Устройство для определения состояния атмосферы

 

Изобретение относится к радиолокационной метеорологии и может быть использовано для определения состояния атмосферы. Достигаемый технический результат - возможность обнаружения в атмосфере газовых примесей. Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор, передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну с блоком управления, подключенные к выходу циркулятора, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления коэффициента автокорреляции временной последовательности принятых отраженных радиолокационных сигналов, блок пороговой селекции по значению коэффициента автокорреляции, блок представления информации, связанный по второму входу с выходом блока вычисления коэффициента автокорреляции, в свою очередь связанного с блоком памяти и блоком управления, подключенным к антенне, выход которой заведен на циркулятор, а синхронизатор своим выходом связан также с блоком стробирования, что позволяет реализовать необходимые технические характеристики устройства. 1 ил.

Изобретение относится к радиолокационной метеорологии и может быть использовано для определения наличия в атмосфере загрязняющих примесей, как химических, так и радиоактивных, в том числе газовых.

Известно устройство для определения состояния атмосферы, в частности для измерения интенсивности дождя, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенный переключатель (циркулятор), антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор (аналого-цифровой преобразователь), интегратор, вычислитель, механический поляризатор в виде вращающейся секции круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой, и последовательно соединенный блок управления поляризатором и исполнительный механизм, см. авт. свид. СССР N 1128211, кл. G 01 S 13/95, опубл. 1984 г.

Это устройство позволяет обнаруживать различные метеоцели, однако с его помощью невозможно определить наличие радиоактивных и химических примесей в атмосфере.

Известно устройство для определения состояния атмосферы, содержащее последовательно соединенные передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну с блоком управления, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, интегратор и вычислитель, поляризатор, связанный с ним блок управления поляризатором, а также блок представления информации - монитор, первый вход приемника подключен ко второму выходу циркулятора, выход генератора стандартных сигналов подключен ко второму входу приемника; в устройстве имеется блок синхронизации, один выход которого подключен ко второму входу блока стробирования, а третий выход подключен ко входу блока запуска передатчика, см. патент РФ N 2054695 по кл. G 01 S 13/95 от 26.11.93 г.

Это устройство принято за прототип настоящего изобретения. Оно обеспечивает количественную оценку степени загрязнения определенного объема атмосферы. Однако следует отметить, что устройство эффективно обнаруживает только такие примеси в атмосфере, в частности радиоактивные, которые обладают отражательной способностью, резко отличающейся от отражательной способности чистой атмосферы и естественных гидрометеоров (дождь, снег, град, и т.д.). Вместе с тем, оно не решает задачу эффективного обнаружения веществ, отражательная способность которых мало отличается от отражательной способности чистой атмосферы и естественных гидрометеоров. К таким веществам относятся, например, газы, транспортируемые по магистральным трубопроводам, пары бензина и других легких фракций нефти.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания устройства для определения состояния атмосферы на предмет наличия в ней загрязняющих примесей, обеспечивающего обнаружение в атмосфере веществ, отражательная способность которых мало отличается от отражательной способности чистой атмосферы и естественных гидрометеоров, например газов, транспортируемых по магистральным трубопроводам, паров нефтепродуктов и т.п.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в устройстве для определения состояния атмосферы, содержащем последовательно соединенные передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну с блоком управления, последовательно соединенные приемник, стробирования, аналого-цифровой преобразователь, а также блок представления информации, вход приемника подключен ко второму выходу циркулятора, дополнительно введены блок синхронизации, блок вычисления коэффициента автокорреляции временной последовательности принятых отраженных сигналов, снабженный блоком памяти, и блок пороговой селекции сигналов по значению коэффициента автокорреляции, при этом первый выход блока синхронизации подключен к блоку запуска передатчика, второй выход блока синхронизации подключен ко второму входу блока стробирования, вход блока вычисления коэффициента автокорреляции соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход этого блока соединен со вторым выходом блока управления антенной, первый выход блока вычисления коэффициента автокорреляции соединен со входом блока памяти, выход которого соединен с третьим входом блока вычисления коэффициента автокорреляции, второй выход которого соединен со входом блока пороговой селекции сигналов, выход которого соединен с первым входом блока представления информации, а третий выход блока вычисления коэффициента автокорреляции соединен со вторым входом блока представления информации.

Заявителю неизвестны какие-либо источники информации, содержащие сведения о техническом решении, идентичном признакам, приведенным в отличительной части формулы изобретения. Это определяет, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию "новизна".

Первичный (технический) эффект заявленного устройства, достигаемый благодаря реализации его отличий (в совокупности с признаками, указанными в ограничительной части формулы изобретения), состоит в возможности обнаружения в атмосфере газовых примесей, отражательная способность которых мало отличается от отражательной способности чистой атмосферы и естественных гидрометеоров. В процессе перемешивания газовых примесей в условиях естественной турбулентности атмосферы происходит образование в облаке множества элементарных отражателей, распределенных в пространстве хаотически на расстоянии друг от друга, равном приблизительно 0,5 длины волны радиолокатора. При взаимном перемещении этих отражателей происходят флуктуации суммарного отраженного от наблюдаемой зоны радиолокационного сигнала. Скорости флуктуаций при наличии газовых примесей в атмосфере значительно больше скоростей флуктуации при наличии обычных гидрометеоров или чистой атмосферы. Количественно эти скорости оцениваются путем определения коэффициента автокорреляции временной последовательности принятых отраженных радиолокационных сигналов. При этом, чем больше скорость флуктуации, тем меньше коэффициент автокорреляции, граничное значение которого задано в блоке пороговой селекции.

Таким образом, в основу данного изобретения положен новый принцип обнаружения газовых примесей в атмосфере.

Указанные обстоятельства обусловливают, по нашему мнению, соответствие заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена блок-схема устройства.

Устройство содержит передатчик 1, имеющий блок 2 запуска. Выход передатчика 1 соединен с первым входом циркулятора 3, связанного первым выходом с первым входом приемопередающей антенны 4. Выход антенны 4 соединен со вторым входом циркулятора 3. Антенна 4 снабжена блоком 5 управления. Угловое положение антенны 4 задается электрическим сигналом, поступающим к ее приводу (на чертеже отдельно не показан) с первого выхода блока 5. Второй выход циркулятора 3 соединен со входом приемника 6. Выход приемника 6 соединен с первым входом блока 7 стробирования, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 8. Устройство содержит блок 9 синхронизации, первый выход которого соединен со входом блока 2 запуска передатчика. Второй выход блока 9 соединен со вторым входом блока 7 стробирования.

Выход аналого-цифрового преобразователя 8 соединен с первым входом блока 10 вычисления коэффициента автокорреляции временной последовательности принятых отраженных радиолокационных сигналов, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 5 управления антенной. Блок 10 снабжен блоком 11 памяти, вход которого связан с первым выходом блока 10, а выход соединен с третьим входом блока 10. Второй выход блока 10 соединен со входом блока 12 пороговой селекции, выход которого соединен с первым входом блока 13 представления информации, второй вход которого подключен к третьему входу блока 10.

В конкретном примере реализации изобретения блоки 10, 11 и 12 представляют собой элементы персонального компьютера, а блок 13 - монитор.

Устройство работает следующим образом. Электрический сигнал с первого выхода блока 9 синхронизации подается на блок 2 запуска передатчика 1. Высокочастотный зондирующий сигнал с выхода передатчика 1 поступает на первый вход циркулятора 3 и с первого выхода циркулятора 3 подается на первый вход антенны 4. Угловое положение антенны задается электрическим сигналом, поступающим с первого выхода блока 5 управления антенной. Антенна 4 излучает радиолокационные импульсы в обследуемую зону атмосферы. Отраженные от этой зоны сигналы принимаются антенной 4 и поступают на второй вход циркулятора 3 и со второго выхода циркулятора 3 - на вход приемника 6. С выхода приемника 6 принятый и усиленный сигнал поступает на первый вход блока 7 стробирования. На второй вход блока 7 стробирования с некоторой задержкой подается сигнал со второго выхода блока 9 синхронизации. Благодаря этому обеспечивается селекция по дальности сигналов, отраженных от наблюдаемого участка атмосферы. С выхода блока 7 стробирования отселектированные сигналы поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 8, с выхода которого сигналы в цифровой форме подаются на первый вход блока 10 вычисления коэффициента автокорреляции временной последовательности принятых отраженных радиолокационных сигналов (отселектированных по дальности и оцифрованных). Операция вычисления коэффициента автокорреляции осуществляется следующим образом. Вся последовательность сигналов с первого выхода блока 10 поступает на вход блока 11 памяти. Задержанные в блоке 11 на различные интервалы времени сигналы поступают на третий вход блока 10 вычисления коэффициента автокорреляции. Сформированный в этом блоке цифровой сигнал, пропорциональный коэффициенту автокорреляции временной последовательности радиолокационных сигналов, отраженных от зондируемой области атмосферы, поступает со второго выхода блока 10 вычисления коэффициента автокорреляции на вход блока 12 пороговой селекции. Сигналы, соответствующие достаточно малому значению коэффициента автокорреляции, задаваемому величиной порога в блоке 12 пороговой селекции, проходят на выход этого блока и поступают на первый вход блока 13 представления информации. Привязка сигналов, наблюдаемых с помощью блока 13 представления информации, к пространственному положению антенны 4 производится путем подачи электрического сигнала от блока 5 управления антенной на второй вход блока 10 вычисления коэффициента автокорреляции. С третьего выхода этого блока цифровые сигналы, соответствующие угловому положению антенны в моменты вычисления значений коэффициента автокорреляции сигналов, отраженных от зондируемого участка атмосферы, поступают на второй вход блока 13 представления информации.

Для осуществления селекции содержащихся в атмосфере примесей (метан, пропан, бутан и т.п.) проводят калибровку устройства. Предварительно экспериментальным путем определяют значения коэффициентов автокорреляции радиолокационных сигналов от зон атмосферы, удаленных на различные расстояния от устройства. При этом на заданных расстояниях осуществляют выпуск в атмосферу с заданной скоростью каждого газа в отдельности или смеси нескольких газов в определенной пропорции. В конкретном примере реализации устройства такая калибровка осуществлялась с помощью отградуированных вентилей, входящих в конструкцию магистральных газопроводов и газоперекачивающих станций. Полученная калибровочная кривая вводится в блок 10 вычислителя коэффициента автокорреляции, выходные сигналы которого с поправкой на дальность обеспечивают представление информации о составе газового выброса и его интенсивности на экране блока 13 представления информации. В конкретном примере применена индикация с использованием псевдоцветов.

Реализация устройства осуществляется с использованием известной элементной базы. Погрешность определения скорости выхода газов в атмосферу на дистанциях до 10 км составляет 3% при средней скорости выхода порядка 2 м³/мин и 30% - при скорости выхода менее 0,05 м³/мин.

Формула изобретения

Устройство для определения состояния атмосферы, содержащее последовательно соединенные передатчик с блоком запуска, циркулятор и антенну с блоком управления, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, а также блок представления информации, вход приемника подключен ко второму выходу циркулятора, отличающееся тем, что введены блок синхронизации, блок вычисления коэффициента автокорреляции временной последовательности принятых отраженных сигналов, снабженный блоком памяти, и блок пороговой селекции сигналов по значению коэффициента автокорреляции, при этом первый выход блока синхронизации подключен к блоку запуска передатчика, второй выход блока синхронизации подключен к второму входу блока стробирования, первый вход блока вычисления коэффициента автокорреляции соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, второй вход этого блока соединен с вторым выходом блока управления антенной, первый выход блока вычисления коэффициента автокорреляции соединен с входом блока памяти, выход которого соединен с третьим входом блока вычисления коэффициента автокорреляции, второй выход которого соединен с входом блока пороговой селекции сигналов, выход которого соединен с первым входом блока представления информации, а третий выход блока вычисления коэффициента автокорреляции соединен с вторым входом блока представления информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1