Способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы и устройство для его осуществления

 

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 (РП) в наблюдаемой зоне атмосферы, например, над атомной электростанцией. Сущность способа состоит в том, что необыкновенную компоненту отраженного сигнала преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с обыкновенной компонентной, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина, ограничивают его по амплитуде, измеряют разность фаз на этой частоте, вычисляют электронную концентрацию, сравнивают ее с эталонными значениями и по результатам сравнения принимают решения о наличии концентрации в заданной области ионосферы. Устройство для реализации этого способа состоит из блока синхронизации передатчика передающей антенны 3, приемных антенн 5, 6, приемников 7 и 8, ключа 9, перемножителя 13, блока временной задержки 4, смесителя 11, гетеродина 10, усилителя 12, узкополосного фильтра 14, амплитудного ограничителя 15, фазометра 16, вычислительного блока 17, блока сравнения 18, ключа 19, индикатора 20. Технический результат - повышение точности определения электронной концентрации в заданной области ионосферы. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

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 тонком 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 - 14].

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является патент РФ [12] . Электронную концентрацию в заданной области ионосферы по известному способу определяют путем формирования направленного импульсного излучения плоскополяризованной электромагнитной волны с несущей частотой f_с. 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 названия обыкновенной и необыкновенной волны, имеют круговую поляризацию. 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 обыкновенной и необыкновенной волн, находится из соотношения: SZ = 1/2(ϕ₂-ϕ₁) где ϕ₁,ϕ₂ - фазовые запаздывания обыкновенной (вращение плоскости поляризации по часовой стрелке) и необыкновенной (вращение плоскости поляризации против часовой стрелки) волн соответственно.

Однако в процессе некогерентного рассеяния ионизированной зоны атмосферы на результат измерения разности фаз оказывает влияние нестабильность амплитуды и несущей частоты отраженного сигнала.

Недостатком ближайшего аналога является низкая точность измерения концентрации электронов.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении точности определения электронной концентрации в заданной области ионосферы.

Сущность изобретения состоит в том, что необыкновенную компоненту отраженного сигнала преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с обыкновенной компонентой отраженного сигнала, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина, ограничивают его по амплитуде, измеряют разность фаз на этой частоте, вычисляют электронную концентрацию, сравнивают ее с эталонными значениями и по результатам сравнения принимают решения о наличии и концентрации радиоактивных примесей в заданной области ионосферы. Принцип определения наличия и концентрации радиоактивных примесей в заданной зоне ионосферы, например над атомной электростанцией, основан на том факте, что при выбросе радионуклидов происходит ионизация указанной зоны, т. е. резкое увеличение концентрации ионов и электронов. При этом степень концентрации ионов и электронов зависит от интенсивности радиоактивных выбросов.

Изобретение поясняется блок схемой, представленной на чертеже.

Блок синхронизации 1 формирует стабильные прямоугольные видеоимпульсы с известным периодом следования T_с и длительностью τ_н, которые периодически запускают передатчик 2. Последний формирует высокочастотный зондирующий сигнал с плоской поляризацией: U_c(t) = V_cCos(2πf_ct+ϕ_c), 0 ≅ t ≅ τ_n где V_с, f_c, ϕ_c,τ_n - 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: U₀(t) = V₀(t)Cos[2π(f_c±Δf)t+ϕ₁], U_н(t) = V_н(t)Cos[2π(f±Δf)t+ϕ₂], 0≅ t ≅ τ_n где индексы "О" и "H" относятся соответственно к обыкновенной и необыкновенной волнам: V_о(t), V_н(t) - огибающие обыкновенной и необыкновенной волн; ±Δf - нестабильность несущей частоты, обусловленной некогерентным рассеянием ионизированной среды.

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

Сигнал U_н(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) = V_гCos(2πf_гt+ϕ_г),
На выходе смесителя 11 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 12 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты.

U_пр(t) = V_пр(t)Cos[2π(f_пр±Δf)t+Δϕ_пр], 0 ≅ t ≅ τ_n
где V_пр(t) = (1/2)K₁·V_н(t)·V_г
K₁ - коэффициент передачи смесителя;
f_пр = f_с - f_г - промежуточная частота;
ϕ_пр= ϕ_с-ϕ_г;
которое поступает на второй вход перемножителя. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
U₁(t) = V₁(t)Cos[2πf_гt+ϕ_г+Δϕ], 0 ≅ t ≅ τ_n
где V₁(t) = (1/2)K₂·V_о(t)·V_пр(t);
K₂ -коэффициент передачи перемножителя;
Δϕ = ϕ₂-ϕ₁
которое выделяется узкополосным фильтром 14 и поступает на вход амплитудного ограничителя 15. На выходе последнего образуется напряжение
U₂(t) = V_огрCos[2π(f_гt+ϕ_г+Δϕ], 0 ≅ t ≅ τ_n
где V_огр - порог ограничения, который поступает на первый вход фазометра 16, на второй вход которого подается напряжение U_г(t) гетеродина 10. Измеренное значение разности фаз Δϕ = ϕ₂-ϕ₁ с выхода фазометра 16 поступает на вход вычислительного блока 17, где определяется электронная концентрация заданной зоны атмосферы по формуле

где M(г) - известная продольная составляющая геомагнитного поля;
r - дальность, до ионизированной зоны ионосферы;
C - скорость света;
Δϕ = ϕ₂-ϕ₁ - разность фаз между необыкновенной и обыкновенной компонентами отраженного сигнала;
t₁, t₂ - моменты времени, соответствующие задержкам сигнала, отраженного от передней и дальней границ ионизированной зоны.

В блоке сравнения 18 осуществляется сравнение вычисленной электронной концентрации N_э(r), которое является признаком присутствия в заданной зоне атмосферы радиоактивных примесей. При выполнении неравенства N_о(r) > N_э(r) в блоке сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 19, открывая его. В исходном состоянии ключ 19 всегда закрыт. При этом вычисленная электронная концентрация N_с(r) фиксируется в индикаторе 20.

Таким образом, наличие радиоактивных примесей и их концентрация в заданной зоне атмосферы оцениваются по разности фаз Δϕ между обыкновенной и необыкновенной составляющими отраженного сигнала, 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 области атмосферы.

Источники информации
1. Авторское свидетельство SU N 809020.

2. Авторское свидетельство SU N 836611.

3. Авторское свидетельство SU N 1027661.

4. Авторское свидетельство SU N 1107079.

5. Авторское свидетельство SU N 1111582.

6. Авторское свидетельство SU N 1128211.

7. Авторское свидетельство SU N 1146616.

8. Авторское свидетельство SU N 1608597.

9. Авторское свидетельство SU N 1661701.

10. Авторское свидетельство SU N 1679426.

11. Авторское свидетельство SU N 1688215.

12. Патент РФ N 2018872.

13. Патент РФ N 2020512.

14. Патент РФ N 2020513.

Формула изобретения

1. Способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы, включающий направленное импульсное излучение плоскополяризованной электромагнитной волны с несущей частотой f_c, прием обыкновенной и необыкновенной компонент сигнала некогерентного рассеяния ионосферы и вычисление электронной концентрации по формуле

где M (r) - известная продольная составляющая геомагнитного поля;
r - дальность;
C - скорость света;
Δϕ = ϕ₂-ϕ₁ - разность фаз между необыкновенной и обыкновенной компонентами отраженного сигнала;
t₁, t₂ - моменты времени, соответствующие задержкам сигнала, отраженного от передней и дальней границ ионизированной зоны, отличающийся тем, что необыкновенную компоненту отраженного сигнала преобразуют по частоте, выделяют напряжение промежуточной частоты, перемножают его с обыкновенной компонентой отраженного сигнала, выделяют гармоническое напряжение на стабильной частоте гетеродина f_r, ограничивают его по амплитуде, измеряют разность фаз Δϕ на стабильной частоте f_r гетеродина, сравнивают вычисленное значение электронной концентрации N_c(r) с эталонным значением электронной концентрации N_э(r) и по результатам сравнения принимают решение о наличии и концентрации радиоактивных примесей в заданной области ионосферы.

2. Устройство для определения электронной концентрации в заданной области ионосферы, включающее последовательно соединенные синхронизатор, передатчик и передающую антенну плоскополяризованной волны, последовательно соединенные первую приемную антенну, приемник обыкновенной волны, первый ключ, второй вход которого через блок временной задержки соединен с вторым выходом синхронизатора, и перемножитель, последовательно соединенные вторую приемную антенну и приемник необыкновенной волны, а также индикатор, отличающееся тем, что в него введены гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель, фазометр, вычислительный блок, второй ключ и блок сравнения, в котором осуществляется сравнение вычисленной электронной концентрации с эталонной, причем к выходу приемника необыкновенной волны подключены последовательно смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, перемножитель, узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель, фазометр, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина, вычислительный блок, блок сравнения, а также второй ключ и индикатор, при этом напряжение с блока сравнения поступает на управляющий вход второго ключа, вход которого соединен с выходом вычислительного блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1