ОДНОПУНКТОВАЯ СИСТЕМА МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ГРОЗ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ Российский патент 2004 года по МПК G01S5/16 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах определения местоположения источников грозовых разрядов в системах сбора и обработки метеорологической информации.

Известны однопунктовые системы местоопределения гроз в ближней зоне, содержащие антенную систему с электрической и взаимно перпендикулярными магнитными рамочными антеннами, пеленгатор, решающий блок, синхронизатор и блок индикации [1, 2].

К недостаткам данных систем следует отнести, во-первых, недостаточную точность определения местоположения молниевого разряда, во-вторых, отсутствие оценок погрешности определения местоположения молниевого разряда, в-третьих, большой объем нестандартного оборудования.

Наиболее близким по технической сущности является однопунктовая система местоопределения гроз в ближней зоне, описанная в авторском свидетельстве [3]. Однако вероятность получения состоятельной оценки местоположения молниевого разряда с помощью данного устройства недостаточна. Это объясняется как недостаточной адекватностью используемой математической модели проблемы, так и плохой численной устойчивостью, используемых алгоритмов. Недостаточная адекватность использованной математической модели обусловлена отсутствием учета в сигналах, снимаемых с рамочных антенн проводящих свойств Земли. Более адекватная постановка приведена в работах [4], где показана возможность получения с помощью однопунктовой системы лишь интервальной оценки пеленга. Однако прототип изобретения [3] не предполагает оценки данного интервала.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является, повышение точности определения местоположения молниевого разряда, обеспечение непрерывного контроля работоспособности устройства, обеспечение возможности гибко наращивать функции системы, повышение технологичности изготовления за счет сокращения используемого нестандартного оборудования.

Поставленная техническая задача решается тем, что в однопунктовую систему местоопределения гроз в ближней зоне, содержащую антенную систему с электрической и взаимно перпендикулярными рамочными антеннами, согласно изобретению введены полосовые фильтры по числу антенн, блок предобработки сигналов с аналого-цифровыми преобразователями по числу антенн, канал связи и компьютер, выполняющий функции сбора и обработки полученных сигналов, фонового и целенаправленного тестирования системы, предоставляющий средства для анализа грозовой активности, причем выходы антенн через полосовые фильтры соединены с входами соответствующих аналого-цифровых преобразователей блока предобработки, который через канал связи соединен с компьютером.

Введение полосовых фильтров и блока предобработки сигналов с тремя аналого-цифровыми преобразователями и удаленного компьютера позволило разделить функции приема сигналов и функции расчета, отображения, ведения архива. Кроме того, указанная декомпозиция позволила привлечь стандартные средства вычислительной техники и использовать разработанные программное обеспечение [5] для задачи определения местоположения молниевых разрядов, гибко наращивать функции по управлению системой (например, непрерывное фоновое тестирование системы для контроля работоспособности системы), по обработке, хранению и передаче принятых сигналов, по визуализации и мониторингу грозовой активности.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показана функциональная схема системы;

на фиг.2 показана функциональная схема блока предобработки сигналов.

Устройство содержит антенную систему с электрической 1 и взаимно перпендикулярными 2, 3 рамочными антеннами, полосовые фильтры 4, 5, 6, блок предобработки сигналов 7, канал связи 8 и компьютер 9 (фиг.1).

Блок предобработки 7 представляет компьютер, содержащий системную шину 10 и подключенные к ней аналого-цифровые преобразователи 11, 12, 13, центральный процессор 14, блок памяти 15, коммуникационное устройство 16 (фиг.2).

Выходы антенн 1, 2, 3 соединены через полосовые фильтры 4, 5, 6 со входами аналого-цифровых преобразователей 10, 11, 12 блока предобработки 7. Коммуникационное устройство 16 блока предобработки 7 посредством канала связи 8 соединено с компьютером 9 (фиг.1).

Компьютер 9 имеет стандартную архитектуру. В частности, он снабжен коммуникационным устройством, аналогичным коммуникационному устройству 16 блока предобработки 7 (фиг.2), а также блоками ввода/вывода пользовательской информации (на схеме не показаны).

Устройство работает следующим образом. Молниевый разряд наводит в точке наблюдения электромагнитное поле. Вертикальная составляющая электрического поля e(t) и ортогональные проекции горизонтальной составляющей магнитного поля h_x(t), h_y(t) улавливаются антеннами 1, 2, 3 соответственно. Сигналы e(t), h_x(t), h_y(t) через полосовые фильтры 4, 5, 6 соответственно поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 11, 12, 13 блока предобработки сигналов 7. После преобразования в цифровую форму сигналы представлены отсчетами мгновенных значений в дискретные моменты времени (например, через каждую 1 мкс). Программное обеспечение блока предобработки 7 осуществляет цифровую предобработку сигналов e(t), h_x(t), h_y(t), буферизацию и передачу сигналов по каналу связи 8 на компьютер 9. Программное обеспечение компьютера 9 обеспечивает прием сигналов по каналу связи 8, сохранение сигналов в базе данных, решение задачи идентификации параметров используемой математической модели задачи местоопределения по сигналам e(t), h_x(t), h_y(t) [6]. Кроме того, данное программное обеспечение осуществляет решение задач мониторинга и исследования грозовой активности, визуализацию и анализ накопленных данных, а также фонового тестирования.

Проведенные авторами теоретические и численные исследования [6] показывают, что найденные математические модели и алгоритмы могут быть основой нового поколения однопунктовых систем местоопределения гроз в ближней зоне. Проведенный вычислительный эксперимент показал, что достаточен шаг дискретизации по времени 5-10^-6 с при числе уровней квантования 2¹². В этом случае 2⁷ уровней необходимо для состоятельной оценки и 2⁵ дополнительных уровней необходимо для вариации амплитуды сигналов. Аналого-цифровые преобразователи с такими характеристиками общедоступны. В качестве коммуникационного устройства может использоваться сетевая плата стандарта Ethernet. Блок предобработки может быть реализован в виде промышленного компьютера на базе стандарта PC-104, допускающего работу в температурных условиях от -10 до +50°С. Компьютер 12 может быть реализован в виде компьютера типа IBM PC, на базе процессора Intel Pentium III и выше.

Таким образом, поставленная техническая задача решается тем, что декомпозиция системы на антенный блок, блок предобработки и компьютер, выполняющий основные действия с сигналами, позволила привлечь стандартные средства вычислительной техники и использовать разработанные более точные устойчивые алгоритмы определения местоположения молниевых разрядов, гибко наращивать функции по управлению системой (например, тестирование системы для контроля работоспособности системы), по обработке, хранению и передаче принятых сигналов, по визуализации и мониторингу грозовой активности.

Источники информации

1. Бару Н.В., Кононов И.И., Соломоник М.Е. Радиопеленгаторы-дальномеры ближних гроз. Л.: Гидрометиоиздат, 1976, 143 с.

2. Кононов И.И., Петренко И.А., Снегуров В.С. Радиотехнические методы местоопределения грозовых очагов. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, 222 с.

3. Панюков А.В., Крохин Н.И., Семагин Б.В., Файзулин Н.А., Однопунктная система местоопределения гроз в ближней зоне. Авторское свидетельство СССР №720384, СССР. Бюллетень изобретений, 1980, №9.

4. Panyukov A. V. Estimation of the location of an arbitrarily oriented dipole under single-point direction finding // Journal of geophysical research. Vol. 101. № D10. P.14,977-14,982. June 27, 1996. (USA).

5. Панюков А.В., Будуев Д.В. Библиотека методов определения местоположения дипольного источника излучения. // Программы для ЭВМ. Базы данных. Топологии интегральных микросхем. Официальный бюллетень Российского агентства по патентам и товарным знакам. №2(39) ч.1, 2002 г. М.: ФИПС. 2002. Рег. №2002610234.

6. Панюков А.В., Будуев Д.В. Алгоритм определения расстояния до местоположения молниевого разряда // Электричество. №4, 2001, с.10-14.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах определения местоположения источников грозовых разрядов в системах сбора и обработки метеорологической информации. Технический результат заключается в повышении точности определения местоположение молниевого разряда, обеспечении непрерывного контроля работоспособности устройства, возможности гибко наращивать функции системы, повышении технологичности изготовления за счет сокращения используемого нестандартного оборудования. Однопунктовая система местоопределения гроз в ближней зоне содержит антенную систему с электрической и взаимно перпендикулярными рамочными антеннами, полосовые фильтры по числу антенн, блок предобработки сигналов с аналого-цифровыми преобразователями по числу антенн, канал связи и компьютер, выполняющий функции сбора и обработки полученных сигналов, фонового и целенаправленного тестирования системы и осуществляющий мониторинг и исследование грозовой активности, визуализацию и анализ накопленных данных, причем выходы антенн через полосовые фильтры соединены с входами соответствующих аналого-цифровых преобразователей блока предобработки, который через канал связи соединен с компьютером. 2 ил.

Однопунктовая система местоопределения гроз в ближней зоне, содержащая антенную систему с электрической и взаимно перпендикулярными рамочными антеннами, отличающаяся тем, что в нее введены полосовые фильтры по числу антенн, блок предобработки сигналов с аналого-цифровыми преобразователями по числу антенн, канал связи и компьютер, выполняющий функции сбора и обработки полученных сигналов, фонового и целенаправленного тестирования системы и осуществляющий мониторинг и исследование грозовой активности, визуализацию и анализ накопленных данных, причем выходы антенн через полосовые фильтры соединены с входами соответствующих аналого-цифровых преобразователей блока предобработки, который через канал связи соединен с компьютером.