотность по правилу
Z(k)i

(jω) = Z_i(jω)/V(k)i(jω), (1)
с помощью обратного преобразования Фурье этой спектральной плотности образуют сигнал S_i ^(k)(t), определяют момент t_i ^(k) его прихода в приемный пункт и передают полученное значение в пункт обработки, где по полученным данным вычисляют новое местоположение источника излучения, повторяют эту последовательность действий заданное число раз и полученные в результате координаты принимают за искомые координаты молниевого разряда.

Новым в предложенном способе местоопределения молниевых разрядов с помощью большебазовой разностно-дальномерной системы по сравнению с прототипом является итерационная компенсация дифракционных задержек атмосферика, возникающих при его распространении от источника излучения до каждого приемного пункта, с использованием известных электрических свойств подстилающей поверхности земли.

На фиг. 1 представлена блок-схема расположения трехпунктовой (N=3) приемной системы и вычисленных местоположений источника излучения, где обозначено: 1-первый приемный пункт, 2 - второй приемный пункт, 3 - третий приемный пункт, 4 - пункт обработки, точки возле значений k=o, k=1,..., k=m - указывают местоположение молниевого разряда, полученное в k-м цикле итерации (для наглядности эти точки соединены непрерывной линией). На фиг. 2 представлена блок-схема одного приемного пункта, где обозначено: 1 - усилитель, 2 - полосовой фильтр, 3 - линия задержки, 4 - ключевой блок, 5 - детектор, 6 - пороговый блок, 7 - одновибратор, 8 - сумматор, 9 - блок определения момента начала сигнала, 10 - блок вычисления спектральной плотности атмосферика, 11 - блок вычисления спектральной плотности атмосферика с скомпенсированной дифракционной задержкой, 12 - блок вычисления коэффициента дифракционного затухания, 13 - блок вычисления атмосферика с скомпенсированной дифракционной задержкой.

Сущность предлагаемого способа основана на вычислении с помощью большебазовой СДВ разностно-дальномерной системы места возникновения молниевого разряда и его итерационном уточнении путем компенсации в каждом цикле итерации ожидаемых дифракционных задержек атмосферика, возникающих при его распространении от вычисленного источника до каждого из приемных пунктов.

По предлагаемому способу, как и в прототипе, прием атмосферика осуществляется с помощью вертикальных электрических антенн системой, состоящей не менее чем из трех (N≥3) территориально разнесенных приемных пунктов, каждый из которых имеет высокоточную систему единого времени и связан узкополосной линией связи с пунктом обработки, при этом в каждом i-м (i=1-N) приемном пункте по начальной части атмосферика, содержащей только земной сигнал, определяется момент прихода атмосферика t_i, который передается в пункт обработки, где по разностям этих моментов вычисляется местоположение молниевого разряда.

Оценки координат источника определяются с использованием точек пересечения (N-1)-й линий положения (для получения точки пересечения достаточно двух линий положения, которые обеспечиваются тремя приемными пунктами, остальные приемные пункты могут быть использованы как для исключения возможной неоднозначности, так и для повышения точности местоопределения). Без учета дифракционных задержек эти линии положения определяются из соотношений:
t_i-t₁=(r_i-r₁)/c (1=2-N), (2)
где c=3•10⁵ км/с - скорость света, r_i - расстояние от излучателя до i-го (i= 1-N) приемного пункта вдоль дуги большого круга Земли, определяемое в географической системе координат как

где R= 6370 км - радиус Земли, ϕ и θ - соответственно широта и долгота источника излучения, а ϕ_i и θ_i - соответственно широта и долгота i-го (i= 1-N) приемного пункта, которые заранее известны.

Согласно изобретению вычисленные в пункте обработки оценки координат источника ϕ и θ итерационно уточняются путем компенсации дифракционных задержек, возникающих при распространении атмосферика от вычисленного в предыдущем цикле итерации местоположения источника до каждого из приемных пунктов.

Так как спектральная плотность атмосферика Z_i(jω) определяется спектральной плотностью сигнала источника Z₀(jω) (в качестве сигнала источника - молниевого разряда S₀(t) выбирается сигнал на некотором близком расстоянии r₀ от источника излучения) и коэффициентом передачи трассы распространения К_i(jω):
Z_i(jω) = Z_o(jω)K_i(jω), (4)
то, компенсируя в левой части (4) трассу распространения путем деления на K_i(jω), образуем из спектра атмосферика спектр источника
Z_o(jω) = Z_i(jω)/K_i(jω). (5)
При этом сигнал атмосферика преобразуется в сигнал источника S₀(t). Однако в общем случае коэффициент передачи трассы К_i(jω) непостоянен из-за нестабильности высоты отражения и коэффициента отражения от ионосферы. Для компенсации дифракционной задержки начальной части атмосферика в правой части (5) предлагается вместо К₁(jω) использовать коэффициент передачи K_i ⁰(jω), соответствующий распространению только земного сигнала, получая в результате
Z_oi(jω) = Z_i(jω)/Koi

(jω). (6)
Так как атмосферик S₁(t) может быть приближенно представлен как сумма подобных по форме земного сигнала S₁ ⁰(t) и нескольких (G=1-3) ионосферных сигналов

где A_gi и τ_gi - соответственно соотношение амплитуд и задержка времени прихода g-го ионосферного и земного сигналов, то спектральная плотность атмосферика может быть представлена в виде

где Z_i ⁰(jω)-спектральная плотность земного сигнала.

Подставляя полученную спектральную плотность в правую часть (6) и применяя обратное преобразование Фурье, получаем сигнал

Таким образом, используя преобразование спектра атмосферика (6), получаем в результате сигнал S_0i(t), состоящий из сигнала источника и суммы сигналов, каждый из которых представляет собой сигнал источника, домноженный соответственно на коэффициент А_gi и задержанный по времени на интервал τ_gi (g= 1-G), откуда следует, что полученный сигнал S_0i(t) совпадает с сигналом источника S₀(t) на интервале времени 0 ≤ t < τ_1i(τ₁≥ 40 мкс при дальности до источника L≤500 км и ночных условиях распространения).

Так как коэффициент передачи трассы земного сигнала может быть записан в виде

где V_i(jω) - коэффициент дифракционного затухания, а exp (-jω r_i/c)r₀/r_i - определяет соответственно запаздывание, вызванное конечной скоростью распространения сигнала (скоростью света), и ослабление сигнала в свободном пространстве на трассе длиной r_i, то для компенсации в преобразованном сигнале только дифракционной задержки земного сигнала и сохранения задержки, связанной с конечностью скорости света, а также, пренебрегая амплитудным коэффициентом r₀/r_i, образуем новую спектральную плотность, заменив в правой части (6) K_i ⁰(jω) на V_i(jω)
Z*i

(jω) = Z_i(jω)/V_i(jω). (11)
При этом V_i(jω) для источника, находящегося вблизи поверхности земли, может быть определен, например, с использованием соотношения [3]

где d_S - s-й (в порядке возрастания модуля) корень уравнения W'(t)= q_iW(t), W(t) - функция Эйри, b - количество используемых слагаемых в сумме (практически достаточно b=3-5), q_i - параметр, учитывающий полупроводниковые свойства земной поверхности и определяемый как
q_i= j(πR/λ)^1/3/(ε_i-j60λγ_i)^1/2, (13)
λ = c/f - длина волны, ε_i и γ_i - усредненные соответственно диэлектрическая проницаемость и проводимость земли [Сим/м] на трассе распространения, которые полагаются заранее известными.

Получаемое при этом подобие начальных частей преобразованных сигналов в приемных пунктах позволяет, кроме того, уменьшить погрешность в определении момента прихода атмосферика, уменьшив неопределенность в выборе его характерной точки.

Таким образом, для реализации предлагаемого способа местоопределения молниевого разряда вначале в каждом из приемных пунктов с помощью прямого преобразования Фурье вычисляется комплексная спектральная плотность Z_i(jω) атмосферика S_i(t) (i=1-N)

где T - время существования атмосферика.

После первоначального определения в приемных пунктах моментов прихода атмосферика, а в пункте обработки оценок координат источника излучения ϕ⁽⁰⁾= ϕ, θ⁽⁰⁾= θ используется итерационная процедура уточнения этих оценок, состоящая в том, что в каждом k-м (k=1,2,..., m) цикле итерации осуществляется следующая последовательность действий.

Вычисленные в пункте обработки в предыдущем цикле итерации координаты источника ϕ^(k-1), θ^(k-1) передаются в приемные пункты.

В каждом i-м приемном пункте (i=1-N) по формуле (12) вычисляется ожидаемое дифракционное ослабление V_i ^(k)(jω) атмосферика на трассе между вычисленным источником и приемным пунктом, осуществляется компенсация дифракционной задержки прихода атмосферика в приемный пункт путем деления Z_i(jω) на V_i ^(k)(jω) и переход к новой спектральной плотности атмосферика Z_i ^(k)(jω) (1) и определяется с помощью обратного преобразования Фурье новая форма атмосферика

Преобразованный атмосферик S₁ ^(k) используется для определения t_i ^(k) - момента его прихода в приемный пункт.

Полученное значение t_i ^(k) передается в пункт обработки.

В пункте обработки по полученным данным вычисляются оценки координат источника излучения ϕ^(k), θ^(k). Повторяют эту процедуру итерации заранее установленное число m раз и полученные в результате значения ϕ^(m), θ^(m) принимают за искомые координаты молниевого разряда. Для прекращения изменения вычисленных координат источника достаточно осуществить 2-3 итерации (m=2-3).

Предлагаемый способ местоопределения молниевого разряда включает следующую последовательность операций: а) принимают атмосферик с помощью вертикальных электрических антенн, высотой по 3 м каждая, системой, состоящей не менее чем из трех (N≥3) территориально разнесенных приемных пунктов, каждый из которых имеет высокоточную систему единого времени с относительным расхождением шкал времени между пунктами не более Δt=1 мкс, и пункта обработки, связанного с каждым приемным пунктом узкополосной линией связи с полосой частот Δf=(3-10) кГц, при этом в каждом i-м (i=1-N) приемном пункте б) усиливают принятый атмосферик, в) фильтруют в полосе частот 2-60 кГц с помощью полосового фильтра и г) задерживают по времени на 20 мкс, д) отфильтрованный атмосферик, кроме того, сравнивают с пороговым уровнем, в случае превышения порога е) вычисляют комплексную спектральную плотность задержанного атмосферика и запоминают ее, кроме того, ж) по начальной части задержанного атмосферика, содержащей только земной сигнал, определяют момент прихода атмосферика в приемный пункт и з) передают это значение в пункт обработки, где и) по полученным данным определяют координаты источника излучения, затем итерационно уточняют местоположения источника, для чего: в каждом k-м (k=1, 2,... , m) цикле итерации к) вычисленные координаты источника передают в приемные пункты, в каждом из которых л) вычисляют ожидаемое комплексное дифракционное ослабление земного сигнала на трассе распространения между вычисленным в предыдущем цикле итерации молниевым разрядом и приемным пунктом, м) вычисляют новую спектральную плотность сигнала путем деления в полосе пропускания входных фильтров спектральной плотности исходного атмосферика на вычисленное дифракционное ослабление земного сигнала, н) с помощью обратного преобразования Фурье из полученной при этом спектральной плотности образуют новый атмосферик, о) определяют момент его прихода в приемный пункт и п) передают полученное значение в пункт обработки, при этом в пункте обработки по полученным данным р) вычисляют новую оценку местоположения источника излучения и с) повторяют эту процедуру итерации заранее установленное число m раз (m= 2-3), т) полученные в результате координаты принимают за искомые координаты молниевого разряда.

При реализации предлагаемого способа местоопределения молниевого разряда устанавливаются электрические антенны - каждая высотой 3 м (действующая высота 1,5 м); полосы пропускания входных полосовых фильтров f=2-60 кГц; максимальное расстояние между приемными пунктами D=1500 км, длительности задержки сигнала в линиях задержки δt=20 мкс, допустимое расхождение шкал системы единого времени не более Δt=1 мкс, полосы пропускания узкополосных линий связи Δf= (3-10) кГц, длительность анализируемого атмосферика Т=100 мкс, количество итерационных уточнений m=2-3.

Технический результат предлагаемого способа местоопределения молниевых разрядов по сравнению с прототипом состоит в уменьшении относительной погрешности местоопределения молниевых разрядов на 10-20%, что может быть использовано в метеорологии и в гражданской авиации.

Литература
1. Wojtasinski R. J., Jones J., N. Lightning Tracking System. Patent N 3754263 USA, 21.08.1973, С1. 343-112.

2. Bent R.B., Casper P.W. Lightning Position and Tracking Method. Patent N 4792806 USA, 20.12.1988, Cl. 342-465.

3. Красюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Высшая школа. 1974 г.

Изобретение относится к радиотехническим способам местоопределения грозовых очагов с помощью СДВ-пассивной многопунктовой приемной системы и может быть использовано в метеорологии и гражданской авиации для оперативного определения зон высокой грозовой активности на расстояниях до 2000 км. СДВ-сигнал молниевого разряда - атмосферик - принимается с помощью РДСМ, по земному сигналу атмосферика определяется местоположение источника, которое затем итерационно уточняется путем компенсации в каждом цикле итерации ожидаемой дифракционной задержки земного сигнала на трассе распространения от вычисленного местоположения источника до каждого приемного пункта. Достигаемым техническим результатом является повышение точности местоопределения молниевого разряда. 2 ил.

Способ местоопределения молниевого разряда, заключающийся в том, что СДВ-электромагнитный сигнал молниевого разряда - атмосферик принимают с помощью вертикальных электрических антенн системой, состоящей не менее чем из трех (N ≥ 3) территориально разнесенных приемных пунктов, каждый из которых, кроме того, имеет высокоточную систему единого времени и связан узкополосной линией связи с пунктом обработки, при этом в каждом i-м (i = 1 - N) приемном пункте атмосферик усиливают, фильтруют в требуемой широкой полосе частот, по его начальной части, содержащей только земной сигнал, определяют момент t_i прихода атмосферик S_i(t) в приемный пункт и передают это значение в пункт обработки, где по полученным данным вычисляют местоположение молниевого разряда, отличающийся тем, что итерационно уточняют местоположение молниевого разряда, для чего в каждом i-м приемном пункте вычисляют спектральную плотность принятого атмосферика Z_i(jω) (i = 1 - N), где j = f - частота, а в каждом k-м (k = 1, 2, ...) цикле итерации координаты молниевого разряда, вычисленные в пункте обработки в предыдущем цикле итерации, передают в приемные пункты, в каждом из которых вычисляют ожидаемое дифракционное ослабление V_i ^(k)(jω) (i = 1 - N) земного сигнала на трассе распространения от вычисленного молниевого разряда до i-го приемного пункта, а также новую спектральную плотность по правилу
Z(k)i

(jω) = Z_i(jω)/V(k)i(jω),
с помощью обратного преобразования Фурье этой спектральной плотности определяют новую форму атмосферика S_i ^(k)(t), определяют момент t_i ^(k) его прихода в приемный пункт и передают полученное значение в пункт обработки, где по полученным данным вычисляют новое местоположение молниевого разряда, повторяют эту последовательность действий заданное число раз и полученные в результате координаты принимают за искомые координаты молниевого разряда.