способ местоопределения грозовых разрядов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

Способ местоопределения грозовых разрядов, заключающийся в том, что принимают электромагнитный сигнал грозового разряда - атмосферик на вертикальную электрическую антенну, усиливают принятый сигнал, фильтруют в требуемой широкой полосе частот и определяют момент t₁ его прихода, кроме того, принимают акустический сигнал грозового разряда с помощью всенаправленного приемника акустического сигнала, усиливают принятый сигнал U₁ (t), фильтруют в требуемой широкой полосе частот и определяют момент T₁ его прихода, по полученной разности t = T₁-t₁ вычисляют дальность R до грозового разряда

R = vt,

где v= 330 м/с - скорость распространения акустического сигнала в воздухе,

определяют азимутальный угол на грозовой разряд, отличающийся тем, что осуществляют узконаправленный прием акустического сигнала грозового разряда с направления прихода электромагнитного сигнала грозового разряда, для чего акустический сигнал грозового разряда принимают, кроме того, на N-1 (N3) территориально разнесенных приемников акустического сигнала, полученные при этом сигналы U_i(t) усиливают и фильтруют в требуемой широкой полосе частот, кроме того, осуществляют прием ортогональных горизонтальных магнитных составляющих атмосферика с помощью двух направленных рамочных антенн, полученные с выходов рамочных антенн сигналы интегрируют, усиливают, фильтруют в требуемой широкой полосе частот и совместно с сигналом с выхода электрической антенны используют для вычисления азимутального угла на грозовой разряд, полученное значение используют также для вычисления _ki - ожидаемых задержек прихода акустического сигнала грозового разряда на k-й приемник акустического сигнала, расположенный на наибольшем расстоянии от источника излучения относительно остальных приемников акустического сигнала



_ik = arctg(x_ik/y_ik) - азимутальный угол, на котором виден i-й приемник акустического сигнала из пункта расположения k-го приемника акустического сигнала, x_ik и y_ik - расстояния между i-м и k-м приемниками соответственно вдоль долготы и вдоль широты в метрической системе, при этом задерживают каждый сигнал U_i(t) на время _ik, образуя сигнал U_i(t-_ik) (i= 1-N), полученные сигналы суммируют, образуя сигнал U_s(t), определяют момент T₁ его прихода и запаздывание t₁ = T₁-t₁ относительно момента t₁, используют полученное значение для вычисления дальности до грозового разряда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пассивным средствам местоопределения грозовых разрядов и может быть использовано для оперативного наблюдения за грозовыми разрядами облако-земля на расстояниях до 15 км в системе защиты ЛЭП и в гражданской авиации.

Известны способ местоопределения грозового разряда и устройство для его осуществления, реализованные в [1] . Этот способ основан на использовании зависимости соотношения амплитуд ортогональных магнитных составляющих электромагнитного сигнала грозового разряда - атмосферика от азимутального угла на источник излучения и на использовании зависимости амплитуды атмосферика от дальности до грозового разряда и заключается в том. что принимают СДВ электромагнитный сигнал грозового разряда на всенаправленную электрическую антенну и на две направленные горизонтальные ортогонально ориентированные магнитные антенны, предварительно интегрируют магнитные составляющие, усиливают все три составляющие в широкой полосе частот, определяют амплитуду электрической составляющей и используют ее для определения дальности до грозового разряда, определяют соотношение магнитных составляющих и используют его совместно с электрической составляющей для определения азимутального угла на грозовой разряд.

Устройство для осуществления этого способа состоит из вертикальной электрической и двух горизонтальных, ортогонально ориентированных магнитных антенн, трех усилителей, трех широкополосных полосовых фильтров, пяти интеграторов, двух делителей, сумматора, решающего блока и блока синхронизации.

Недостатком указанного способа и устройства является существенная погрешность дальнометрии. вызванная большим разбросом амплитуд электромагнитных сигналов грозовых разрядов.

Наиболее близким к заявленному техническим решением, принятым в качестве прототипа, являются способ и устройство регистрации грозовых разрядов, реализованные в [2]. Этот способ основан на приеме светового излучения грозового разряда - молнии в нескольких заданных секторах и принятии сектора с наибольшим световым излучением за сектор с грозовым разрядом, а также на приеме атмосферика и акустического сигнала грозового разряда и использовании разности моментов их прихода для определения дальности до грозового разряда и состоит в том, что 1) с помощью N (N1) направленных оптических приемников принимают световое излучение в N секторах, 2) усиливают полученные сигналы и 3) фильтруют их в заданной широкой полосе частот, 4) определяют амплитуду максимального из указанных сигналов и соответствующий ему сектор, кроме того, 5) с помощью всенаправленной электрической антенны принимают электромагнитный сигнал грозового разряда, 6) усиливают его, 7) фильтруют в заданной широкой полосе частот и 8) определяют момент его прихода, а также 9) с помощью всенаправленного микрофона принимают акустический сигнал грозового разряда, 10) усиливают его, 11) фильтруют в заданной широкой полосе частот и 12) определяют момент его прихода, при этом 13) сравнивают максимальный световой сигнал, атмосферик и акустический сигнал с соответствующими пороговыми уровнями и, в случае, если все три указанные уровня превзойдены, 14) принимают сектор с максимальным световым сигналом, за сектор, содержащий грозовой разряд, 15) по разности моментов прихода атмосферика и акустического сигнала определяют дальность до источника излучения, получая, тем самым. местоположение грозового разряда в полярной системе координат.

Устройство для осуществления этого способа состоит из N (N1) направленных оптических приемников, вертикально ориентированной всенаправленной электрической антенны, всенаправленного микрофона. (N+2)-x усилителей, (N+2)-x полосовых фильтров, двух детекторов, блока согласования, имеющего N входов и один выход, трех пороговых блоков, триггера, имеющего три входа и один выход, блока совпадений, имеющего три входа и один выход, блока синхронизации, имеющего один вход и четыре выхода, а также из первого решающего блока для определения азимутального угла на грозовой разряд, имеющего N+1 вход и один выход, второго решающего блока для определения дальности до грозового разряда, имеющего два входа и один выход, и третьего решающего блока для определения канала с максимальным световым сигналом, имеющего N+1 вход и N выходов.

Указанные блоки соединены следующим образом: выход каждого оптического приемника через последовательно соединенные усилитель и фильтр соединен с соответствующим входом третьего решающего блока, каждый выход которого соединен параллельно с соответствующим входом первого решающего блока и с соответствующим входом блока согласования, выход которого через первый пороговый блок соединен с первым входом блока совпадений, выход которого соединен с входом блока синхронизации, при этом выход электрической антенны через последовательно соединенные усилитель, фильтр, первый детектор и второй пороговый блок соединен с первым входом триггера, а выход микрофона через последовательно соединенные усилитель, фильтр, второй детектор и третий пороговый блок соединен с вторым входом триггера, выход которого соединен с первым входом второго решающего блока, при этом первый, второй, третий и четвертый выходы блока синхронизации соединены соответственно с (N+1)-м входом третьего решающего блока, с (N+1)-м входом первого решающего блока, с третьим входом триггера и с вторым входом второго решающего блока.

Недостатком указанных способа и устройства является недостаточная дальность действия из-за малости акустического сигнала на дальности свыше 10 км, что приводит к появлению грубых ошибок местоопределения, вызванных использованием электрического и акустического сигналов от разных грозовых разрядов и превышающих ошибки, вызванные неточным определением моментов прихода этих сигналов.

Целью настоящего изобретения является увеличение дальности действия и уменьшение грубых ошибок местоопределения грозовых разрядов путем применения нескольких территориально разнесенных приемников акустического сигнала и организации их направленности за счет использования азимутального угла на грозовой разряд. вычисленного по электромагнитному сигналу.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе местоопределения грозовых разрядов, включающем прием электрического сигнала грозового разряда - атмосферика и акустического сигнала - грома системой, состоящей из всенаправленной вертикальной электрической антенны и всенаправленного приемника акустического сигнала, при этом включающем усиление принятого электрического сигнала, его фильтрацию в требуемой широкой полосе частот. определение момента t₁ его прихода, кроме того, включающем усиление сигнала с выхода приемника акустического сигнала, его фильтрацию в требуемой широкой полосе частот, вычисление дальности до грозового разряда по разности t моментов прихода акустического и электромагнитного сигналов, а также включающем определение азимутального угла на грозовой разряд, согласно изобретению осуществляют прием акустического сигнала с направления прихода электромагнитного сигнала, для чего дополнительно осуществляют прием акустического сигнала на N-1 (N3) территориально разненных приемников акустического сигнала, полученные при этом сигналы усиливают и фильтруют, кроме того, осуществляют прием ортогональных горизонтальных магнитных составляющих атмосферика с помощью двух направленных рамочных антенн, полученные с выходов рамочных антенн сигналы интегрируют, усиливают, фильтруют в требуемой широкой полосе частот и совместно с сигналом с выхода фильтра электрической антенны используют для вычисления азимутального угла на грозовой разряд, значение используют также для вычисления _ki - ожидаемых задержек прихода акустического сигнала U_k(t) на k-ый приемник акустического сигнала, расположенный на наибольшем расстоянии от источника излучения, относительно остальных приемников акустического сигнала, задерживают каждый сигнал U_i(t) на соответствующее время _ki, образуя сигнал U_i(t-_ki) (i=1-N), полученные сигналы суммируют, образуя сигнал U_s(t). определяют момент Т₁ прихода этого сигнала и определяют его запаздывание t = T₁-t₁ относительно момента t₁.

Новым в предложенном способе местоопределения грозовых разрядов по сравнению с прототипом является использование нескольких территориально разнесенных по поверхности приемников акустического сигнала, определение азимутального угла на грозовой разряд с помощью электромагнитного сигнала грозового разряда. использование полученного азимута для компенсации относительных задержек прихода акустического сигнала в пункты расположения приемников акустического сигнала, суммирование полученных при этом задержанных сигналов и использование для определения дальности до грозового разряда разности моментов прихода полученного суммарного сигнала и атмосферика.

Поставленная цель достигается также тем, что в известном устройстве местоопределения грозовых разрядов, содержащем вертикальную электрическую антенну, приемник акустического сигнала, 2 усилителя, 2 полосовых фильтра, детектор, пороговый блок. первый решающий блок для вычисления азимутального угла на грозовой разряд, выход которого является первым выходом устройства, второй решающий блок для вычисления дальности до грозового разряда, выход которого является вторым выходом устройства, и блок синхронизации, причем выход электрической антенны соединен через соответствующий усилитель, полосовой фильтр, детектор, пороговый блок с входом блока синхронизации. первый и второй выходы которого соединены соответственно с четвертым входом первого решающего блока и с вторым входом второго решающего блока, при этом выход приемника акустического сигнала соединен последовательно с соответствующими усилителем и полосовым фильтром. согласно изобретению дополнительно введены N-1 (N3) территориально разненных приемников акустического сигнала, две магнитные антенны, два интегратора. N+1 усилитель, N+1 полосовой фильтр, N АЦП, N блоков памяти, сумматор, третий решающий блок для вычисления относительных задержек акустических сигналов и тактовый генератор, при этом выход каждого введенного приемника акустического сигнала соединен последовательно с соответствующим усилителем и полосовым фильтром, при этом выход полосового фильтра каждого канала приема акустического сигнала соединен через соответствующий АЦП и блок памяти с соответствующим входом сумматора, выход которого соединен с первым входом второго решающего блока, выход полосового фильтра электрического канала соединен, кроме того, с первым входом первого решающего блока, а выход первой и второй магнитной антенны соединен через соответствующие интегратор, усилитель и полосовой фильтров соответственно с вторым и третьим входами первого решающего блока, выход которого, кроме того, соединен с первым входом третьего решающего блока, каждый из N выходов которого соединен с вторым входом соответствующего блока памяти, при этом выход тактового генератора соединен параллельно с вторыми входами АЦП и с вторым входом третьего решающего блока, третий выход блока синхронизации соединен с третьим входом третьего решающего блока, а четвертый выход блока синхронизации соединен параллельно с третьими входами блоков памяти.

Новым в предложенном устройстве по сравнению с прототипом является использование дополнительно N-1 (N3) территориально разненных приемников акустического сигнала, двух магнитных антенн, N+1 усилителя, N+1 интегратора, N+1 фильтра, N АЦП, N блоков памяти, сумматора, блока вычисления азимутального угла, блока вычисления относительных задержек прихода акустических сигналов и тактового генератора.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства местоопределения грозовых разрядов, где обозначено: 1 - электрическая антенна, 2-3 - магнитные антенны, 4-6 - приемники акустического сигнала, 7, 10-12, 14, 15 - усилители, 8-9 - интеграторы, 13, 16-20 - полосовые фильтры, 21 - детектор, 22-24 - АЦП, 25-27 - блоки памяти, 28 - пороговый блок, 29 - сумматор, 30 - первый решающий блок, 31 - второй решающий блок, 32 - третий решающий блок, 33 - тактовый генератор, 34 - блок синхронизации.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что, как и в известном способе [2] , местоопределение грозовых разрядов осуществляется в полярной системе координат путем определения азимутального угла и дальности R до грозового разряда, причем определение дальности основано на измерении t - разности времени распространения акустического и электромагнитного сигналов грозового разряда с использованием соотношения

R = vt, (1)

где v= 330 м/с - скорость распространения акустического сигнала в воздухе.

При этом. однако, на расстояниях, превышающих 10 км, уровень акустического сигнала становится сравнимым с уровнем природных и техногенных шумов или даже существенно меньше их, например, при расположении приемной системы вблизи аэродрома. Кроме того, на интервале времени между приходом электромагнитного и акустического сигналов, которое доходит до 30 секунд, возможно появление грозовых разрядов на более близком расстоянии, что приводит к появлению грубых ошибок местоопределения из-за использования электрического и акустического сигналов от разных грозовых разрядов.

В настоящей заявке предлагается для увеличения отношения сигнал/шум и уменьшения акустических сигналов от других грозовых разрядов осуществлять узконаправленный прием акустического сигнала на анализируемый грозовой разряд, для чего использовать несколько территориально разнесенных приемников акустического сигнала - микрофонов и синфазно суммировать сигналы с их выходов путем компенсации у каждого из этих сигналов перед суммированием ожидаемых относительных задержек их прихода с выбранного направления. Эти задержки определяются с использованием вычисленного азимутального угла и местоположения микрофонов.

В отличие от [2] азимутальный угол на источник излучения определяется с большей точностью по данным электромагнитной СДВ пеленгации с использованием всенаправленной электрической антенны и двух направленных магнитных антенн, как это осуществлено, например, в [1].

Азимутальный угол _ik, на которым виден i-ый микрофон из пункта расположения k-го микрофона, равен

_ik = arctg(x_ik/y_ik), (2)

где x_ik и y_ik - расстояния между i-м и k-м микрофонами соответственно вдоль долготы и вдоль широты (в метрической системе), откуда временная задержка _ki прихода акустического сигнала на k-ый микрофон относительно i-го микрофона равна



Для осуществления направленного приема акустического сигнала база системы приемников акустического сигнала - расстояние между микрофонами устанавливается из соотношения d>, где = v/f_min - длина волны акустического сигнала на минимальной используемой частоте спектра акустического сигнала. Устанавливая f_min=25 Гц (спектральная плотность акустического сигнала грома лежит в основном в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен герц), получаем d>13.2 м.

При N= 6 приемники акустического сигнала могут быть расположены, например, вокруг центрального пункта равномерно по окружности радиусом 15 м.

Так как при этом d много меньше минимального оцениваемого расстояния до источника, которое устанавливается порядка R_min=1 км. то формы и амплитуды сигналов на выходах приемников акустического сигнала примерно одинаковы, за исключением сдвигов по времени из-за разности длин трасс распространения, и сигнал на выходе каждого i-го (i=1-N) микрофона можно представить в виде

U_i(t) = U_k(t-_ki) (i = 1-N). (4)

Выбирая в качестве k-го микрофон, расположенный дальше остальных относительно источника, получаем, что все _ki - неотрицательны: _ki 0 (i=1-N).

Задерживая выходной сигнал каждого i-го микрофона на интервал времени _ki(i = 1-N) и суммируя задержанные сигналы, получаем суммарный сигнал



который по форме и времени прихода совпадает с сигналом на выходе k-го микрофона, а по амплитуде оказывается в N раз больше выходного сигнала каждого из микрофонов. При этом акустические сигналы с других направлений суммируются не синфазно и их суммарный сигнал оказывается по амплитуде меньшим, чем при синфазном суммировании, что и обеспечивает направленность системы.

Полученный суммарный сигнал U_s(t) (5) используется для определения момента его прихода Т₁ и интервала времени t = T₁-t₁, где t₁ - момент прихода электромагнитного сигнала. С помощью t определяется дальность до источника излучения (1). Полученные в результате значения и R определяют местоположение грозового разряда в полярной системе координат.

Сущность предлагаемого устройства местоопределения грозовых разрядов основана на том, что предлагается территориально разнести приемники акустического сигнала, при этом использовать азимутальный угол на источник также для вычисления ожидаемых значений относительных задержек прихода с того же направления акустического сигнала на эти микрофоны относительно одного из них, скомпенсировать эти задержки, просуммировать полученные при этом сигналы и определить момент Т₁, прихода суммарного сигнала, кроме того, определить момент прихода электромагнитного сигнала t₁ и использовать разность этих моментов t = T₁-t₁ для определения дальности до грозового разряда. При этом задержки акустических сигналов, их суммирование и вычисление дальности до источника осуществляются в цифровой форме, для чего сигналы с выходов микрофонов, после соответствующего усиления и фильтрации. оцифровываются с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и запоминаются в соответствующих блоках памяти, требуемый сдвиг сигнала по времени в каждом из акустических каналов осуществляется путем соответствующей задержки начала передачи сигнала из блоке памяти в сумматор. Указанные задержки вычисляются в третьем решающем блоке и управляют блоками памяти по второму входу. Дальность до источника вычисляется во втором решающем блоке с использованием в (1) в качестве t интервала между началом поступления сигнала с выхода сумматора и моментом превышения им установленного порогового уровня. Частота тактового генератора устанавливается равной F_takt=1 кГц, что в десять раз превышает максимальную используемую частоту акустического сигнала, а объем памяти каждого блока памяти составляет 50 Килослов, что позволяет запоминать акустические сигналы с расстояний до 15 км. При этом для определения азимутального угла используется СДВ электромагнитный сигнал грозового разряда - атмосферик. Тангенс угла определяется как отношение амплитуд магнитных составляющих, а электрическая составлящая используется для исключения двухзначности результата, магнитные составляющие предварительно интегрируются для компенсации дифференцирующего действия магнитных антенн.

Предлагаемый способ местоопределения грозовых разрядов включает следующую последовательность операций: а) с помощью всенаправленной вертикальной электрической антенны 1 и двух горизонтальных направленных магнитных антенн 2 и 3 принимают электромагнитный сигнал грозового разряда - атмосферик, при этом сигнал с выхода электрической антенны последовательно б) усиливают с помощью усилителя 7, в) фильтруют в установленной полосе частот с помощью полосового фильтра 13 и г) подают на первый вход первого решающего блока 30, при этом сигналы с выходов первой и второй магнитных антенн последовательно д) интегрируют с помощью интеграторов соответственно 8 и 9, е) усиливают с помощью усилителей 14 и 15, е) фильтруют в установленной полосе частот с помощью полосовых фильтров 19 и 20 и ж) подают соответственно на второй и третий входы первого решающего блока, где з) определяют азимутальный угол на грозовой разряд, причем сигнал с выхода полосового фильтра 13, кроме того, последовательно и) детектируют в детекторе 21, к) сравнивают с пороговым уровнем в пороговом блоке 28 и л) подают на вход блока синхронизации 34, при этом, м) с помощью приемников акустического сигнала 4-6 принимают акустический сигнал грозового разряда - грома, сигналы с их выходов последовательно н) усиливают в усилителях соответственно 10-12, о) фильтруют в установленной полосе частот с помощью полосовых фильтров 16-18, п) оцифровывают с помощью АЦП 22-24 и р) запоминают в блоках памяти 25-27, с) сигналы с выходов блоков памяти суммируют в сумматоре 29, выходной сигнал которого т) подают на первый вход второго решающего блока 31, где у) определяют дальность до грозового разряда, ф) сигнал с выхода первого решающего блока, кроме того, подают на первый вход третьего решающего блока 32 для определения ожидаемых относительных задержек прихода акустического сигнала на соответствующие приемники, х) сигналы с выходов третьего решающего блока подают на соответствующие вторые входы блоков памяти, при этом сигнал с выхода тактового генератора 33 подают параллельно ц) на второй вход третьего решающего блока и ч) на вторые входы АЦП, при этом сигналы с 1-3-го выходов блока синхронизации подают соответственно ш) на четвертый вход первого решающего блока, щ) на второй вход второго решающего блока и ы) на третий вход третьего решающего блока, при этом э) сигнал с четвертого выхода блока синхронизации подают параллельно на третьи входы блоков памяти.

Устройство местоопределения грозовых разрядов работает следующим образом: электромагнитный сигнал грозового разряда - атмосферик принимается вертикально ориентированной электрической антенной 1 и двумя горизонтально ориентированными ортогональными магнитными антеннами 2 и 3, сигнал с выхода электрической антенны последовательно усиливается в первом усилителе 7. фильтруется первым фильтром 13 и параллельно подается на первый вход первого решающего блока 30 и детектируется в детекторе 21, выходной сигнал которого сравнивается с порогом в пороговом блоке 28, на выходе которого, в случае превышения порога, вырабатывается короткий импульс, который подается на вход блока синхронизации 34, при этом сигналы с выходов магнитных антенн последовательно соответственно интегрируются в первом и втором интеграторах 8 и 9, усиливаются во втором и третьем усилителях 14 и 15, фильтруются во втором и третьем фильтрах 19 и 20 и подаются на второй и третий входы первого решающего блока, где определяется азимутальный угол на грозовой разряд, выходной сигнал первого решающего блока является первым выходом устройства и, кроме того, подается на первый вход третьего решающего блока 32, где определяются ожидаемые относительные задержки прихода акустического сигнала на соответствующие приемники, кроме того, с помощью разнесенных акустических приемников 4-6 принимается акустический сигнал грозового разряда - гром, принятые сигналы последовательно усиливаются соответственно в четвертом-шестом усилителях 10-12, фильтруются в четвертом-шестом фильтрах 16-18 и подаются на первые входы первого-третьего АЦП 22-24, оцифрованные сигналы с выходов АЦП запоминаются соответственно в первом-третьем блоках памяти 25-27, выходные сигналы которых суммируются в сумматоре 29, выходной сигнал которого подается на первый вход второго решающего блока 31, где определяется дальность до грозового разряда, выход второго решащего блока является вторым выходом устройства, при этом выходной сигнал тактового генератора 33 подается параллельно на вторые входы первого-третьего АЦП и на второй вход третьего решащего блока, выходные сигналы которого подаются соответственно на вторые входы первого-третьего блоков памяти, при этом сигнал с первого выхода блока синхронизации подается параллельно на третьи входы первого-третьего блоков памяти, а первый-третий выходы блока синхронизации подаются соответственно на четвертый вход первого решащего блока, на второй вход второго решащего блока и на третий вход третьего решащего блока.

При реализации предлагаемого способа местоопределения грозовых разрядов устанавливается:

- электрическая антенна 1 - вертикальная высотой 1 м;

- магнитные антенны 2,3 - ферритовые из полос аморфного ферромагнетика с = 20000, расположенные по сторонам квадрата длиной 60 см;

- акустические приемники 4-6 - стандартные микрофоны конденсаторного типа;

- полосы пропускания фильтров 13, 19, 20 F=2-35 кГц;

- полосы пропускания фильтров 16-18 F=25-100 Гц;

- частота тактового генератора 33 F=1 кГц;

- АЦП 22-24 10 разрядные;

- блоки памяти 25-27, каждая объемом 50 Кслов.

Технический результат предлагаемого способа местоопределения грозовых разрядов по сравнению с прототипом состоит в увеличении дальности действия, а также в уменьшении грубых ошибок местоопределения, что может быть использовано в системах грозорегистрации. в системах защиты высоковольтных ЛЭП и в гражданской авиации.

Литература

1. Ryan P. A., Ostander К. A., West D.L. Storm Mapping System. Patent 4395906, USA, 02.08.1983, С1. 73-170.

2. Севрюк З.Б., Ситников Ю.М., Горин Б.Н. Устройство для комплексной регистрации грозовых разрядов. А.с. 974316, СССР, кл. G 01 W 1/16, 14.11.79.