Способ однопунктового определения расстояния до грозового разряда

 

Изобретение относится к радиотехническим средствам пассивной локации для определения дальности до источников импульсного электромагнитного излучения и может быть использовано для измерения дальности до источников грозовых разрядов на расстояниях 300-1500 км в метеорологии и в гражданской авиации для повышения безопасности полетов. Электромагнитный сигнал грозового разряда (атмосферик) принимается вертикальной штыревой электрической антенной, усиливается, фильтруется в широкой полосе частот, задерживается по времени, запоминается и обрабатывается параллельно в n каналах, при этом в каждом канале обработки осуществляется расчет базового луча, приводящего к минимальной невязке между исходным атмосфериком и суммой двух базовых лучей, интервал времени между которыми известен, а соотношение амплитуд определяется по форме атмосферика. Дальность, на которую настроен канал с минимальной невязкой, принимается за дальность до грозового разряда. Предлагаемый способ позволяет повысить точность и уменьшить время измерения дальности до грозового разряда. 4 ил.

Изобретение относится к радиотехническим средствам местоопределения источников электромагнитного излучения, в частности к способам пассивной дальнометрии источников электромагнитных сигналов, и может быть использовано в метеорологии и в гражданской авиации для оперативного наблюдения за грозовой деятельностью на расстояниях 300-1500 км.

Известен способ однопунктовой дальнометрии источников грозовых разрядов, реализованный в устройстве [1] Этот способ основан на использовании различной зависимости затухания спектральных составляющих электромагнитного сигнала от дальности до источника излучения и состоит в том, что принимает вертикальную электрическую компоненту поля грозового разряда и обрабатывает принятый сигнал параллельно в двух каналах, в первом из которых сигнал усиливают, фильтруют в широкой полосе частот, дифференцируют и определяют амплитуду полученного сигнала; во втором канале сигнал усиливают, фильтруют в широкой полосе частот, интегрируют и определяют амплитуду полученного сигнала; по полученной величине отношения этих сигналов определяют дальность до грозового разряда.

Недостатком этого способа является зависимость получаемых результатов от спектра сигнала в источнике, что приводит к существенной погрешности измерения дальности.

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 разности моментов прихода и соотношения амплитуд пространственного и земного лучей от дальности L до грозового разряда и состоит в том, что принимают сигнал грозового разряда атмосферик на всенаправленную электрическую антенну, усиливают его и фильтруют в широкой полосе частот, запоминают отфильтрованный сигнал на интервале времени, содержащем земной и пространственный лучи, обрабатывают запомненный сигнал в n параллельных каналах, каждый из которых соответствует фиксированной дальности до грозового разряда, при этом в каждом q-ом канале обработки (q 1-n) осуществляют проверку соответствия атмосферика этой градации дальности, для чего в канале устанавливают начальное значение базового луча на заданном интервале времени Т, образуют синтезированный сигнал, состоящий из лучей двух базовых лучей, интервал времени между которыми _q, а соотношение амплитуд K_q(с учетом знака), где _q и K_q ожидаемые значения соответственно задержки момента прихода и соотношения амплитуд пространственного и земного лучей, соответствующие q-й градации дальности L=L_q до грозового разряда, причем зависимости _q и K_q от L_q полагаются известными, последовательно уточняют базовый луч при изменении t от 0 до Т путем минимизации невязки интеграла от квадрата разности исходного атмосферика и синтезированного сигнала, циклически повторяют указанную процедуру уточнения базового луча заданное количество раз, вычисляют последнее из полученных при этом значений невязки и запоминает его, определяют градацию дальности, соответствующую минимальной из запомненных невязок, соответствующую этой градации дальность принимают за дальность до источника излучения.

Недостатком указанного способа является погрешность дальнометрии, вызванная неполной компенсацией атмосферника синтезированным сигналом из-за неконтролируемых флуктуаций величины коэффициента отражения пространственного луча от ионосферы и соответственно неточного значения ожидаемого соотношения амплитуд пространственного и земного лучей.

Целью настоящего изобретения является повышение точности оценки дальности до грозовых разрядов за счет определения в каждом канале обработки соотношения амплитуд пространственного и земного лучей по форме атмосферика.

Поставленная цель достигается тем, что в способе однопунктовой дальности грозового разряда, включающем прием вертикальной электрической компоненты атмосферика, усиление принятого сигнала, его фильтрацию в широкой полосе частот и параллельную проверку его соответствия каждой из n установленных градаций дальности до грозового разряда, для чего в каждом канале обработки, соответствующем установленной градации дальности, осуществляют обработку атмосферика, включающую образование начального значения базового луча на интервале времени 0-T, образование синтезированного сигнала как суммы двух базовых лучей, интервал времени между которыми равен ожидаемой для анализируемой градации дальности задержки прихода пространственного луча относительно земного луча, образование невязки интеграла от квадрата разности между исходным атмосфериком и синтезированным сигналом, последовательное уточнение базового луча при изменении t от 0 до T путем минимизации указанной невязки, циклическое повторение процедуры уточнения базового луча заданное количество раз, запоминание последней из вычисленных при этом невязок, сравнение n запомненных невязок, соответствующих n градациям дальности, по величине, определение градации дальности, соответствующей минимальной из указанных невязок, как дальности до грозового разряда, согласно изобретению в каждом канале обработки соотношение амплитуд К второго и первого базовых лучей, образующих синтезированный сигнал, устанавливают равным соотношению пространственного и земного лучей в атмосферике, причем величину К вычисляют перед каждым очередным циклическим уточнением базового луча путем минимизации невязки и используют полученное значение при последующих расчетах базового луча, синтезированного сигнала и невязки.

Новым в предложенном способе определения расстояния до грозового разряда по сравнению с прототипом является добавление в каждом из n каналов обработки в начале каждого шага в цикле вычисления невязки расчета по форме атмосферика соотношения амплитуд пространственного и земного лучей и его использование для расчета базового луча, синтезированного сигнала и невязки.

На фиг.1 представлена расчетная форма ночного атмосферика на расстоянии 500 км от излучателя (приведена в [3] рис.1.4.7.в).

На фиг.2 приведена зависимость нормированной обратной невязки V(L), полученной при обработке атмосферика, приведенного на фиг.1, с помощью предлагаемого способа.

На фиг. 3 представлена блок-схема устройства однопунктового определения расстояния до грозового разряда, где 1 электрическая антенна, 2 усилитель, 3 -фильтр, 4 блок задержки, 5 аналого-цифровой преобразователь, 6 - пороговый блок, 7 блок синхронизации, 8-10 n каналов обработки, 11 блок определения канала с минимальным выходным сигналом.

На фиг. 4 представлена блок-схема одного канала обработки, где 12 блок вычисления соотношения пространственного и земного лучей, 13 блок вычисления базового луча, 14 блок вычисления синтезированного сигнала, 15 блок вычисления невязки.

Сущность предлагаемого способа однопунктного определения расстояния до грозового разряда основана на представлении распространения атмосферика от излучателя к приемнику в волноводном канале Земля-ионосфера на расстояниях 300-1500 км в виде земного луча и пространственного (первого пространственного) луча [3] и на известной зависимости от дальности до излучателя разности моментов прихода этих лучей, определяемой по форме принятого атмосферика, с использованием соотношения амплитуд пространственного и земного лучей, также определяемого по форме атмосферика.

Земной луч распространяется от излучателя к приемнику кратчайшим путем по поверхности земли вдоль дуги большого круга и приходит в точку приема раньше, чем пространственный луч, отраженный от ионосферы.

На расстояниях 300<L<1800 км от излучателя первый пространственный луч подобен по форме земному лучу с противоположной полярностью [3] при этом принятый атмосферик Z(t) можно представить как сумму земного луча S_o(t) и пространственного луча K_oS_o (t) в виде Z(t) = S_o(t) + K_oS_o(t - _o), (1) где _o и K_o соответственно задержка прихода и соотношение амплитуд пространственного и земного лучей (K_o<O).

между моментами прихода земного и пространственного лучей связан с дальностью L соотношением где r= 6370 км радиус Земли; c=310⁵ км/с скорость распространения электромагнитного сигнала в свободном пространстве; h - эффективная высота нижней отражающей границы ионосферы, равная 67 км для дневных и 87 км для ночных условий распространения сигналов [3] Для определения по форме атмосферика величины и соответственно расстояния L до источника излучения согласно изобретению предлагается осуществлять следующую процедуру обработки атмосферика, состоящего из земного и пространственного лучей: весь диапазон дальностей от L=L_minдо L=L_max разбивается на n градаций дальности, причем q-ая (q=1-n) градация дальности соответствует дальности L_q до источника излучения и характеризуется известной ожидаемой разностью t(q) моментов прихода пространственного и земного лучей, при этом сигнал атмосферика проверяется на его соответствие каждой из n указанных градаций дальности и градация дальности, наиболее соответствующая принятому атмосферику, принимается за дальность до грозового разряда.

Для проверки соответствия атмосферика каждой q-ой (q=1-n) градации дальности в соответствующем q-ом канале обработки предлагается осуществлять следующую процедуру для исключения из расчета пространственных лучей второго и более высоких порядков (лучей, отразившихся от ионосферы два и более раза), учитывая, что интервал времени между вторым пространственным и земным лучами равен ₂(q) 4(q), длительность обрабатываемого атмосферика ограничим интервалом T_a= Min[(q) + T,4(q)], где T -максимальная ожидаемая длительность каждого из лучей по отдельности, откуда, обозначив ограниченный по времени атмосферик U(t), получаем На интервале времени 0tT образуем базовый луч S(t), а из него синтезированный сигнал F(t), аналогично правой части (1): F(t) = S(t) + KS(t - (q)), (4) образуем невязку между атмосфериком и синтезированным сигналом:

и, полагая, что S(t) и K заранее неизвестны, определим S(t) и K, минимизирующие величину W, для этого продифференцируем функцию W=W(S(t), K) по K и S(t) и приравняем нулю полученные значения, откуда получаем


Из (6), учитывая, что , определяем K:

Из (7) получаем S(t), зависящее как от значений атмосферика в точках t и t + (q), так и от значений базового луча в точках t - (q) и t + (q):

При обработке атмосферика на ЭВМ переходим к дискретному времени с шагом , при этом соотношения (8), (9) и (5) запишем в виде



где i = t/, j = (q)/, m = T_a/.
Решение системы уравнений (10)-(12) предлагается осуществлять следующим образом: для каждого текущего q, которому соответствует j=j(q), вначале задаем начальное значение базового луча, равное
S_i=0, (i=i-m), (13)
затем определяем K по формуле (10) и итерационно уточняем по формуле (11) при переборе i от 1 до m соответствующие значения S_i (i=1-m), используя при этом полученное K и вычисленные ранее значения S_i, циклически повторяем указанную процедуру вычисления K и уточненяем S_i(i-1-m) заданное количество раз (практически достаточным оказывается построить цикл пять раз R=5), по окончании указанных расчетов вычисляем по формуле (12) последнее значение невязки W и запоминаем его, затем переходим к следующему q и аналогично повторяем указанную процедуру расчета, по окончании перебора q определяем q= q₀, соответствующее минимальной невязке W(q), и, учитывая, что _o= j_o, определяем по формуле (2) дальность L до источника излучения.

На фиг. 1 представлена расчетная форма ночного атмосферика на расстоянии 500 км от излучателя (приведена в [3] рис.1.4.7.в).

На фиг. 2 приведена зависимость нормированной обратной невязки

от анализируемой дальности L, связанной с j соотношением (2) (j = /), полученная при обработке атмосферика, приведенного на фиг. 1, с помощью предлагаемого способа (для наглядности соседние ординаты графика соединены непрерывной линией). Как следует из приведенного графика, максимум V(L) (и соответственно минимум W(L)) наблюдается при L=540 км, что дает относительную погрешность оценки дальности анализируемого образца 8%
На фиг. 3 представлена блок-схема устройства однопунктового определения расстояния до грозового разряда, где 1 электрическая антенна, 2 усилитель, 3 -фильтр, 4 блок задержки, 5 -аналого-цифровой преобразователь, 6 -пороговый блок, 7 блок синхронизации, 8-10 n каналов обработки, 11 блок определения канала с минимальным выходным сигналом.

На фиг. 4 представлена блок-схема одного канала обработки, где 12 блок вычисления соотношения пространственных лучей, 13 блок вычисления базового луча, 14 блок вычисления синтезированного сигнала, 15 блок вычисления невязки.

Предлагаемый способ определения расстояния до грозового разряда включает следующую последовательность операций: принимают электромагнитный сигнал грозового разряда атмосферик на вертикальную электрическую антенну 1, усиливают его в усилителе 2, фильтруют в широкой полосе частот с помощью фильтра 3, задерживают по времени с помощью линии задержки 4, дискретизируют его с установленным шагом по времени с помощью аналого-цифрового преобразователя 5 и запоминают на интервале времени, содержащем земной и пространственный лучи, отфильтрованный сигнал, кроме того, сравнивают с пороговым уровнем в пороговом блоке 6 и в случае его превышения синхронизируют работу системы с помощью блока синхронизации 7, оцифрованный сигнал обрабатывают параллельно в n каналах (градациях дальности) 8-10 и по окончании обработки сигналы с выходов каналов обработки сравнивают по величине в блоке 11, градацию дальности, соответствующую минимальному выходному сигналу, принимают за дальность до грозового разряда, при этом в каждом канале обработки вычисляют соотношение амплитуд пространственного и земного лучей в блоке 12, образуют базовый луч в блоке 13, образуют синтезированный сигнал в блоке 14, образуют невязку в блоке 15.

При реализации предлагаемого способа дальнометрии могут быть использованы стандартные блоки, приведенные в [4] а в качестве блока определения канала с минимальным выходным сигналом устройство определения канала с максимальным выходным сигналом, приведенное в [5] с предварительным изменением полярности сигналов на его n входах.

Основные параметры системы устанавливаются следующими:
электрическая антенна 1 штыревая, длиной 3 м (действующая высота 1,5 м),
усилитель 2 переменного тока, широкополосный, линейный с регулируемым коэффициентом усиления 50-500,
входной фильтр 3 полосовой с полосой пропускания 2-35 кГц,
длительность линии задержки 4-30 мкс,
длительность базового луча T=120 мкс,
максимальная длительность обрабатываемого атмосферика Т_а равна 300 мкс для ночных и 230 мкс для дневных условий распространения,
АЦП 5 10-разрядное с шагом по времени = 1 мкс и памятью объемом 512 слов,
диапазон дальностей 300-1500 км,
относительное расхождение градаций дальностей, на которые настроены соседние каналы, 5% от средней дальности этих каналов
2(L_j+1-L_j)/(L_j+1+L_j) 0,05 (q=2-n),
количество градаций дальности n=35,
количество итераций уточнения базового луча R=5,
относительное количество грозовых разрядов в диапазоне дальности способа, допускающих измерение дальности до грозовых разрядов 50%
относительная погрешность оценки дальности в диапазоне дальностей способа не превосходит 10%
полное время обработки одного атмосферика на ЭВМ 386/75Х составляет несколько секунд.

Литература.

1. Авт.св. N 673945, кл. G 01S 9/60, 1979.

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

3. И.И.Кононов, И.А.Петренко, В.С.Снегуров. Радиотехнические методы местоопределения грозовых очагов. Л. Гидрометеоиздат, 1986.

4. Аналоговые цифровые интегральные микросхемы./ Под ред. С.В.Якубовского. М. Радио и связь, 1985.

5. Авт.св. N 1451609, кл. G 01R 19/04.

Формула изобретения

Способ однопунктового определения расстояния до грозового разряда, заключающийся в том, что принимают сигнал атмосферика, содержащий земной и пространственный сигналы, на вертикальную электрическую антенну, усиливают его, фильтруют в требуемой широкой полосе частот, образуя сигнал U(t), дискретизируют его по времени, запоминают и проверяют в n параллельных каналах обработки на соответствие атмосферика каждой из n заранее установленных градаций дальности L_q (q 1 n) до грозового разряда, для этого в каждом q-м канале обработки осуществляют обработку атмосферика на интервале времени О Т_а, где Т_а устанавливают заранее, состоящую в том, что образуют базовый сигнал S(t), причем начальное значение S(t) заранее устанавливается равным нулю, затем последовательно в каждый момент времени t oт 0 до T, где Т устанавливают заранее, уточняют S(t) по формуле

где (q) и K соответственно ожидаемые задержка прихода и соотношение амплитуд пространственного и земного сигналов, соответствующие дальности L L_q до источника излучения, причем (q) предполагается заранее известным, и циклически уточняют сигнал S(t) заданное число раз, по окончании цикла уточнения сигнала S(t) образуют синтезированный сигнал F(t) по правилу
F(t) = S(t) + KS(t - (q)),
и вычисляют невязку W_q между сигналом атмосферика U(t) и синтезированным сигналом по формуле

и запоминают полученное значение, по окончании расчетов невязок во всех n каналах обработки определяют канал обработки Q, которому соответствует минимальная невязка и соответствующую дальность L L_Q принимают за дальность до грозового разряда, отличающийся тем, что в каждом q-м канале обработки перед очередным циклом уточнением базового сигнала ожидаемое соотношение амплитуд K пространственного и земного сигналов уточняют по формуле

и используют полученное значение при последующих расчетах базового сигнала S(t), синтезированного сигнала F(t) и невязки W_q.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4