Способ определения дальности до источника грозового разряда

 

Использование: радиотехнические средства пассивной локации для определения дальности до источника импульсного электромагнитного излучения. Сущность изображения: электромагнитный сигнал грозового разряда (атмосферик) принимается вертикальной штыревой электрической антенной, усиливается, фильтруется в широкой полосе частот, задерживается по времени, обрабатывается параллельно в n каналах (градации дальности), каждый из которых настроен на фиксированную дальность до источника грозового разряда, путем определения в каждой градации дальности соответствия зарегистрированного атмосферика этой градации дальности, полученные при этом величины, характеризующие это соответствие, сравниваются между собой для всех градаций дальности, определяется градация дальности с максимальным значением этой величины, эта градация дальности принимается за дальность до источника грозового разряда. 5 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 2000 км.

Известен способ однопунктовой дальнометрии источников излучения 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 принимают вертикальную электрическую компоненту поля грозового разряда и обрабатывают 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 полу-ченной величине отношения этих сигналов определяют дальность до грозового разряда.

Недостатком этого способа является зависимость показаний индикатора дальности от спектра сигнала в источнике грозового разряда, что приводит к существенной погрешности измерения дальности.

Наиболее близким техническим решением к заявленному, принятым в качестве прототипа, является способ однопунктового определения дальности до удаленных источников импульсных электромагнитных сигналов, основанный на использовании зависимости от дальности временной задержки между земным и первым ионосферным лучами, реализованный в устройстве [2] Этот способ заключается в том, что принимают вертикальную электрическую составляющую грозового разряда, содержащую земной и первый ионосферный лучи, усиливают ее, фильтруют в широкой полосе частот, задерживают по времени, подают на пеpвый вход индикатора дальности, отфильтрованный сигнал также сравнивают с пороговым уровнем, при превышении порогового уровня вырабатывается одиночный пилообразный импульс для горизонтальной развертки луча на экране электронно-лучевой трубки индикатора, по изображению принятого сигнала на экране индикатора, ось времени которого отградуирована в единицах дальности до источника, визуально определяют запаздывание первого ионосферного луча относительно земного луча и таким образом определяют дальность до источника грозового разряда.

Недостатками данного способа являются низкая точность (около 20% от истинной дальности) и большое время измерения (около 10 с), связанные с визуальной оценкой дальности по изображению принятого сигнала на экране электронно-лучевой трубки.

Целью настоящего изобретения является повышение точности и уменьшение времени измерения дальности до источника грозового разряда.

На фиг. 1 представлены геометрические пути распространения земного луча (О), а также первого (ИС 1) и второго (ИС 2) ионо-сферных лучей.

На фиг.2 представлены теоретические ожидаемые оценки модуля соотношения амплитуд соответственно первого (А1, А2) и второго (А3, А4) ионосферных лучей относительно земного луча для дневных (А1, А3) и ночных (А2, А4) условий распространения сигналов.

На фиг.3 представлена временная форма реализации импульсного сигнала атмосферика, принятого с расстояния 2000 км при ночных условиях распространения.

На фиг. 4 представлена зависимость напряжений на выходах каналов обработки, соответствующих градациям дальности, при обработке сигнала, приведенного на фиг.3, описываемым способом.

На фиг.5 представлена блок-схема устройства однопунктовой дальнометрии: 1 электрическая антенна, 2 усилитель, 3 фильтр, 4 блок задержки, 5 пороговый блок, 6 блок синхронизации, 7-9 каналы обработки (градации дальности), 10 блок определения канала с максимальным уровнем выходного сигнала, 11 индикатор дальности.

Сущность предлагаемого способа основана на многолучевом распространении сигнала от излучателя к приемнику в волноводном канале Земля-ионосфера, в результате чего допустимо представление принятого сигнала атмосферика как суперпозиции в общем случае частично перекрывающихся земного и нескольких ионосферных лучей и использование зависимости от дальности до источника величины временных задержек и соотношения амплитуд между каждым из ионосферных лучей и земным лучом в принятом сигнале для измерения дальности до грозового разряда. На расстояниях 300-2000 км принятый сигнал атмосферика может быть записан в виде суперпозиции подобных по форме земного и ионосферных лучей: Z(t)S(t-τ_i)*K_i, (1) где S(t) земной луч, S(t- τ_i) * K_i i-ый ионосферный луч, τ_i временная задержка i-го ионосферного луча относительно земного луча в принятом сигнале атмосферика ( τ_o 0), а К_i соотношение амплитуд i-го ионосферного и земного лучей с учетом их полярностей (К_о 1).

Значения τ_i K_i (i=1÷q) являются функциями от L_o расстояния до грозового разряда, при этом задержку получаем с учетом сферичности Земли (фиг.1) как τ_i= 2i-L/C, (2) где R 6370 км радиус Земли; С 3.10⁵ км/сек скорость распространения электромагнитного сигнала; h эффективная высота нижней отражающей границы ионосферы, равная 67 км для дневных условий распространения и 87 км для ночных условий распространения сигналов.

Графики зависимостей К₁, К₂ (фиг.2) от дальности до грозового разряда получены из [3] и по экспериментальным данным.

Для определения дальности до источника грозового разряда, согласно изобретению, предлагается проверить принятый сигнал атмосферика на его соответствие каждой j=й (j 1-n) градации дальности, настроенной на дальность L L_j до источника излучения, при этом градация дальности j b, наиболее соответствующая принятому атмосферику, принимается за дальность до источника.

Для проверки такого соответствия в каждой градации дальности введен базовый луч U_j(t), приводящий к минимуму величину невязки W_j: W_j= Z(t)-V_j(t-τ_j,i)*K_j,iKdt, (3) полагая, что V_j(t) ≡ 0 при t≅0 и при t>T_o.

Подставляя в правую часть уравнения (3) функцию Z(t) из (1), получаем, что W_j 0 при одновременном выполнении условий V(t)=S(t), τ_j,i=τ_i, K_j,i=K_i. Откуда следует, что при j=b, где b-я градация дальности настроена на дальность L_b L_o, которой соответствуют значения τ_i и K_i (i 0 ÷ q), путем выбора соответствующей функции V(t) можно минимизировать функцию Wb, получая W_bmin W_min,min.

Для упрощения дальнейших вычислений представим Z(t) и V_j(t) в дискретных точках t_k с шагом Δ t, откуда получаем W_j= ΔtZ_j,k- V_j,k-r·K, (4) здесь и далее r r_j,i= τ_j,i/Δt, M T_o/ Δt, N T_q/Δt, причем V_{j, m}=o при m ≅0 и m > M.

Для определения V_j,m, приводящих к минимуму значение W_j, приравняем к нулю производные W_j по V_j,m при всех m 1-М, откуда получаем систему уравнений K_j,l·K_j,lV_j,m+r-u= K_j,i·Z_j,m+r, (5) где U τ_j, l/Δ t.

Перенеся V_j,m в левую сторону, получаем V_j,m= Z_j,m+r·K_j,i- K_j,l·K_ji·V (6) Так как для дальнометрии требуется знать только минимальные значения W_j,min (а не V_j,m), в дальнейшем для упрощения вычислений W_j,min производится последовательная итерационная оценка поправок V_j,k^(d) (d=1÷p) к значениям V_j,k, при этом при каждом значении m образуются новые значения = -K_j,i·V^(d)_j,K(i=0÷q). При этом на каждом шаге итерации невязка равна W_j= ΔtZ²_j,m
Так как при этом для всех m 1-M, в уравнении (6) имеем V_j,k+r-u^(d) 0, то получаем следующую процедуру действий: положим m 1, при фиксированном m оценка V_j,m^(d) равна
V^(d)_j,m KK²_j,i, Переходим к (q+1) новым значениям по правилу
= - V^(d)_j,r·K_j,i(i=0÷q).

Повторяем указанную процедуру определения оценок V_j,m^(d) и для последующих значений m 2, 3,M, а затем, снова повторяя всю итерационную процедуру, начиная с m=1 до m=M всего р раз, где практически достаточным оказывается ограничиться р=4, после чего остаточное значение W_j перестает уменьшаться, в результате получаем минимальное значение W_j,min.

Переходя снова к случаю непрерывного t, получаем следующую процедуру действий: в первом цикле вычисления (d 1) непрерывно вычисляем V_j^(d)(t) как
V⁽_j^d)(t) Kt+K²_j,i, которую в каждый момент времени по ее получении, сдвинув ее (q+1) раз на интервалы времени τ_j,i и домножив соответственно на K_j,i (i=0÷q), вычитаем из соответствующих значений (t+τ_j,i), переходя при этом к новым значениям по правилу
(t+τ_j,i) (t+τ_j,i)-K_j,iV⁽_j^d)(t+τ_j,i) (i= 0÷q). Указанная процедура пpоизводится при непрерывном изменении от 0 до Т_о и затем итерационно повторяется всего р раз (d 1÷p).

Получающиеся при этом значения Y_j 1/W_j,min(j=1÷n) представляют собой показатели соответствия принятого сигнала атмосферика j-ой градации дальности. Значения Y_j сравниваются между собой, и дальность L_b, соответствующая градации дальности j=b, обладающей максимальным выходным сигналом Y_b=Y_max= 1/W_b,min= 1/W_min,min, принимается за дальность до грозового разряда.

На фиг. 3 представлена временная форма атмосферика, на которой видны земной и два первых ионосферных луча.

На фиг. 4 представлен график зависимости величин Y_j от соответствующих дальностей L_j(j 1÷n). График получен в результате цифровой обработки сигнала, изображенного на фиг.3, в соответствии с предлагаемым способом. (Для наглядности соседние ординаты на графике соединены непрерывной линией). Как видно из приведенного графика, максимальное значение выходного напряжения Y_max=1/W_min,min каналов обработки наблюдалось при L 1900 км.

Способ однопунктового определения дальности до источника грозового разряда может быть реализован в устройстве, блок-схема которого приведена на фиг.5.

Предлагаемый способ дальнометрии включает следующую последовательность операций: а) принимают сигнал грозового разряда, состоящий из земного и q ионо-сферных лучей, на всенаправленную электрическую антенну 1, б) усиливают его в усилителе 2, в) фильтpуют в широкой полосе частот с помощью фильтра 3, г) задерживают его по времени в блоке задержки 4, д) осуществляют параллельную n-канальную обработку анализируемого сигнала в каналах обработки (градациях дальности) 7-9, при которой в каждом j-м (j=1÷n) канале: е) образуют последовательно в каждый момент времени t на интервале (0 + T_o) значение вспомогательного сигнала как взвешенную среднюю величину из ожидаемых значений лучей в анализируемом сигнале при ожидаемой дальности L_j до источника грозового разряда, ж) образуют q+1 значение синтезированного сигнала путем (q+1)-кратного сдвига по времени значения вспомогательного сигнала на заранее установленные интервалы времени и домножение каждого сдвинутого сигнала на заранее установленные коэффициенты, з) пере- ходят к новым значениям анализируемого сигнала путем вычитания в (q+1) моментах времени из значений анализируемого сигнала полученных значений синтезированного сигнала, и) повторяют р раз процедуры по п.п. е-з, к) вычисляют энергию результирующего анализируемого сигнала на заранее установленном интервале времени, л) в блоке 10 определяют градацию дальности, соответствующую минимальной энергии остаточного результирующего сигнала, м) эту градацию дальности принимают за дальность до грозового разряда и выводят на индикатор 11.

При реализации предлагаемого способа дальнометрии блока установлено:
полоса пропускания входного фильтра 5-35 кГц,
длительность Т_о равна 140 мкс,
полная длительность интервала обработки сигнала устанавливалась 700 мкс, используемое количество ионосферных лучей составляет при этом: q 2 ночью при L_o300 км, q 5 днем при L_o 1500 км,
время задержки сигнала в линии задержки составляет 70 мкс,
относительное расхождение градаций дальностей, на которые настроены соседние градации, составляeт ≈5% от средней дальности этих каналов 2 (L_j+1-L_j)/(L_j+1+L_j) ≃0,05 (j 2 + n), что приводит при L₁L_min 300 км и L_n= L_max 2000 км к n=40,
определение номера градации дальности, обладающей максимальным выходным сигналом, осуществляется по способу, изложенному в [4]
При этом в диапазоне дальностей 300-2000 км было получено, что относительная погрешность оценки дальности во всем диапазоне дальностей не превосходит 10% время измерения дальности до источника одного атмосферика не превосходит 100 мс.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ИСТОЧНИКА ГРОЗОВОГО РАЗРЯДА, заключающийся в том, что принимают сигнал грозового разряда, содержащий вертикальную электрическую составляющую, состоящую из земного и q ионосферных лучей, на всенаправленную электрическую антенну, усиливают принятый сигнал, фильтруют в широкой полосе частот и задерживают по времени, формируя сигнал Z(t), причем отфильтрованный сигнал сравнивают с пороговым уровнем и при его превышении определяют деятельность L до источника грозового разряда, отличающийся тем, что задержанный сигнал Z(t) обрабатывают в n параллельных каналах дальности, соответствующих n градациям дальности, при этом в каждой j-й (j 1 n) градации дальности формируют и запоминают вспомогательный сигнал Z_j (t) Z (t), затем последовательно в каждый момент времени t на интервал (t 0 T_о), где T_о ожидаемая длительность каждого из лучей, формируют сигнал Q_j (t):

где τ_j,i и K_j,i соответственно известные заранее интервал времени и соотношение амплитуд (с учетом их полярностей) между i-м ионосферным (i 1 q) и земным лучом (τ_j,o=0), (K_j,o 1), при дальности до источника грозового разряда, соответствующей j-й градации дальности L L_j, затем полученный сигнал Q_j (t) сдвигают (q + 1) раз на интервалы времени соответственно τ_j,i(i=0-q), умножают полученные значения на соответствующие коэффициенты K_j,k и вычитают полученные при этом величины из соответствующих значений Z_j (t) по формуле
Z_j(t+τ_j,i)-K_j,i·Q_j(t) ⇒ Z_j(t+τ_j,i),
повторяют указанную последовательность обработки p раз, используя каждый раз в качестве начального (при t 0) полученный в предыдущем измерении сигнал Z_j (t), сформированный сигнал возводят в квадрат, интегрируют на заданном интервале времени 0 T_q, включающем в себя земной и q ионосферных лучей, вычисляют обратную величину этого интервала:

запоминают его, определяют из всех n каналов градации дальности тот, у которого величина V_j максимальная, и дальность, соответствующую этой градации, принимают за дальность до источника анализируемого грозового разряда.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5