Патент на изобретение №2293354

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиолокационной метеорологии и может быть использовано для обнаружения областей с повышенной турбулентностью. Достигаемый технический результат – увеличение достоверности обнаружения указанных зон и обеспечение возможности количественной оценки турбулентности. Определяется вектор отсчетов корреляционной функции в равноотстоящие интервалы времени, определяются моменты спектральной плотности мощности комплексного сигнала, на основании которых определяется среднеквадратичное отклонение скорости ветра. Устройство содержит синхронизатор (1), блок запуска (2), передатчик (3), циркулятор (4), антенну (5), блок управления (6), приемник (7), блок стробирования (8), аналого-цифровой преобразователь (9), блок памяти (10), блок индикации (23), блок вычисления корреляционной функции комплексного сигнала (11), блок вычисления нулевого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала (12), блок вычисления первого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала (13), блок вычисления второго момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала (14), первый блок деления (15), второй блок деления (16), первый блок умножения (17), второй блок умножения (20), блок вычитания (18), генератор масштабного коэффициента (19), блок вычисления квадратного корня (21), блок сравнения (22), шину передачи данных (24). 1 ил.

Изобретение относится к радиолокационной метеорологии и может быть использовано для обнаружения областей с повышенной турбулентностью и количественной оценки уровня турбулизации воздуха.

Известно устройство для определения состояния атмосферы, содержащее последовательно соединенные передатчик и антенный переключатель, антенну, генератор стандартных сигналов, последовательно соединенные приемник, блок стробирования, пиковый детектор, интегратор и вычислитель, причем вход приемника подключен ко второму выходу антенного переключателя, второй выход передатчика подключен ко второму входу блока стробирования, а выход генератора стандартных сигналов подключен к входу приемника; в устройство также введены вращающаяся секция круглого волновода со встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой и последовательно соединенные блок управления и исполнительный механизм, вал которого соединен механической зубчатой передачей 1:1 с вращающейся секцией круглого волновода с встроенной четвертьволновой фазовой пластинкой, причем выход антенного переключателя подключен к входу антенны через вращающуюся секцию круглого волновода со встроенной четвертьволновой пластинкой, SU 1128211 А.

Данное устройство позволяет определять состояние атмосферы в отношении количественной оценки интенсивности осадков, однако с его помощью невозможно выявить атмосферные области с повышенной турбулентностью.

Известно устройство для определения состояния атмосферы, содержащее блок синхронизации, блок запуска, передатчик, циркулятор, антенну с блоком управления, приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления коэффициента автокорреляции временной последовательности принятых отраженных радиолокационных сигналов, блок пороговой селекции по значению коэффициента корреляции, блок представления информации (индикации), при этом второй выход синхронизатора соединен с первым входом блока стробирования, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, третий выход синхронизатора соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, выход блока запуска соединен со входом передатчика, выход которого соединен с первым плечом циркулятора, второе плечо которого соединено с первым входом антенны, второй вход которой соединен с первым выходом блока управления, третье плечо циркулятора соединено со входом приемника, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом блока памяти, RU 2128847.

Принцип работы данного устройства, принятого за прототип, основан на вычислении коэффициента корреляции амплитуды принятого сигнала. Данное устройство позволяет определить состояние атмосферы и, в частности, также обнаруживать атмосферные зоны с повышенным уровнем турбулентности, однако достоверность обнаружения таких зон низка, поскольку на работу устройства значительное влияние оказывают внутренние шумы приемника, приводящие к смещению оценки мощности принятого сигнала, на которое нормируются значения корреляционной функции при вычислении коэффициента корреляции амплитуды принятого сигнала. Кроме того, следует отметить, что количественная оценка турбулентности с помощью данного устройства, практически, невозможна из-за того, что уровень турбулентности оценивается исходя из ширины корреляционной функции амплитуды принятых радиолокационных сигналов, которая хотя и связана со средним квадратическим отклонением скорости ветра, но связь эта неоднозначна и не может быть положена в основу количественной оценки уровня турбулентности.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи увеличения достоверности обнаружения атмосферных зон с повышенным уровнем турбулентности и обеспечение возможности его количественной оценки.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в устройстве для определения состояния атмосферы, содержащем синхронизатор, блок запуска, передатчик, циркулятор, антенну с блоком управления, приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, блок индикации, при этом первый выход синхронизатора соединен со входом блока запуска, второй выход синхронизатора соединен с первым входом блока стробирования, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, третий выход синхронизатора соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, выход блока запуска соединен со входом передатчика, выход которого соединен с первым плечом циркулятора, второе плечо которого соединено с первым входом антенны, второй вход которой соединен с первым выходом блока управления, третье плечо циркулятора соединено со входом приемника, выход которого соединен со вторым входом блока стробирования, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом блока памяти, дополнительно введены: блок вычисления корреляционной функции комплексного сигнала, блок вычисления нулевого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, блок вычисления первого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, блок вычисления второго момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, первый блок деления, второй блок деления, первый блок умножения, второй блок умножения, блок вычитания, генератор масштабного коэффициента, блок вычисления квадратного корня, блок сравнения, при этом второй выход синхронизатора соединен со вторым входом блока памяти, второй выход блока управления соединен со вторым входом блока индикации, первый вход которого соединен с выходом блока сравнения, вход которого соединен с выходом блока вычисления квадратного корня, вход которого соединен с выходом второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом генератора масштабного коэффициента, а его первый вход соединен с выходом блока вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого блока деления, а второй вход соединен с выходом первого блока умножения, первый и второй входы которого соединены с выходом второго блока деления, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления первого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, вход которого, а также вход блока вычисления второго момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, вход блока вычисления нулевого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, вход блока вычисления корреляционной функции комплексного сигнала и выход блока памяти подключены к шине передачи данных, выход блока вычисления второго момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала соединен с первым входом первого блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления нулевого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, который соединен также со вторым входом второго блока деления.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию “новизна”.

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения достигается важный технический эффект, который состоит в значительном уменьшении влияния внутренних шумов приемника, поскольку исключается нулевой отчет корреляционной функции, в максимальной степени подверженный смещению в процессе работы устройства. Кроме того, благодаря определению вектора отчетов корреляционной функции в равностоящие друг от друга интервалы времени обеспечивается возможность измерения моментов спектральной плотности мощности комплексного радиолокационного сигнала, на основании которых с высокой точностью определяется среднее квадратическое отклонение скорости ветра.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».

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

Устройство содержит синхронизатор 1, первый выход которого подключен к блоку 2 запуска передатчика, передатчик 3, запуск которого осуществляется от импульса блока 2 запуска. Выход передатчика 3 соединен с первым плечом циркулятора 4. Второе плечо циркулятора 4 связано с фидером приемопередающей антенны 5 (вход-выход 1). Антенна 5 снабжена блоком 6 управления, при этом первый выход блока 6 соединен со вторым входом антенны. Третье плечо циркулятора 4 соединено с входом приемника 7. Выход приемника 7 соединен со вторым (сигнальным) входом блока 8 стробирования, первый (тактовый) вход которого подключен ко второму выходу синхронизатора 1. Выход блока 8 стробирования соединен с первым (сигнальным) входом аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП). Второй (тактовый) вход АЦП 9 связан с третьим выходом синхронизатора 1. Выход АЦП 9 соединен с первым входом блока 10 памяти, на второй вход которого подаются сигналы со второго выхода синхронизатора 1. Выход блока 10 памяти соединен с шиной 24 передачи данных. Шина 24 соединена со входом-выходом блока 11 вычисления корреляционной функции (КФ) комплексного сигнала, входом блока 12 вычисления нулевого момента спектральной плотности мощности (СПМ) комплексного сигнала, входом блока 13 вычисления первого момента СПМ комплексного сигнала и входом блока 14 вычисления второго момента СПМ комплексного сигнала. Выход блока 13 подключен к первому входу второго блока 16 деления, выход блока 14 соединен с первым входом первого блока 15 деления; вторые входы блоков 15 и 16 соединены с выходом блока 12. Выход второго блока 16 деления подключен к соединенным между собой с целью вычисления квадрата входного сигнала первому и второму входам первого блока 17 умножения, выход которого подключен ко второму входу блока 18 вычитания. Первый вход блока 18 вычитания соединен с выходом первого блока 15 деления. Выход блока 18 вычитания подключен к первому входу второго блока 20 умножения, второй вход которого соединен с выходом генератора 19 масштабного коэффициента. Выход второго блока 20 умножения соединен с входом блока 21 вычисления квадратного корня, выход которого подключен к входу блока 22 сравнения. Выход блока 22 сравнения соединен с первым входом блока 23 индикации. Второй вход блока 23 соединен с вторым выходом блока 6 управления.

В конкретном примере реализации изобретения блоки 1-11, 19-23 представляют собой одноименные элементы бортового когерентного метеорологического радиолокатора RDR-4 фирмы «Honeywell», США, “RDR-4B. Forward Looking Windshear Detection/Weather Radar System. Honeywell, 2000”. Блоки 12-18 могут быть реализованы с использованием микросхем программируемой логики типа EP20K100QI240-2V (пр-во Altera) с использованием мегафункций фирмы производителя.

Устройство работает следующим образом.

Синхроимпульсы с первого выхода синхронизатора 1, следующие с периодом Т_r повторения зондирующих сигналов метеорологического радиолокатора, подаются на блок 2 запуска, который формирует импульсы запуска передатчика 3. Высокочастотный импульсный зондирующий сигнал с выхода передатчика 3 поступает на первое плечо циркулятора 4. Пройдя во второе плечо циркулятора 4, этот сигнал подается в фидер антенны 5. Угловое положение антенны задается сигналом, поступающим с первого выхода блока 6 управления. Антенна 5 излучает радиолокационные импульсы в обследуемую зону атмосферы (разрешаемый объем). Отраженные от метеочастиц этой зоны сигналы принимаются антенной 5 и поступают на второе плечо циркулятора 4. Пройдя в плечо 3, эти сигналы приходят на вход приемника 7. Принятые сигналы в приемнике 7 подвергаются фильтрации, преобразованию частоты, усилению. Выходной сигнал приемника поступает на второй (сигнальный) вход блока 8 стробирования, на первый (тактовый) вход которого подаются стробирующие импульсы со второго выхода синхронизатора 1. Благодаря этому обеспечивается селекция по дальности сигналов, отраженных от наблюдаемой области атмосферы. Выходной сигнал блока 8 стробирования на промежуточной частоте f_ПЧ поступает на первый вход АЦП 9, на синхронизирующий второй вход которого подаются импульсы с третьего выхода синхронизатора 1. Эти импульсы, частота повторения которых равна являются импульсами дискретизации сигнала приемника. В результате на выходе АЦП 9 образуются два квадратурных цифровых сигнала, которые объединяются в единый комплексный сигнал z. С выхода блока 9 АЦП отселектированные по дальности сигналы поступают в блок 10 памяти, который управляется синхроимпульсами со второго выхода синхронизатора 1. Запомненные в блоке 10 памяти последовательности цифровых значений комплексного сигнала z(mT_r), m=0, 1,…, M, соответствующие одной дальности, вызываются по шине 24 передачи данных в блок 10 вычисления КФ, где производится расчет КФ в соответствии с формулой

где K(nT_r), n=1,…, N – значения корреляционной функции, N – количество рассчитываемых значений.

В итоге расчетов получается вектор отсчетов корреляционной функции комплексного сигнала k=(K(T_r),…, K(NT_r))^T, Т – оператор матричного транспонирования. Вектор k поступает на первые входы блоков 12, 13 и 14 вычисления первых трех моментов спектральной плотности мощности комплексного сигнала, на вторые входы которых подаются соответственно векторы g₀, g₁ и g₂, которые равны первому, второму и третьему столбцам матрицы: G=А(А^HА)^-1, где А – матрица размера N×N; – элемент матрицы А, стоящий на пересечении m-й строки и n-го столбца m, n=1, 2,…, N, Н – оператор эрмитового сопряжения. В блоках 12, 13 и 14 на основании соотношений вычисляются нулевой, первый и второй моменты спектральной плотности мощности комплексного сигнала. Далее моменты М₂ и М₁ поступают на первые входы блоков деления 15 и 16, на вторые входы которых подается момент M₀. В блоках 15 и 16 деления осуществляется вычисление частных и . Вычисленное частное подается на блок 17 умножения, первый и второй входы которого соединены. В результате на выходе блока 17 получается . Частное и сигнал подаются соответственно на первый и второй входы блока 18 вычитания. На выходе блока 18 получается сигнал равный , который подается на первый вход блока умножения 20. На второй вход блока умножения 20 из блока 19 поступает масштабирующий коэффициент 0,25², где – рабочая длина волны метеорологического радиолокатора. Сигнал с выхода блока умножения 20 поступает на вход блока 21 вычисления квадратного корня. В результате на выходе блока 21 образуется оценка среднеквадратического отклонения скорости ветра Вычисленное таким образом среднеквадратическое отклонение скорости ветра поступает в блок 22 сравнения, где производится сравнение вычисленного среднеквадратического отклонения скорости ветра _w установленным пороговым уровнем _wnop. Для высокого уровня турбулизации исследуемой области атмосферы _wnop=5 м/с. Выход блока 22 сравнения подключен к первому входу блока 23 индикации. На экране блока 23 осуществляется цветовая засветка элементов дальности, для которых _w превосходит установленный порог среднеквадратической скорости ветра _wnop Положение высвечиваемых элементов дальности соответствует текущему положению антенного луча, информация о котором приходит на вход 2 блока 23 индикации из блока 6 управления.

Таким образом высвечиваемая на экране блока индикации 23 зона соответствует областям атмосферы, где уровень турбулентности воздуха превышает потенциально опасный порог.

Формула изобретения

Устройство для определения состояния атмосферы, содержащее синхронизатор, блок запуска, передатчик, циркулятор, антенну с блоком управления, приемник, блок стробирования, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, блок индикации, при этом первый выход синхронизатора соединен со входом блока запуска, второй выход синхронизатора соединен с первым входом блока стробирования, выход которого соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, третий выход синхронизатора соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, выход блока запуска соединен со входом передатчика, выход которого соединен с первым плечом циркулятора, второе плечо которого соединено с первым входом антенны, второй вход которой соединен с первым выходом блока управления, третье плечо циркулятора соединено со входом приемника, выход которого соединен со вторым входом блока стробирования, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом блока памяти, отличающееся тем, что дополнительно введены блок вычисления корреляционной функции комплексного сигнала, блок вычисления нулевого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, блок вычисления первого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, блок вычисления второго момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, первый блок деления, второй блок деления, первый блок умножения, второй блок умножения, блок вычитания, генератор масштабного коэффициента, блок вычисления квадратного корня, блок сравнения, при этом второй выход синхронизатора соединен со вторым входом блока памяти, второй выход блока управления соединен со вторым входом блока индикации, первый вход которого соединен с выходом блока сравнения, вход которого соединен с выходом блока вычисления квадратного корня, вход которого соединен с выходом второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом генератора масштабного коэффициента, а его первый вход соединен с выходом блока вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого блока деления, а второй вход соединен с выходом первого блока умножения, первый и второй входы которого соединены с выходом второго блока деления, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления первого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, вход которого, а также вход блока вычисления второго момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, вход блока вычисления нулевого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, вход блока вычисления корреляционной функции комплексного сигнала и выход блока памяти подключены к шине передачи данных, выход блока вычисления второго момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала соединен с первым входом первого блока деления, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления нулевого момента спектральной плотности мощности комплексного сигнала, который соединен также со вторым входом второго блока деления.

РИСУНКИ