Устройство для измерения характеристик атмосфериков

) АХ( ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР БРЕТЕНИ Е ИДЕТЕЛЬС(71) Институт радиотеники АН СССР(56) Авторское свидетельство СССРВ 746373, кл. 6 01 9/ 1/16, 1980,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИРАКТЕРИСТИК АТМОСФЕРИКОВ(57) Устройство относится к метеоролможет быть использовано для исследогроз, Целью изобретения является по ние помехозащищенности. Це ния достигается за счет введен ство нескольких цепочек, кажда содержит второй ключ 21, пер тель, третий сумматор 23, а т сумматора 25, второго источни мого напряжения 20, второй ло мы 28, второго делителя 27 сумматора 24, второго умн третьего делителя 29, а также в гового элемента 6 и первого введенных в каждый канал при магнитного излучения, Введен элементов позволяет отфил электромагнитные сигналы происхождения. 2 ил. 10хники и радиоэлектр ХА гии и вания ывеОПИСАН К АВТОРСКОМ 0038 А 2 ль изобретеия в устройя из которых вый умножиакже пятого ка управляегической схе, четвертого ожителя 28, торого породелителя 7, ема электроие указанныхвы вать зовогоИзобретение относится к технике радиотехнического контроля грозовой активности, а более конкретно к количественномуопределению характера грозового радиоизлучения с целью клзссификации грозовых 5зон и может найти применение в метеорологии, в исследованиях атмосферного электричества для оценки интенсивноститокообмена атмосферы и Земли с помощьюприема атмосфериков в широкой полосе чзстот в диапазоне ОНЧ 3-15 кГц и является дополнительным к основному авт. св.М 746373,Известно устройство содержащее группу последовательно соединенных логарифмических усилителей, ключей, элементовпамяти, первых сумматоров и квадрзторов почислу интеграторов порогового анализатора, подключенной к выходам квадрзторовцепочкой из второго сумматора, логического элемента, генератора периодических импульсов, счетчика и управляемогоисточника напряжений, выходы которогоподсоединены к входам канальных сумматоров; схемой управления, выход сброса 25которой соединен с выходами сброса интеграторов, а запускающий выход - к управляющим входам ключей, генераторупериодических импульсов и счетчику, а также подключенным к выходу счетчика цифроаналоговым преобразователем синдикатором на выходе, Это устройство позволяет количественно определять параметр распределения вероятностей пиковыхзначений токов разрядов молний и осуществлять тем самым количественную оценку характера грозового радиоизлучения,Недостатком этого устройства является то, что измеряемые вариации оцениваемого 40 параметра могут быть соизмеримыми по,величине с его изменениями, вызываемыми за счет увеличений потока импульсов на ряде нижних порогов чувствительности за счет действия непредсказуемых мешающих эф фектов сигналов телеграфных станций или наводок от энергосети, т. е, неатмосферных помех, В принципе действие неатмосферных помех можно ироконтролировать визуальным наблюдением выходного на пряжения приемника путем исключения из результата измерений на тех отрезках времени, когда эти помехи присутствуют. Однако постоянное наблюдение за состоянием эфира оператором делает такие измерения 55 весьма неэкономичными, так как связано с круглосуточным дежурством и, следовательно, очень большими затратами труда. При круглосуточном наблюдении в течение целого сезона такой режим работы ввиду высоких трудовых затрат даже мало реалистичен.Целью изобретения является повышение помехоустойчивости устройства в условиях действия неатмосферных помех.Указанная цель достигается тем, что в устройство введены Й вторых пороговых элементов и первых делителей, хронизаторчасы, Й вторых ключей, Й первых умножителей, Й третьих сумматоров, второй управляемый источник напряжения, четвертый сумматор, пятый сумматор, вторая логическая схема, второй делитель, второй умножитель, третий делитель, при этом, последовательно включенные Й вторых пороговых элементов и Й первых делителей включены между выходами интеграторов и входами логарифмических усилителей, второй выход первого из вторых пороговых элементов в канале с наименьшим пороговым уровнем срабатывания подключен к вторым входам первых делителей, Й - 1 входов пятого сумматора соединены со вторыми выходами первых ключей кроме первого ключа в канале с наименьшим пороговым уровнем срабатывания, Й первых входов второй логической схемы соединены с вторыми выходами первых ключей, первый вход второго управляемого источника напряжений соединен с выходом хронизатора, а его второй вход соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, Й первых выходов второго управляемого источника напряжений соединены с первыми входами второй логической схемы, выход которой через второй делитель соединен с одним из двух входов второго умножителя, второй вход второго делителя соединен с выходом пятого сумматора, каждый из Й вторых выходов второго управляемого источника напряжений соединен с первым входом каждого из Й вторых ключей, вторые входь которых соединены с выходами первых ключей, выходы вторых ключей через первые умножители и третьи сумматоры подключены к Й входам четвертого сумматора, управляющие входы первых умножителей соединены с выходом цифроаналогового преобразователя, управляющие входы третьих сумматоров соединены с выходами логарифмических усилителей, выход четвертого сумматора соединен со вторым входом второго умножителя, выход которого через третий делитель соединен с первым входом индикатора, второй вход третьего делителя соединен с вйходом цифроаналогового преобразователя, второй вход индикатора соединен с выходом хронизатора, третий вход индикатора соединен с выходом цифроаналогового преобразователя.На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг, 2 - гистограмма распределения плотности вероятностей величины погрешности дп оценки измеряемого параметра, регистрируемой устройством. Выход антенны с приемником 1 подключен к стробирующему элементу 3, с которым соединен локализатор 2, выход стробирующего элемента 3 подключен к входам М первых пороговых элементов 4, выходы которых через интеграторы 5, вторые пороговые элементы 6, первые делители 7, логарифмические усилители 8, первые ключи 9, запоминающие элементы 10, первые сумматоры 11 подключены к квадратам 12, выходы которых соединены с вторым сумматором 13, подключенным через последовательно соединенные первый логический элемент 14, первый генератор 15 импульсов, счетчик 16 к входу цифроаналогового преобразователя 18, а также к первому входу управляемого источника 17 напряжений, й выходов которого соединены с вторыми входами первых сумматоров 11, выход хронизатора 19 часов: соединен с вторыми входами интеграторов 5, первых ключей 9, с вторым входом первого генератора импульсов 15, с вторым входом первого счетчика 16 и с вторым входом первого управляемого источника 17 напряжений; выход первого из Й вторых пороговых элементов 6 в канале с наименьшим пороговым уровнем срабатывания подключен к вторым входам первых делителей 7, йвходов пятого сумматора 25 соединены с вторыми выходами первых ключей 9 кроме канала с наименьшим уровнем срабатывания, Й первых входов второй логической схемы 26 соединены с вторыми выходами первых ключей 9, управляемый источник 20 напряжений, первый управляющий вход которого соединен с выходом хронизатора 19, а второй его управляющий вход соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 18, имеет М первых выходов, которые соединены с второй логической схемой 26, выход которого через второй делитель 27 соединен с одним из двух входов второго умножителя 29, второй вход второго делителя 27 соединен с выходом пятого сумматора 25, каждый из М вторых выходов второго управляемого источника напряжений 20 соединен с первым входом каждого из Й вторых ключей 21, вторые входы которых соединены с выходами первых ключей 9, выходы вторых ключей 21 через первые умножители 22 и третьи сумматоры 23 подключены к М входам четвертого сумматора 24, управляющие входы первых умножителей 22 соединены с выходами цифроаналогового преобразователя 18 управляющие входы10 данной контролируемой территориальной зоны. Приемник и локализатор обеспечивают на выходе поток излучаемых молниями в контролируемой зоне поток импульсов-атмосфериков, которые поступают на первые пороговые элементы 4 и интеграторы 5, с помощью которых осуществляется эа время наблюдения Т измерение числа превышений М пороговых уровней чувствительности Е 1=ЕмЕг ЕзЕЕ+1, Еи принятыми импульсами(на фиг. 1 пороговые элементы 2 изображены так, что верхний из них на схеме соответствует минимальному значению порога чувствительности Е 1=Ем, следующий за ним ниже - значению Е 2 и т. д.). В ответ на каждое превышение пороговые элементы 4 вырабатывают на выходе стандартные импульсы длительностью дб=1 мс. На выходе интеграторов 5 получаются по окончании времени наблюдения постоянные напряжения, пропорциональные числу превышений порогов принятыми импульсами как результат накопления числа,импульсов, сформированных на выходе первых пороговых элементов 4, Набор полученных напряжений отображает зависимость д(Е 1) интенсивности потока Р(с ) атмосфериков от пороговой чувствительности Еь э(Е)=ехр(-е( пЕ) - (1 пЕо)Д, (ЕЕ (1) где в - безразмерный параметр, характеризующий грозовую активность в контролируемой территориальной зоне;Е 1 - значения напряженности вертикального электрического поля в мв/м;Ем - минимально допустимый пороговый уровень поля (назначаемая величина);с 1 и с 2 - известные константы (с 1=2; с 2=2,5).Отношение ю(Е) к интенсивности потока импульсов на минимальном пороговом 20 25 30 35 40 45 5055 третьих сумма горов 23 соединены с выходами первых логарифмических усилителей 8,выход четвертого сумматора 24 соединен с вторым входом второго умножителя 28, выход которого через третий делитель 29 соединен с первым входом индикатора 30,второй вход третьего делителя 29 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 18, второй вход индикатора 30 соединен с выходом хронизатора 19, третий вход индикатора 30 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя 18Устройство работает следующим образом.Приемяик 1 слокализатором 2 и стробирующим элементом 3 осуществляет регистрацию потока импульсов радиоизлучениймолний в диапазоне частот 3 - 15 кГц из за 1720038)=о 30 45 50 55 уровне ю(Е 66) является распределением вероятностей Р( дЕ) пиковых значенийатмосфериковР СЕ) ) = ф С Е ) ф С Ем ), (2)которое из (1) и (2) имеет видР(эу Е)=ехр( - е С 1 п)+АДЬЕ)-( пЕ),(ЕЕ)(6) (3)Таким образом, измерение Р( дЕ)сводится к измерению д(Е) на ряде дискретных пороговых уровнях,Оценка параметра е осуществляетсяпутем аппроксимации зависимости Р(т Ефункцией(3) по методу наименьших квадратов с уче 2 том замены переменных в видеу)=е 5 1 пР(цЕ, (4)х)=1 пЕь (5)Ъ х/хипЕ)/бпЕи) (6)Ие (4 - (6) имеему=е и(х-хип)-(е ухи). я), (7)где 1 - индекс номера порога.Исходя из метода наименьших квадратов, параметр в определяется путем нахождения такого его значения, при котором. минимальна среднеквадратичная погрешность аппроксимации моделью (3), т, е, когда минимальна сумма где О)(п=-(е х 6" (Е)-1). (9)Операция указанной аппроксимации осуществляется элементами 6-19 устройства следующим образом. С помощью вторых пороговых элементов 6 осуществляется пропускание тех значений, Р(Е, которые превышают некоторую назначаемую величину епи(Е аи,о) Величина асуп выбирается большей некоторого значения интенсивности потока порядка 0,01-0,02 с (в.зависимости от выбранного времени наблюдения Т). Условие (10) необходимо для обеспечения определенных пределов точности аппроксимации Р( д Е) функцией (3), С помощью лервых делителей 7 осуществляется операция деления (2) и формирования напряжений Р(дЕ). С помощью логарифмических усилителей 8, получаются напряжения 1 п Р(д Е), пропорциональные величинам У (4). Напряжения с выхода логарифмических усилителей 8 через первые ключи 9 поступают на запоминающие элементы 10, на которых эти напряжения сохраняются втечение времени Тп), необходимом на операцию оценки параметра в и меньшем времени наблюдения Т. Напряжения с выхода запоминающих элементов 10 поступают на входы первых сумматоров 11, на вторые входы которых подаются напряжения с выхода первого управляемого источника 15 напряжения, представляющего собой набор делителей напряжений с выходными значениями О(в), электрически переключаемых с помощью сигналов от счетчика 16 в течение времени Тп) так, что О)(а) принимает последовательно М дискретных значений 0)тц) (1=1М), соответствующих дискретным значениям в от в=0,3 до в 66=5, при шаге Ь в=гп - в=0,2, После первого сумматора 11 напряжения, пропорциональные суммам у)+Вт(8), подаются на квадраторы 12 и далее их квадраты суммируются вторым сумматором 13, Его выходное напряжение, имеющее в пределах времени Т(п мелкоступенчатую форму с шагом времени Л т=Т(в/м, меняется за время Т)у) так, что оно сначала уменьшается, затем после прохождения через некоторый минимум увеличивается. Дискретный интервал Ь=Ту 6/м, соответствующий минимуму, имеет место тогда, когда сумма (8) минимальна, что соответствует такому значению перебираемых в первом управляемом источнике 15 напряжений величин Ьт, при котором реально измеренные значения Р(дЕ аппроксимируются моделью (3) с минимальной среднеквадратичной погрешностью (8) и которому соответствует оцениваемое значение параметра т, Напряжение с выхода второго сумматора 11 подается на первую логическуюсхему 14, в которой вырабатывается импульс в момент изменения знака ступенчатого изменения (производной) напряжения на выходе второо сумматора 13. Изменение знака ступенчатого изменения напряжения на выходе сумматора 11 вызывается переходом от участка его отрицательных производных к положительным, Импульсом выхода первой логической схемы 14 останавливается первый генератор 15 импульсов, причем число его импульсов, подсчитанное первым счетчиком 16, про-. порционально оцениваемой величине параметра щ. Код числа гп с выхода первого счетчика 16 поступает на цифроаналоговый преобразователь 18, с помощью которого осуществляется преобразование числа гл в пропорциональное ему напряжение, Злементы устройства 5, 9, 15 и 17 управляются импульсами с периодом времени наблюдения Т с выхода хронизатора 19, который помимо функции хронизации во времени всех операций в устройстве выполняет еще и функции схемы управления. Хронизатор19 в конце предыдущего времени наблюдения Т вырабатывает импульс открывающий ключи 9, и импульс в начале следующего . времени регистрации, запускающий первый генератор 15 импульсов, а также осуще ствляющий сброс интеграторов 5, сброс первого счетчика 16 и запуск первого управляемога источника 17 напряжений. Количество й пороговых уровней Е выбирается равным двузначному числу й"16-32 с той 10 целью, чтобы пределы реальных изменений пиковых значений эа счет вариации интенсивности атмосфериков в суточных или сезонных циклах всегда перекрывали минимум КУ, К6-10 порогов, что оказы вается достаточным для реализации работы устройства, Значения Е порогов выбираются в пределах Емин+Емак пиковых значений ц атмосфериков таким образом, что образуют равные интервалы по шкале (пЕ) 20 (гп=1,4- среднее значение параметра гп при всенаправленном приеме без операции локализации), т, е, через интервалымкс)-(пЕм)/й (11) ) 1( ле операции отбора К из И значений 25 пР( ЦЕ с оощю вторых пороох элементов 6, т, е, после отбора данных по условию (10), оценка параметра 1 т) осуществляется по К (иэ й) значениям величини Р(1Е, т. е. тем, которые удовлетворяют 30 условию (10), Элементы устройства 20-29 предназначены для осуществления опера-. ции оценки относительной погрешности дп) измерения параметра гпд = (ъ/п 1, (12) 35 где сгп) - является величиной, равнойгде гмин - минимальная среднеквадратич- "0 ная погрешность аппроксимации зависимости Р(цЕ моделью (3)к,Гмин = ) (% + 51) 1.где 0(=пР)(Уу Е), (15),Ь=-а)а, (16) 50 гл - значение параметра, соответствующее минимальной среднеквадратичной погреш- НОСТИ Гмин (14);(1 7)соответствующей К значениям . для Е поусловию (10),Ь т( а/(а )а (18)=1 (=1а = Е 821 с 1(пЕ("-(пЕмЯпЕм)и(пЕм)- ЕпЕппЕа (19)Автором определено, что величины дп) для потока атмосфериков, т. е, для случая, свободного от воздействия каких-либо неатмосферных помех, в среднем составляют 10-ЗОО/ при выборе значений Е в пределах Емин=5 мв/м, Емакс=1000 мкв/м,При появлении добавочного потока превышений ряда нижних по величине пороговых уровней эа счет помех со стдроны телеграфных станций или энергосети, величина дп 1 увеличивается в несколько раз или на один-два порядка (в 5-140 раз), в то время как вариации параметра а при этом меняются менее существенно и могут оставаться в пределах их изменений за счет контролируемой грозовой активности, Работа предлагаемого устройства основана на том, что за окончательную оценку и принимаются только те значения, при которых одновременно вариации дп остаются в количественно допустимых пределах. В соответствии с указанным выше алгоритмом (см, выражения (12) - (19) с помощью элементов 20 - 29 осуществляется определение величины д на каждом временном шаге работы устройства, равного периоду наблюдения Т-2000 с. Величина Т выбирается в зависимости От интенсивности потока атмосфериков, При повышенном потоке выбирается меньшее значение Т (но не менее 100 с), при пониженном потоке выбирается большое значение Т, но не более 2000 с(-30 мин - приближенно верхняя граница интервала стационарности потока),С помощью второго управляемого (от выхода хронизатора 19) источника 20 напряжений, имеющего две группы выходов, вырабатываются напряжения, пропорциональнь 1 е величинам а) (19) и ) (18), причем группа выходов величин а( поступает на вторые ключи 21, а группа выходов величин Ь поступает на вторую логическую схему 26, соединенную И вторыми входами с вторыми выходами первых ключей 9, на которых вырабатываются,пусковые импульсы утех ключей, которые находятся в каналах, где выполняетсяусловие(10),т,е,когдапР(1)Е 0. Напряжения, пропорциональные а(, поступающие на входы вторых ключей 21, проходят на их выход в тех каналах, где есть пусковой импульс на вторых входах этих ключей, соединенных с выходами первых ключей 9, Таким Образом, на выходе К извторых ключей 21 пропуска)отся на вход первых умножителей 22 вели)ины а) от 1до 1-К, учитывая, что 1=1 соответствует первому минимальному по уровню порогу Е=Ела=Ем (см, (1) первых пороговых элементов 4. На вторые входы первых умножителей 22 поступает с выхода цифроаналогового преобразователя 18 напряжение, пропорциональное гп. На выходе первых умножителей 22 таким образом получаются напряжения 31"-а 1 щ согласно (16). Они поступают на входы третьих сумматоров 23, на вторые входы которых подаются напряжения, пропорциональные 01=1 пР( цЕ 1) со-, гласно (15), в результате чего на выходе их получаются суммы 0+%, которые поступают на четвертый сумматор 24, вырабатывающий сумму (14), пропорциональную напряжению гмин. Оно поступает на вход второго умножителя 28. Пятый сумматор 25, на вход которого поступают импульсы с выходов. первых ключей 9 за исключением первого из них, т. е. с Кканалов, вырабатывает напряжение, пропорциональное числу К, которое поступает на второй вход второго делителя 27, на первый вход которого подается с выхода второй логической схемы 26 напряжение, пропорциональное величине Ь, отбираемой в схеме 26 по командам К импульсов с выходов первых ключей 9. Напряжение с выхода второго делителя 27, пропорциональное отношению Ы/К), поступает на второй вход второго умножителя 28, на выходе которого вырабатывается напряжение, пропорциональное сЪ(13), которое подается на вход третьего делителя 29, на второй вход которого поступает с выхода цифроаналогового преобразователя 18 напряжение, пропорциональное гп, в результате чего на выходе третьего делителя 29 вырабатывается напряжение, пропорциональное величине дв. Это напряжение поступает на вход индикатора 30, на второй вход которого подается с выхода хронизатора 19 пусковые импульсы, а с первого цифроаналогового преобразователя 18 напряжение, пропорциональное е, поступает на третий вход индикатора 30. Индикатор представляет собой порогово-регистрирующее устройство, которое регистрирует величины а и величины дп с одновременной отметкой тех отрезков времени наблюдения Т, в период которых оцененная величина д превышает установленное в индикаторе значение дедщ двь (20) определенное заранее из условия3 амлкЮ Ада Рл,мв где Ю - дискретное значение плотности вероятностей величины дп;Ьдп - интервал дискретизации дп,5 Ада = думаке/В, (22)дщмакс - максимально возможное значениедп. определяемое из опыта;В - число интервалов дискретизациид,(й 1);10 Рл - допустимая вероятность предполагаемого неправильного (ложного) решениятого, что наблюдаемое значение гя поражено неатмосферными помехами.Величина Рл является назначаемой, так"5 что она удовлетворяет условиюРл 1 (23)и выбирается равной, например, от 0,05 до10 и отражает количественно надежностьдостоверных оценок величин гп, а следова 20 тельно, и реальной грозовой активности.Индикатор-регистратор может быть соединен с любым сигнальным устройством, оповещающим реальную грозовую обстановку,На фиг. 2 представлен образец гистограммы25 дискретного распределения плотности вероятностей В/1, полученной автором поданным оценок д численным путем длявыборки из 290 экспериментально полученных зависимостей ( Е) на К=6 пороговых30 уровнях от Ен=30 мв/м до Еак=500 мВ/м,отражающих грозовые радиоизлучения в течение суток в условиях заведомого отсутствия каких-либо неатмосферных помех нарезультаты изме 1 оений, когда величина име 35 няласа от 3,2 с (утренние часы) до 33 с(послеполуденные часы) при регистрацииУ(Е) в летнее время.Предложенное устройство по сравнению с известным обеспечивает технический40 эффект, состоящий в следующем,Контроль грозовой обстановки по вариациям величины в осуществляется приодновременном количественном инструментальном контроле допустимой погреш 45 ности оценки параметра за счет возможногонепредсказуемого действия неатмосферныхпомех, чем обеспечивается повышение помехоустойчивости устройства. Контроль оценкивеличины гл осуществляется с заданной коли 50 чественной вероятностной мерой надежности ввиде вероятности Рл. Устраняется трудоемкаяроль оператора в постоянном визуальном наблюдении помеховой обстановки в эфире ивытекающие из этого субаективные оценки55 помеховой обстановки.Все факторы технического эффектаобеспечивают повышение помехоустойчивости контроля грозовой обстановки, в частности в индустриальных зонах, подверженных, Максимишинец Корре Тираж ПодписноеГосударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Заказ 7 ВНИо-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Производ возможному непредсказуемому появлению неатмосферных радиопомех. например, в аэропортах, вблизи важных промышленных или хозяйственных объектов и т. и. Этот эффект, кроме того, выражается в зкономии 5 в течение, например, одного летнего сезона трудовых затрат 7200 человекочасов при двухсменной работе операторов. Все элементы устройства являются стандартными элементами радио- и вычислительной тех ники.Ф о рмула изобретенияУстройство для измерения характеристик атмосфериков по авт. св, М 746373, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повыше ния помехоустойчивости, в него введены не менее чем две цепочки из последовательно соединенных второго ключа, первого умножителя и третьего сумматора; последовательно соединенные с четвертым сум матором, вторым умножителем и третьим делителем, а также пятый сумматор, второй управляемый источник напряжения, последовательно соединенные вторая логическая схема и второй делитель, выход которого 25 соединен с вторым входом второго умножителя, а второй вход - с выходом пятого сумматора, входы которого соединены с вторыми выходами первых ключей, начиная с второго канала, вторые выходы первых ключей соединены с соответствующими входами второй логической схемы и входами соответствующих вторых ключей, вторые входы которых соединены с соответствующими первыми выходами второго управляемого источника напряжения, вторые выходы которого соединены с соответствующими вторыми входами второй логической схемы, первый вход второго управляемого источника напряжения соединен с выходом хронизатора, а его второй вход и вторые входы первых умножителей соединены с выходом цифроаналогового преобразователя, выходы третьихсумматоров подключены к соответствующим входам четвертого сумматора, а их вторые входы соединены с вь 1 ходами соответствующих логарифмических усилителей, выход третьего делителя соединен с вторым входом индикатора, а второй вход - с выходом цифроаналогового преобразователя, при этом интегратор и логарифмический усилитель в каждом канале порогового анализатора соединены через введенные последовательно соединенные второй пороговый элемент и первый делитель, причем вторые входы первых делителей соединены с вторым выходом второго порогового элемента первого канала.