СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ В ЗАДАННОЙ ОБЛАСТИ ИОНОСФЕРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01S13/95 

Предлагаемые способ и устройство относятся к радиолокации, в частности к радиотехническим измерениям параметров ионосферы методом некогерентного рассеяния с использованием эффекта Фарадея, и могут быть использованы для определения концентрации электронов в заданном слое ионосферной плазмы, которая зависит от наличия и концентрации радиоактивных примесей в наблюдаемой зоне атмосферы, например, над атомной электростанцией.

Известны способы и устройства дистанционного определения состояния наблюдаемой зоны атмосферы [1-15].

Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу и устройству является патент РФ [15].

Электронную концентрацию в заданной области ионосферы по известному способу определяют путем формирования направленного импульсного излучения плоскополяризованной электромагнитной волны с несущей частотой f_C. Когда плоскополяризованная электромагнитная волна отражается от ионизированной зоны, на которую воздействует внешнее магнитное поле Земли, то она разделяется на две независимые составляющие, которые в общем случае имеют эллиптическую поляризацию с противоположными направлениями вращения. На частотах дециметрового диапазона обе составляющие, которые носят название обыкновенной и необыкновенной волны, имеющей круговую поляризацию. Другими словами, обыкновенная волна с круговым вращением вектора поляризации по часовой стрелке является волной с правой круговой поляризацией, а необыкновенная волна с круговым вращением вектора поляризации против часовой стрелки является волной с левой круговой поляризацией. Обе волны распространяются в ионизированной среде с различными скоростями, вследствие чего фазовые соотношения между этими волнами непрерывно изменяются. Это явление обычно называется эффектом Фарадея, из-за которого отраженный сигнал испытывает вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации, который определяется разной скоростью распространения волн с правой и левой круговой поляризацией, находится из соотношения

где ϕ ₁, ϕ ₂ - фазовые запаздывания волн с правой и левой круговой поляризацией соответственно.

Наличие радиоактивных примесей и их концентрация в заданной зоне атмосферы оцениваются по разности фаз Δ ϕ между составляющими отраженного сигнала с правой и левой круговой поляризацией, которая измеряется с высокой точностью. Это достигается тем, что указанная разность фаз измеряется на стабильной частоте f_г гетеродина 10. Поэтому процесс измерения инвариантен к нестабильности амплитуды и частоты отраженного сигнала, возникающих при некогерентном рассеянии зондирующего сигнала линейной поляризации ионизированной областью атмосферы.

Недостатком ближайшего аналога является низкая чувствительность при измерении малых фазовых сдвигов.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих малым концентрациям радиоактивных примесей в заданной области ионосферы.

Поставленная задача решается тем, что по способу определения электронной концентрации в заданной области ионосферы, включающему направленное импульсное излучение плоскополяризованной электромагнитной волны с несущей частотой f_C, причем компонент сигнала с правой и левой круговой поляризацией некогерентного рассеяния ионосферы, преобразование компоненты отраженного сигнала с левой круговой поляризацией по частоте, выделение напряжения промежуточной частоты, перемножение ее с компонентой отраженного сигнала с круговой поляризацией, выделение гармонического напряжения на частоте f_г гетеродина, ограничение его по амплитуде, измерение разности фаз Δ ϕ на стабильной частоте f_г гетеродина, вычисление электронной концентрации по формуле

где M(r) - известная продольная составляющая геомагнитного поля;

r - дальность;

с - скорость света;

Δ ϕ =ϕ ₂-ϕ ₁ - разность фаз между компонентами отраженного сигнала с правой и левой круговой поляризацией;

t₁, t₂ - моменты времени, соответствующие задержкам сигнала, отраженного от передней и дальней границ ионизированной зоны, сравнение вычисленного значения электронной концентрации N_C(r) с эталонным значением электронной концентрации N_э(r),

и по результатам сравнения принятие решения о наличии и концентрации радиоактивных примесей в заданной области ионосферы, перед вычислением электронной концентрации низкочастотное напряжение, пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу Δ ϕ , сдвигают по фазе на 90° низкочастотные напряжения последовательно дважды перемножают сами на себя, исходное и сдвинутое по фазе низкочастотные напряжения второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента К_м=6, вычитают полученное напряжение из исходного низкочастотного напряжения четвертой степени и суммируют полученное напряжение со сдвинутым по фазе на 90° низкочастотным напряжением четвертой степени.

Поставленная задача решается тем, что устройство для определения электронной концентрации в заданной области ионосферы, включающее последовательно соединенные синхронизатор, передатчик и передающую антенну полоскополяризованной волны, последовательно соединенные первую приемную антенну и приемник волны правой круговой поляризации, первый ключ, второй вход которого через блок временной задержки соединен с вторым выходом синхронизатора, первый перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель и фазометр, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина, последовательно соединенные вторую приемную антенну, приемник волны левой круговой поляризации, смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен к второму входу первого перемножителя, последовательно соединенные вычислительный блок, блок сравнения, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом вычислительного блока, и индикатор, снабжено фазовращателем на 90° , вторым, третьим, четвертым и пятым перемножителями, масштабирующим перемножителем, вычитателем и сумматором, причем к выходу фазометра последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фазометра, третий перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя, вычитатель и сумматор, выход которого подключен к входу вычислительного блока, к выходу фазометра последовательно подключены фазовращатель на 90° , четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фазоваращателя на 90° , и пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом четвертого перемножителя, а выход подключен к второму входу сумматора, второй вход вычитателя через масштабирующий перемножитель соединен с выходами второго и четвертого перемножителей.

Сущность технического решения заключается в "усилении" фазового сдвига Δ ϕ в четыре раза в соответствии с выражением

cos4Δ ϕ =cos⁴Δ^{ϕ-6cos2Δϕ·sin2Δϕ+sin4Δϕ}

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Устройство содержит последовательно включенные синхронизатор 1, передатчик 2 и передающую антенну 3 плоскополяризованной волны, последовательно включенные первую приемную антенну 5, приемник 7 волны правой круговой поляризации, первый ключ 9, второй вход которого через блок 4 временной задержки соединен со вторым выходом синхронизатора 1, первый перемножитель 13, узкополосный фильтр 14, амплитудный ограничитель 15, фазометр 16, второй перемножитель 22, второй вход которого соединен с выходом фазометра 16, третий перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом второго перемножителя 22, вычитатель 27, сумматор 28, вычислительный блок 17, блок 18 сравнения, второй ключ 19, второй вход которого соединен с выходом вычислительного блока 17, и индикатор 20, последовательно подключенные к выходу фазометра 16 фазовращатель 21 на 90° , четвертый перемножитель 24, второй вход которого соединен с выходом фазовращателя 21, и пятый перемножитель 25, второй вход которого соединен с выходом четвертого перемножителя 24, а выход подключен к второму входу сумматора 28, второй вход вычитателя 27 через масштабирующий перемножитель 26 соединен с выходами второго 22 и четвертого 24 перемножителей.

Устройство работает следующим образом.

Синхронизатор 1 формирует стабильные прямоугольные видеоимпульсы с известным периодом следования Т_C и длительностью τ _И, которые периодически запускают передатчик 2. Последний формирует высокочакстотный зондирующий сигнал с плоской поляризацией

u_c(t)=U_ccos(2π f_ct+ϕ _c), 0≤ t≤ τ _И

где U_c, f_c, ϕ _c, τ _И - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность зондирующего сигнала, который через передающую антенну 3 излучается в направлении заданной зоны атмосферы.

Отраженный сигнал принимается приемными антеннами 5 и 6. При этом приемная антенна 5 восприимчива только к сигналу с правой круговой поляризацией (обыкновенная компонента), а антенна 6 - только к сигналу с левой круговой поляризацией (необыкновенная компонента). На выходе приемников 7 и 8 образуются сигналы:

u_o(t)=U_o(t)cos[2π (f_c±Δ f)t+ϕ ₁],

u_Н(t)=U_Н(t)cos[2π (f_c±Δ f)t+ϕ ₂], 0≤ t≤ τ _И,

где индексы “О” и “Н” относятся соответственно к обыкновенной и необыкновенной волнам:

U_о(t), U_H(t) - огибающие обыкновенной и необыкновенной волны;

±Δ f - нестабильность несущей частоты, обусловленная некогерентным рассеянием ионизированной среды.

Сигнал u_o(t) с выхода приемника 7 через ключ 9 поступает на первый вход перемножителя 13. Чтобы измеряемая разность фаз соответствовала заранее выбранной дальности г перемножитель 13 стробируется по времени с помощью ключа 9, на управляющий вход которого поступают короткие прямоугольные импульсы от синхронизатора 1 через блок 4 временной задержки. Временная задержка импульсов определяется заданной длительностью. При изменении дальности меняется и время задержки.

Сигнал u_H(t) с выхода приемника 8 поступает на первый вход смесителя 11, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 10 со стабильной частотой f_Г

u_Г(t)=U_Гcos(2π f_Гt+ϕ _Г).

На выходе смесителя 11 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 12 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

u_ПР(t)=U_ПРcos[2π (f_пр±Δ f)t+ϕ _ПР], 0≤ t≤ τ _И,

гдe

K₁ - коэффициент передачи смесителя;

f_пр=f_с-f_г - промежуточная частота;

ϕ _пр=ϕ _с-ϕ _г,

которое поступает на второй вход перемножителя 13. На выходе последнего образуется гармоничесокое напряжение:

u₁(t)=U₁(t)cos[2π f_гt+ϕ _г+Δ ϕ ], 0≤ t≤ τ _И,

К₂ - коэффициент передачи перемножителя;

Δ ϕ =ϕ ₂-ϕ ₁,

которое выделяется узкополосным фильтром 14 и поступает на вход амплитудного ограничителя 15. На выходе последнего образуется напряжение

u₂(t)=U_ОГРcos[2π f_гt+ϕ _г+Δ ϕ ], 0≤ t≤ τ

где U_огр - порог ограничения,

которое поступает на первый вход фазометра 16, на второй вход которого подается напряжение u_г(t) гетеродина 10. В качестве фазометра 16 используется фазовый детектор.

На выходе фазометра 16 образуется следующее напряжение

u₃(t)=U₃·_{cоsΔ ϕ ,}

где

К_З - коэффициент передачи фазометра.

Это напряжение поступает на два входа перемножителя 22, на выходе которого образуется напряжение

u₄(t)=U₄·_{cos²Δ ϕ^,}

где

которое поступает на два входа перемножителя 23. На выходе последнего образуется напряжение

u₅(t)=U₅cos⁴Δ ϕ^,

где

Одновременно напряжение u₃(t) с выхода фазометра 16 поступает на вход фазовращателя 21, на выходе которого формируется напряжение

U₆(t)=U₃cos(Δ ϕ +90° )=-U₃·_{sinΔ ϕ .}

Это напряжение подается на два входа перемножителя 24, на выходе которого образуется напряжение

u₇(t)=U₇·_{sin²Δ ϕ^,}

где

Это напряжение поступает на два входа пернемножителя 25, на выходе которого формируется напряжение

u₈(t)=U₈sin⁴Δ ϕ^,

где

Напряжения u₄(t) и u₇(t) поступают на два входа масштабирующего перемножителя 26, масштабирующий коэффициент которого выбирается равным 6 (К_M=6). На выходе масштабирующего перемножителя 26 формируется напряжение

u₉(t)=6u₄(t)· u₇(t)=6U₉·_{cos²Δ^{ϕ·sin2Δϕ,}}

где

Напряжение u₅(t) и u₉(t) поступают на два входа вычитателя 27, на выходе которого формируется напряжение

U₁₀(t)=U₅·_{cos⁴Δ ϕ^{-6U9·cos2Δ ϕ·sin2Δ ϕ.}}

Напряжения u₈(t) и u₁₀(t) поступают на два входа сумматора 28, на выходе которого образуется напряжение

u₁₁(t)=u₈(t)+u₁₀(t)=U₅·_{соs⁴Δ ϕ^{-6U9·cos2Δ ϕ·sin2Δ ϕ+U8·sin4Δ ϕ.}}

Если выбрать U₅=U₉=U₈=U, то получим

u₁₂(t)=U(cos4Δ ϕ -6cos²Δ ϕ^{·sin2Δ ϕ+sin4Δ ϕ )=U· cos4Δ ϕ .}

Измеренное значение разности фаз Δ ϕ ₁=4Δ ϕ с выхода сумматора 28 поступает на вход вычислительного блока 17, где определяется электронная концентрация исследуемой зоны атмосферы по формуле

где M(r) - известная продольная составляющая геомагнитного поля Земли;

r - дальность до ионизированной зоны ионосферы;

с - скорость света;

Δ ϕ ₁=4Δ ϕ =4(ϕ ₂-ϕ ₁) - разность фаз между компонентами с правой и левой круговой поляризацией отраженного сигнала;

t₁, t₂ - моменты времени, соответствующие задержкам сигнала, отраженного от передней и дальней границ ионизированной зоны.

В блоке 18 сравнения осуществляется сравнение вычисленной электронной концентрации N_C(r) с эталонной электронной концентрацией N_Э(r), превышение которой является признаком присутствия в заданной зоне атмосферы радиоактивных примесей. При N_C(r)>N_Э(r) в блоке 18 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 19, открывая его. А в исходном состоянии ключ 19 всегда закрыт. При этом вычисленная электронная концентрация N_C(r) через открытый ключ 19 фиксируется в индикаторе 20.

Следовательно, наличие радиоактивных примесей и их концентрация в заданной (исследуемой) зоне атмосферы оценивается по разности фаз Δ ϕ ₁=4Δ ϕ =4(ϕ ₂-ϕ ₁) между обыкновенной и необыкновенной составляющими отраженного сигнала, которая измеряется с высокой точностью. Это достигается тем, что указанная разность фаз измеряется на стабильной частоте f_U гетеродина 10. Поэтому процесс измерения инвариантен к нестабильности амплитуды и частоты отраженного сигнала, возникающих при некогерентном рассеянии зондирующего сигнала линейной поляризации ионизированной областью атмосферы.

Таким образом, измерительный фазовый сдвиг Δ ϕ ₁=4Δ ϕ =(ϕ ₂-ϕ ₁) между обыкновенной и необыкновенной составляющими отраженного сигнала в четыре раза больше, чем у входных отраженных сигналов. Тем самым в предлагаемых способе и устройстве по сравнению с известными обеспечивается значительное повышение чувствительности при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих малым концентрациям радиоактивных примесей в заданной (исследуемой) зоне атмосферы.

Источники информации

1. Авторское свидетельство SU № 809020.

2. Авт. свид. SU № 836611.

3. Авт. свид. SU № 1027661.

4. Авт. свид. SU № 1107079.

5. Авт. свид. SU № 1111582.

6. Авт. свид. SU № 1128211.

7. Авт. свид. SU № 1146616.

8. Авт. свид. SU № 1608597.

9. Авт. свид. SU № 1661701.

10. Авт. свид. SU № 1679426.

11. Авт. свид. SU № 1679426.

12. Патент РФ № 2018872.

13. Патент РФ № 2020512.

14. Патент РФ № 2020513.

15. Патент РФ № 2161808.

Предлагаемый способ и устройство относятся к радиолокации, в частности к радиотехническим измерениям параметров ионосферы методом некогерентного рассеяния с использованием эффекта Фарадея, и могут быть использованы для определения концентрации электронов в заданном слое ионосферной плазмы, которая зависит от наличия и концентрации радиоактивных примесей в наблюдаемой зоне атмосферы, например, над атомной электростанцией. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности при измерении малых фазовых сдвигов, соответствующих малым концентрациям радиоактивных примесей в заданной области ионосферы. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит синхронизатор 1, передатчик 2, передающую антенну 3, блок 4 временной задержки, приемные антенны 5 и 6, приемники 7 и 8 волн правой и левой круговой поляризации соответственно, ключи 9 и 19, гетеродин 10, смеситель 11, усилитель 12 промежуточной частоты, перемножители 13, 22, 23, 24 и 25, узкополосный фильтр 14, амплитудный ограничитель 15, фазометр 16, вычислительный блок 17, блок 18 сравнения, индикатор 20, фазовращатель 21 на 90°, масштабирующий переключатель 26, вычитатель 27 и сумматор 28. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы, включающий направленное импульсное излучение плоскополяризованной электромагнитной волны с несущей частотой f_c, прием компонент отраженного сигнала с правой и левой круговой поляризацией некогерентного рассеяния ионосферы, преобразование компонент отраженного сигнала с левой круговой поляризацией по частоте, выделение напряжения промежуточной частоты, перемножение его с компонентой отраженного сигнала с правой круговой поляризацией, выделение гармонического напряжения на частоте f_г гетеродина, ограничение его по амплитуде, измерение разности фаз Δϕ=(ϕ₂-ϕ₁) соответственно между компонентами отраженного сигнала с правой и левой круговой поляризацией на стабильной частоте f_г гетеродина, вычисление электронной концентрации по формуле

где М(r) - известная продольная составляющая геомагнитного поля;

r - дальность до ионизированной зоны ионосферы;

С - скорость света;

t₁, t₂, - моменты времени, соответствующие задержкам сигнала, отраженного от передней и дальней границ ионизированной зоны, сравнение вычисленного значения электронной концентрации N_c(r) с эталонным значением электронной концентрации Nэ(r) и по результатам сравнения принятие решения о наличии и концентрации радиоактивных примесей в заданной области пространства, отличающийся тем, что перед вычислением электронной концентрации низкочастотное напряжение, пропорциональное измеряемой разности фаз Δϕ, сдвигают по фазе на 90°, исходное и сдвинутое по фазе на 90° низкочастотное напряжение последовательно дважды перемножают сами на себя, исходное и сдвинутое по фазе на 90° низкочастотные напряжения второй степени перемножают между собой с использованием масштабирующего коэффициента Км=6, вычитают полученное напряжение из исходного низкочастотного напряжения четвертой степени, суммируют полученное напряжение со сдвинутым по фазе на 90° низкочастотным напряжением четвертой степени, при этом электронную концентрацию N_c(r) определяют при Δϕ=4(ϕ₂-ϕ₁).