Устройство для определения дальности до грозовых разрядов Советский патент 1985 года по МПК G01S13/95 

1

Изобретение относится к радиолокации, в частности к радиолокахщонной ме георологии, и может быть использовано в радиотехнических системах для определения расстояния до источников электромагнитного излучения в сверхдлинноволновом диапазоне, в частности для определения далности до грозовых разрядов.

Цель изобретения - повьшение точности измерения дальности до грозовых разрядов.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - структурная электрическая схема синхронизатора-5 на фиг. 3 - структурная электрическая схема элемента дифференциpoвaния на фиг. А - структурная электрическая схема первого формирователя прямоугольного импульсаJ на фиг. 5 - структурная электрическая схема блокавьщеления нулевых переходов; на фиг. 6 - зависимость фазы от расстояния.

Устройство содержит электрическую антенну I, широкополосный усилитель 2, первьй инвертор 3, эле мент 4 дифференцирования, синхронизатор 5, перйый элемент ИЛИ 6, первьй формирователь 7 прямоугольного импульса, первый триггер 8, первый элемент И 9, узкополосньй приемник Юз блок П вьщеления нулевых переходов, второй триггер 12, управляемый генератор 13 импульсов, второй формирователь 14 прямоугольного импульса, второй элемент ИЛИ 15, делитель 16 частоты, второй элемент И 17, второй инвертор 18, счетчик 19 импульсов, дешифратор 20, цифровой индикатор 21 и третий инвертор 22, при этом синхронизатор 5 содержит инвертор 23, .триггер 24 и управляемьй генератор 25 импульсов, а элемент 4 дифференцирования содержит дифференцирующую цепочку 26 и инвертор 27. Формирователь 7 .прямоугольного ш пульса содержит триггер 28, счетчик 29 импульсов и управляемый генератор 30, а 11 выделения нулевьо переходов содержит усилитель-ограничитель 31, дифференцирующую цепочку 32 и два инвертора 33 и 34,

Устройство работает следующим образом.

2

Широкополосный сигнал с выхода Электрической антенны 1 поступает на входы широкополосного усилителя 2 и узкополосного приемника 10, С выхода широкополосного усилителя 2 сигнал подается на вход первого инвертора 3 и на первьй вход первого элемента ИЛИ 6. Независимо от полярности исходного широкополосного

сигнала на выходе первого элемента

ИЛИ 6 формируется импульс, который .поступает навход синхронизатора 5. .Входной сигнал синхронизатора 5 инвертором 23 инвертируется и поступает на С-вход триггера 24. G выхода триггера 24 сигнал, соответствующий уровню логической единицы, поступа-. ет на вход управляемого генератора 25 импульсов. С выхода последнего

сигнал поступает на / -вход триггера 24 и устанавливает его в исходное состояние. При этом на обоих выходах формируются сигналы противоположной полярности (парафазный

выход ,которые поступают на выходы синхронизатора 5. Сигнал логической ; единицы с второго выхода синхронизатора 5 подается на первьй вход первого формирователя 7 прямоугольного импульса, а уровень логического нуля передается на входы элемента 4 дифференцированияj первого и второго формирователей 7 и 14 прямоугольного импульса, делителя 16

частоты и счетчика 19 импульсов. Этими уровнями синхронизируется работа перечисленных устройств. Таким образом, на выходах синхро-низатора 5 формируются импульсы,

передний фронт которых жестко связан с передним фронтом.широкополосного сигнала на выходе широкополосного усилителя 2.

Для формирования узкопОлосного

сигнала используется узкополосньй прие..шик 10, вход которого подключен к выходу электрической антенны 1. С выхода, уз кополосного приемника 10 сигнал постзшает на вход блока 11 выделения нулевых переходов, на вькоде последнего формируются парафазные сигналы, которые поступают на соответствующие входы первого и второго триггеров В и 12.

Передним фронтом импульса, жестко связанного с передним фронтом импульса широкополосного сигнала, с второго выхода синхронизатора 5 триг3

rep 28 в первом формирователе 7 прямоугольного импульса (фиг. 4) устанавливается в состояние логической единицы. Этим уровнем дается разрешение на работу управляемому генератору 30, с выхода которого импульсы поступают на вход счетчика 29 импульсов, работу которого синхронизирует сигнал с выхода синхронизатора 5..

При переполнении счетчика 29 импульсов на его выходе формируется сигнал, который поступает на R-вход триггера 28 и устанавливает его в исходное состояние. С инверсного выхода триггера 28 импульс поступает на выход первого формирователя

7прямоугольного импульса и далее на первьм вход первого триггера 8. Задним фронтом этого импульса первый триггер 8 опрокидь1вается и на его выходе устанавливается уровень логической единицы. Ближайший импульс, соответствующий нулевому переходу узкополосного сигнала с выхода блока 11 вьщеления нулевых переходов, устанавливает первый триггер 8 в исходное состояние. Таким образом на выходе первого триггера

8формируется прямоугольный импульс с длительностью, равной фазовому сдвигу между задним фронтом прямоугольного импульса на выходе первог формирователя 7 прямоугольного импульса и ближайшим импульсом нулевого перехода на выходе блока 11 выделения нулевых переходов..

Поскольку первый формирователь 7 прямоугольного импульса формирует сигнал с достаточно высокой стабильностью и передний. фронт этих импульсов жестко связан с передним фронтом синхронизирующего импульса с второго выхода синхронизатора 5, а последний формируется передним фронтом широкополосного сигнала излучения молний, принятого электрической антенной 1 и усиленного широкополосным усилителем 2, то можно считать, что измеряется фазовый сдвиг между задержанным на интервал времени t, передним фронтом широкополосного сигнала и нулевым переходом узкополосного сигнала ва pa6o4ei1; частоте приемника f. Второй триггер 12 контролирует сигнал на выходе блока вьщеления нулевых переходов. При отсутствии на

3224

первом входе импульсов второй триггер 2 остается в исходном состоянии, а на.его выходе сигнал соответствует уровню логического нуля. Этот уровень запрещает прохождение импульса с выхода первого триггера 8 через пос.ттедовательно соединенные первьт элемент И 9 и третий инвертор 22 на вход второго элемента НГШ 15 и второй формирователь 14 прямоугольного импульса. В другом случае, когда уровень узкополосного сигнала достаточен для обработки, то на выходе второго триггера 12 устанавливается уровень логической единицы и тем самым обеспечивается дальнейшая обработка импульса, соответствующего фазово- му сдвигу узкополосного сигнала относительно переднего фронта широкополосного сигнала.

В исходное состояние второй триггер 12 устанавливается коротким импульсом с выхода элемента 4 дифферейцирования, соответствующим заднему фронту синхронизирующего импульса, т.е. после завершения полной обработки сигналов и индикации показаний (фиг. 3). Передним фронтом импульса с выхода третьего инвертора 22 включается второй формирователь 14 прямоугольного импульса, на выходе которого формируется прямоугольный импульс длительноетью, равной половине периода рабочей частоты узкополосного приемника 10. С выхода второго формирователя 14 прямоугольного импульса сигнал поступает на вход

второго элемента ИЛИ 15, на первый вход которого поступает сигнал с выхода третьего инвертора 22, равньй фазовому сдвигу Ф. На выходе второго элемента ИЛИ 15 формируется сигнал, равный разности между входными сигналами. С выхода второго элемента ИЛИ I5 сигнал через второй инвертор I8 поступает на первый вход второго элемента И 17

и на вход управляемого генератора 13 импульсов. При наличии управляющего сигнала с выхода второго инвертора 18 управля емый генератор 13 импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы. С выхода управляемого генератора 13 импульсов импульсы через делитель 16 частоты и второй элемент И I7 поступают на счетчик 19 импульсов. Количество импульсов на счетчике I9 импульсов, с помощью дешифратора 20 вьшодится на. цифровой индикатор 21. Таким образом, на выходе первого триггера 8 формируется прямоугольньй импульс, прюпорциональный фазовому сдвигу. Ф и равный ) где f - рабочая частота узкополосного приемника, Гц; з«А время задержки переднего фронта широкополо.сного сигнала, равное длительности прямоугольного импул са на выходе первого форми рователя 7 прямоугольного импульса; tj, - время появления ближайшего импульса нулевого перехода отклика фильтра узкополосного приемника 10, мкс; te фаза, рад. Если отсчет времени вести от заднего фронта .импульса на выходе первого формирователя 7 прямоугольного импульса, то фазовый сдвиг равен Ф (2) где t - время между моментом уста новки первого триггера 8 в состояние логической единицы и моментом прихода ближайше1о импульса нулевого перехода, которым первый триггер 8 устанавливается в состояние логического нуля. В рамках дипольной модели источника излучения фаза ФЕ электрической составляющей определяется соотношением:Ф olrctf 3 где f - рабочая частота, Гц-, R - расстояние, м-, С - скорость света, м/с. Соотношение (3 ) можно преобразовать к виду ф,, . С) .(fR)(H7) где f - частота, кГц; R - расстояние, км. На фиг. 6 приведен график зависимости фазы от расстояния на частоте I кГц (кривая а ) и график зависимости F- Фр (кривая 5), вычисленные по формуле (4 ). График oi зависимости фазы от расстояния показывает, что фаза и пропорциональный ей временной сдвиг, равный длительности прямоугольного импульса на выходе первого триггера 8, помере увеличения расстояния уменьшается. График 6 показывает обратнуго зависимостьj по мере увеличекия расстояния фазовый сдвиг ф, а следовательно, и пропорциональный ему по длительности прямоугольный импульс, сформированный на выходе второго элемента ИЛИ 15, уменьшаются. Такое соотношение между длительностью прямоугольного импульса на выходе второго элемента ИЛИ 15 и расстоянием удобно для преобразования фазового (временного ) сдвига в расстояние, выраженное в км. Из графика 5 (фиг. 6 ) следует, что на удалениях 10-80 км фазовый сдвиг составляет 140 градусов или 390 мкс Так как на этом участке шкалы зависимость фазового сдвига от расстояния близка к линейной, то на временной интервал в 390 мкс должно приходиться 80 импульсов, что соответствует интервалу расстояния в 80 км. Тогда на выходе делителя 16 частоты интервал следования импульсов должен составлять 4,9 мкс, что соответствует частоте 200 кГц. При рабочей частоте генератора 1 мГц, коэффициент деления равен 5. На удалениях более 80 км зависимость фазового сдвига от расстояния становится нелинейной и применение такой схемы преобразования временкого интервала в расстояние нецелесообразно. Предлагаемое устройство обладает более высокими точностными характеристиками.

фиг. 1

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ, содержащее последовательно соединенные электрическую антенну и широкополо сньтй усилитель, а также блок вьщеления нулевых переходов и два триггера, отличающееся тем, что, с целью повьшения точное:ти измерения дальности до грозовых . разрядов, в него введены узкополосныйприемник, два инвертора, синхронизатор, элемент дифференцирования, два элемента И, третий инвертор., два элемента ИЛИ, делитель частоты, первый и второй формирователи прямоугольного импульса, управляемый генератор импульсов и последовательно соединенные счетчик импульсов , дешифратор и цифровой индикатор, при этом выход широкополосного усилителя подключен к первому входу первого элемента ИЛИ непосредственно, а к второму - через . первый инвертор, выход первого элемента ИЛИ подключен к входу синхронизатора, первьй и второй выходы которого подключены соответственно к первым входам элемента дифференцирования и первого формирователя прямоугольного импульса, второйвход которого соединен с первым выходом синхронизатора, А выход подключен к первому входу первого триггера, выход которого через последовательно соединенные первый элемент - И и третий инвертор подключен к первым входам второго элемента .ИЛИ и второго формирователя прямоугольного импульса, второй вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, а выход подключен к второму входу второго элемента ИЛИ, выход которого через последователь(Л но соединенные второй инвертор и второй .элемент И подклточен к первому входу счетчика импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, выход электрической антенны подключен черезузкополосный приемник к входу блока выделения нулевых переходов, первый и второй выходы которого подключены соответственно к второму входу первого триггера и первому входу второго триггера, второй вход которого соединен с выходом элемента дифференцирования, а выход подключен к второму ВХОДУ первого элемента И, выход второго инвертора через управляемый генератор импульсов подключен к первому входу делителя частоты, второй вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, а выход подключен к второму входу второго элемента И,

Вход

L.JJ

Фиг.

ФигЛ

,,град

500

т

по

100

60

X

20

оо 20 0 во 80 100

:LJ

Фиг.5

/

V

/

Лкм

фиг.6