УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к пеленгаторам, и предназначена для мониторинга событий, влияющих на экологию окружающей среды (молниевые разряды, взрывы газа, промышленные взрывы и др.).
Известно устройство для определения местоположения источника сигналов [1], (комбинированная система грозоопределения, состоящая из инфразвукового комплекса и электрической антенны), содержащее три микробарометра, инфразвуковой микрофон и электростатический флюксметр, подключенные через аналого-цифровые преобразователи (АЦП), к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ или микропроцессору). В устройстве местоположение источника сигнала определяется по результатам дальнейшей обработки оператором записанных сигналов. Для определения азимута используются разности времени прихода инфразвуковых сигналов на не менее, чем на три микробарометра, разнесенные друг от друга более, чем на 90 метров (трехпозиционная система регистрации), а для определения дальности используется разность времени прихода сигналов на электростатический флюксметр и инфразвуковой микрофон (или микробарометры).
Недостатками устройства являются невозможность пеленга нескольких типов источников сигналов, невозможность использования устройства на однопозиционном пункте наблюдения или на средстве передвижения, невозможность использования устройства на ближних расстояниях в реальном масштабе времени, а также низкая помехоустойчивость устройства из-за использования электрической компоненты сигнала.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является «Способ однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов и устройство для его осуществления» [2]. Устройство содержит две горизонтальные ортогонально ориентированные магнитные антенны и вертикальную электрическую антенну, два интегратора, три усилителя, три фильтра, два квадратора, сумматор, имеющий два входа и один выход, решающий блок, первый пороговый блок, одновибратор и ключевой блок, причем выход первой магнитной антенны соединен последовательно с первым интегратором, первым усилителем, первым фильтром, первым квадратором, первым входом сумматора, первым входом первого порогового блока, одновибратором и вторым входом ключевого блока, выход второй магнитной антенны соединен последовательно с вторым интегратором, вторым усилителем, вторым фильтром, вторым квадратором и вторым входом сумматора, выход электрической антенны соединен последовательно с третьим усилителем и третьим фильтром, а также третий квадратор, блок вычитания, имеющий два входа и один выход, второй пороговый блок и триггер, имеющий два входа и один выход, причем выход сумматора соединен, кроме того, последовательно с первым входом блока вычитания, первым входом ключевого блока, вторым пороговым блоком и вторым входом триггера, а выход третьего фильтра соединен последовательно с третьим квадратором и вторым входом блока вычитания, выход первого порогового блока соединен, кроме того, последовательно с первым входом триггера и решающим блоком.
Недостатками прототипа являются невозможность пеленга нескольких типов источников сигналов, большая погрешность при использовании устройства на ближних расстояниях, а также низкая помехоустойчивость устройства из-за использования электрической компоненты сигнала.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, являются возможность пеленга нескольких типов источников сигналов, уменьшение погрешности при использовании устройства на ближних расстояниях и повышение помехоустойчивости устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для определения местоположения источника сигналов, содержащее персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ), а также первый и второй идентичные каналы, каждый из которых включает первый блок магнитных антенн и последовательно соединенные первый усилитель и первый фильтр, дополнительно содержит подключенные к ПЭВМ блок системы единого времени и блок связи с абонентами, последовательно соединенные второй блок магнитных антенн, первый блок усилителей, первый блок фильтров, второй блок усилителей, второй блок фильтров, первый пороговый блок и первый блок схем ИЛИ, последовательно соединенные первый блок цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и первый блок калибраторов, подключенный ко второму блоку магнитных антенн, а также первый блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП), подключенный входами к первому блоку фильтров, а выходами подключенный к ПЭВМ, причем входы первого блока ЦАП, выходы первого порогового блока, управляющие входы первого блока усилителей, первого блока фильтров, второго блока усилителей, второго блока фильтров и первого порогового блока подключены к ПЭВМ; а в каждом канале содержит последовательно соединенные блок датчиков света, третий блок усилителей, третий блок фильтров, четвертый блок усилителей, второй пороговый блок и второй блок схем ИЛИ, последовательно соединенные пятый блок усилителей, четвертый блок фильтров, шестой блок усилителей, третий пороговый блок и третий блок схем ИЛИ, последовательно соединенные второй блок ЦАП и второй блок калибраторов, последовательно соединенные третий блок ЦАП и третий блок калибраторов, последовательно соединенные первый ЦАП, первый калибратор и сейсмометр, последовательно соединенные второй усилитель, второй фильтр, первый пороговый элемент и первую схему И, последовательно соединенные первый таймер, вторую схему И и первый счетчик, последовательно соединенные второй ЦАП и второй калибратор, последовательно соединенные микробарометр, третий усилитель, третий фильтр, четвертый усилитель, четвертый фильтр, второй пороговый элемент и третью схему И, последовательно соединенные второй таймер, четвертую схему И и второй счетчик, первый и второй АЦП, подключенные входами, соответственно, к первому и третьему фильтрам, а выходами подключенные к ПЭВМ, второй и третий блоки АЦП, подключенные входами, соответственно, к третьему и к четвертому блокам фильтров, а выходами подключенные к ПЭВМ, третий и четвертый таймеры, подключенные выходами, соответственно, ко вторым входам первой и третьей схем И, а входами запуска и управляющими входами подключенные к ПЭВМ и тактовый генератор, подключенный выходом ко вторым входам второй и четвертой схем И, причем выходы первого блока магнитных антенн подключены к пятому блоку усилителей, выходы второго и третьего блоков калибраторов подключены, соответственно, к первому блоку магнитных антенн и к блоку датчиков света, входы первого и второго усилителей подключены, соответственно, к сейсмометру и к первому фильтру, входы останова первого и второго счетчиков подключены к выходам, соответственно, первой и третьей схем И, выходы первого и второго таймеров подключены, соответственно, к третьим входам первой и третьей схем И, вход микробарометра акустически связан со вторым калибратором, выходы первого и второго счетчиков, первого и второго таймеров, второго и третьего пороговых блоков, первого и второго пороговых элементов, входы второго и третьего блоков ЦАП, входы первого и второго ЦАП, а также управляющие входы первого и второго таймеров, всех усилителей, фильтров, пороговых элементов, пороговых блоков, блоков усилителей и блоков фильтров подключены к ПЭВМ, выходы второго и третьего блоков схем ИЛИ подключены к первому блоку схем ИЛИ, выход первого блока схем ИЛИ подключен к первому и второму таймерам, а первый блок магнитных антенн выполнен в виде трех взаимно перпендикулярных магнитных антенн, второй блок магнитных антенн выполнен в виде трех взаимно перпендикулярных низкочастотных магнитных антенн, блок датчиков света выполнен в виде трех взаимно перпендикулярных оппозитных пар датчиков света, блоки усилителей, блоки фильтров, пороговые блоки, блоки калибраторов, блоки АЦП и блоки ЦАП выполнены трехканальными, второй и третий блоки схем ИЛИ выполнены с тремя входами и одним выходом, первый блок схем ИЛИ выполнен с семью входами и одним выходом, пороговые блоки и пороговые элементы выполнены с управлением по порогу, усилители и блоки усилителей выполнены с управлением по фазе, полосе пропускания и чувствительности, таймеры выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, и фильтры и блоки фильтров выполнены с управлением по полосе пропускания.
Такое выполнение устройства для определения местоположения источника сигнала обеспечивает возможность пеленга нескольких типов источников сигналов, уменьшение погрешности при использовании устройства на ближних расстояниях и повышение помехоустойчивости устройства.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства. Принятые обозначения:
1 - персональная электронно-вычислительная машина (ПЭВМ), 2 - первый блок магнитных антенн, 3 - первый усилитель, 4 - первый фильтр, 5 - блок системы единого времени, 6 - блок связи с абонентами, 7 - второй блок магнитных антенн, 8 - первый блок усилителей, 9 - первый блок фильтров, 10 - второй блок усилителей, 11 - второй блок фильтров, 12 - первый пороговый блок, 13 - первый блок схем ИЛИ, 14 - первый блок ЦАП, 15 - первый блок калибраторов, 16 - первый блок АЦП, 17 - блок датчиков света, 18 - третий блок усилителей, 19 - третий блок фильтров, 20 - четвертый блок усилителей, 21 - второй пороговый блок, 22 - второй блок схем ИЛИ, 23 - пятый блок усилителей, 24 - четвертый блок фильтров, 25 - шестой блок усилителей, 26 - третий пороговый блок, 27 - третий блок схем ИЛИ, 28 - второй блок ЦАП, 29 - второй блок калибраторов, 30 - третий блок ЦАП, 31 - третий блок калибраторов, 32 - первый ЦАП, 33 - первый калибратор, 34 - сейсмометр, 35 - второй усилитель, 36 - второй фильтр, 37 - первый пороговый элемент, 38 - первая схема И, 39 - первый таймер, 40 - вторая схема И, 41 - первый счетчик, 42 - второй ЦАП, 43 - второй калибратор, 44 - микробарометр, 45 - третий усилитель, 46 - третий фильтр, 47 - четвертый усилитель, 48 - четвертый фильтр, 49 - второй пороговый элемент, 50 - третья схема И, 51 - второй таймер, 52 - четвертая схема И, 53 - второй счетчик, 54 - первый АЦП, 55 - второй АЦП, 56 - второй блок АЦП, 57 - третий блок АЦП, 58 - третий таймер, 59 - четвертый таймер, 60 - тактовый генератор.
Устройство для определения местоположения источника сигналов содержит персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ) 1, первый и второй идентичные каналы, каждый из которых включает первый блок магнитных антенн 2 и последовательно соединенные первый усилитель 3 и первый фильтр 4, а также общие, подключенные к ПЭВМ 1, блок системы единого времени 5, блок связи с абонентами 6, последовательно соединенные второй блок магнитных антенн 7, первый блок усилителей 8, первый блок фильтров 9, второй блок усилителей 10, второй блок фильтров 11, первый пороговый блок 12 и первый блок схем ИЛИ 13, последовательно соединенные первый блок цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 14 и первый блок калибраторов 15, подключенный ко второму блоку магнитных антенн 7, а также первый блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 16, подключенный входами к первому блоку фильтров 9, а выходами подключенный к ПЭВМ 1, причем входы первого блока ЦАП 14, выходы первого порогового блока 12, управляющие входы первого блока усилителей 8, первого блока фильтров 9, второго блока усилителей 10, второго блока фильтров 11 и первого порогового блока 12 подключены к ПЭВМ 1, а в каждом канале содержит последовательно соединенные блок датчиков света 17, третий блок усилителей 18, третий блок фильтров 19, четвертый блок усилителей 20, второй пороговый блок 21 и второй блок схем ИЛИ 22, последовательно соединенные пятый блок усилителей 23, четвертый блок фильтров 24, шестой блок усилителей 25, третий пороговый блок 26 и третий блок схем ИЛИ 27, последовательно соединенные второй блок ЦАП 28 и второй блок калибраторов 29, последовательно соединенные третий блок ЦАП 30 и третий блок калибраторов 31, последовательно соединенные первый ЦАП 32, первый калибратор 33 и сейсмометр 34, последовательно соединенные второй усилитель 35, второй фильтр 36, первый пороговый элемент 37 и первую схему И 38, последовательно соединенные первый таймер 39, вторую схему И 40 и первый счетчик 41, последовательно соединенные второй ЦАП 42 и второй калибратор 43, последовательно соединенные микробарометр 44, третий усилитель 45, третий фильтр 46, четвертый усилитель 47, четвертый фильтр 48, второй пороговый элемент 49 и третью схему И 50, последовательно соединенные второй таймер 51, четвертую схему И 52 и второй счетчик 53, первый АЦП 54 и второй АЦП 55, подключенные входами, соответственно, к первому и третьему фильтрам 4, 46, а выходами подключенные к ПЭВМ 1, второй блок АЦП 56 и третий блок АЦП 57, подключенные входами, соответственно, к третьему и к четвертому блокам фильтров 19, 24, а выходами подключенные к ПЭВМ 1, третий таймер 58 и четвертый таймер 59, подключенные выходами, соответственно, ко вторым входам первой и третьей схем И 38, 50, а входами запуска и управляющими входами подключенные к ПЭВМ 1 и тактовый генератор 60, подключенный выходом ко вторым входам второй и четвертой схем И 40, 52, причем выходы первого блока магнитных антенн 2 подключены к пятому блоку усилителей 23, выходы второго и третьего блоков калибраторов 29, 31 подключены, соответственно, к первому блоку магнитных антенн 2 и к блоку датчиков света 17, входы первого и второго усилителей 3, 35 подключены, соответственно, к сейсмометру 34 и к первому фильтру 4, входы останова первого и второго счетчиков 41, 53 подключены к выходам, соответственно, первой и третьей схем И 38, 50, выходы первого и второго таймеров 39, 51 подключены, соответственно, к третьим входам первой и третьей схем И 38, 50, вход микробарометра 44 акустически связан со вторым калибратором 43, выходы первого и второго счетчиков 41, 53, первого и второго таймеров 39, 51, второго и третьего пороговых блоков 21, 26, первого и второго пороговых элементов 37, 49, входы второго и третьего блоков ЦАП 28,30, входы первого и второго ЦАП 32, 42, а также управляющие входы первого и второго таймеров 39, 51, всех усилителей, фильтров, пороговых элементов, пороговых блоков, блоков усилителей и блоков фильтров подключены к ПЭВМ 1, выходы второго и третьего блоков схем ИЛИ 22, 27 подключены к первому блоку схем ИЛИ 13, выход первого блока схем ИЛИ 13 подключен к первому и второму таймерам 39, 51, а первый блок магнитных антенн 2 выполнен в виде трех взаимно перпендикулярных магнитных антенн, второй блок магнитных антенн 7 выполнен в виде трех взаимно перпендикулярных низкочастотных магнитных антенн, блок датчиков света 17 выполнен в виде трех взаимно перпендикулярных оппозитных пар датчиков света, блоки усилителей, блоки фильтров, пороговые блоки, блоки калибраторов, блоки АЦП и блоки ЦАП выполнены трехканальными, второй и третий блоки схем ИЛИ 22, 27 выполнены с тремя входами и одним выходом, первый блок схем ИЛИ 13 выполнен с семью входами и одним выходом, пороговые блоки и пороговые элементы выполнены с управлением по порогу, усилители и блоки усилителей выполнены с управлением по фазе, полосе пропускания и чувствительности, таймеры выполнены с управлением по длительности выходного сигнала, и фильтры и блоки фильтров выполнены с управлением по полосе пропускания.
Устройство для определения местоположения источника сигналов, установленное на однопозиционном пункте наблюдения с одной точкой регистрации нижних частот электромагнитного излучения (ЭМИ) и с двумя точками регистрации ЭМИ, инфразвука, света и сейсмических колебаний работает следующим образом. При возникновении, например, молниевого разряда, взрыва газа, промышленного взрыва, падения метеорита, сначала на пункте наблюдения возможна регистрация быстрых сигналов - ЭМИ и света. По любому из быстрых сигналов запускаются счетчики разностей времени между быстрыми и сопутствующими медленными сигналами - инфразвуковыми и сейсмическими сигналами. По возможным быстрым сигналам определяется направление на источник сигналов и приближенное местонахождение, а по медленным сигналам уточняется местонахождение источника сигналов. Прием и обработка сигналов осуществляются следующим образом. При появлении ЭМИ токи, наведенные в первом блоке магнитных антенн 2 от источника сигналов, через пятый блок усилителей 23, четвертый блок фильтров 24 и третий блок АЦП 57, поступают в ПЭВМ 1. Аналогично, сигналы блока датчиков света 17 через третий блок усилителей 18, третий блок фильтров 19 и второй блок АЦП 56, поступают в ПЭВМ 1, где начинается цикл обработки информации при превышении сигналами первого блока магнитных антенн 2 или блока датчиков света 17 заданных пороговых значений. Принятые сигналы двух ортогональных пар антенн из двух первых блоков магнитных антенн, установленных в точках регистрации в горизонтальной плоскости так, что одна из двух антенн первой точки регистрации ориентирована максимумом диаграммы направленности на максимум диаграммы направленности антенны второй точки регистрации, используются для определения известными способами [3] углов α, β прихода сигнала ЭМИ на точки регистрации т.е. углов между направлением из одной точки регистрации на другую точку регистрации и направлением из каждой точки регистрации на источник сигналов ЭМИ, например, по формулам,
1
2
1
где A, А - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 1 из третьего блока АЦП 57 от антенн первой точки регистрации, размещенных в горизонтальной плоскости, причем А - амплитуда сигналов от антенны, ориентированной максимумом диаграммы направленности на вторую точку регистрации;
3
4
3
А, А - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 1 из третьего блока АЦП 57 от антенн второй точки регистрации, размещенных в горизонтальной плоскости, причем A - амплитуда сигналов от антенны, ориентированной максимумом диаграммы направленности на первую точку регистрации.
Для регистрации света в пределах полусферы используется комплект датчиков света с зависимостью амплитуды сигнала от координат, как, например, в патенте США [4]. В конкретном случае эта зависимость достигается установкой на датчиках света оптических фильтров, обеспечивающих диаграмму чувствительности в горизонтальной плоскости в виде окружности, касательной к плоскости датчика света. Пара таких датчиков света, направленных в противоположные стороны, обеспечивает диаграмму чувствительности в горизонтальной плоскости в виде восьмерки, как у магнитной антенны. Принятые сигналы двух ортогональных пар датчиков света, установленных в точках регистрации в горизонтальной плоскости так, что одна из двух пар датчиков света первой точки регистрации ориентирована максимумом диаграммы чувствительности на максимум диаграммы чувствительности пары датчиков света второй точки регистрации, используются для определения известным аналогичным способом [3] углов α, β прихода света на точки регистрации т.е. углов между направлением из одной точки регистрации на другую точку регистрации и направлением из каждой точки регистрации на источник света, например, по формулам,
5
6
6
где A, А, - амплитуды сигналов, поступающих в ПЭВМ 1 из второго блока АЦП 56 от датчиков света первой точки регистрации, размещенных в горизонтальной плоскости, причем A - амплитуда сигналов от датчиков света, ориентированных максимумом диаграммы чувствительности на вторую точку регистрации;
7
8
8
A, A - амплитуды сигналов, поступающих в ПЭВМ 1 из второго блока АЦП 56 от датчиков света второй точки регистрации, размещенных в горизонтальной плоскости, причем A - амплитуда сигналов от датчиков света, ориентированных максимумом диаграммы чувствительности на первую точку регистрации.
Одновременно сигналы ортогональных антенн с выходов четвертого блока фильтров 24 поступают через шестой блок усилителей 25 на третий пороговый блок 26. При превышении сигналами значений, заданных ПЭВМ 1, на выходах третьего порогового блока 26 формируются логические единицы, поступающие на третий блок схем ИЛИ 27, выходной сигнал которого поступает на первый блок схем ИЛИ 13, запускающий своим выходным сигналом первый и второй таймеры 39, 51. Выходные сигналы первого и второго таймеров 39, 51 разрешают прохождение импульсов от тактового генератора 60 через вторую схему И 40 на первый счетчик 41 и подготавливают первую схему И 38, а также через четвертую схему И 52 на второй счетчик 53 и подготавливают третью схему И 50. Таким образом, начинается отсчет времени с момента прихода на пункт наблюдения электромагнитного излучения (ЭМИ) зарегистрированного явления, например, грозового разряда.
Принятые сигналы ортогональных пар датчиков света с выходов третьего блока фильтров 19 поступают через четвертый блок усилителей 20 на второй пороговый блок 21. При превышении сигналами значений, заданных ПЭВМ 1, на выходах второго порогового блока 21 формируются логические единицы, поступающие на второй блок схем ИЛИ 22, выходной сигнал которого поступает на первый блок схем ИЛИ 13, запускающий своим выходным сигналом первый и второй таймеры 39, 51. Выходные сигналы первого и второго таймеров 39, 51 разрешают прохождение импульсов от тактового генератора 60 через вторую схему И 40 на первый счетчик 41 и подготавливают первую схему И 38, а также через четвертую схему И 52 на второй счетчик 53 и подготавливают третью схему И 50. Таким образом, начинается отсчет времени с момента прихода на пункт наблюдения светового излучения зарегистрированного явления, например, грозового разряда, с остановом первого счетчика 41 и второго счетчика 53 при появлении, соответственно, сейсмического сигнала и инфразвука.
1
2
Сопутствующая этому явлению сейсмическая волна приходит позднее ЭМИ (света) на первую и вторую точки регистрации сейсмических волн, находящиеся на пункте наблюдения, принимается сейсмометрами 34 первого и второго каналов, выходные сигналы которых поступают в ПЭВМ 1 через первый усилитель 3, первый фильтр 4 и первый АЦП 54. Кроме того, выходные сигналы сейсмометров 34 поступают через второй усилитель 35 и второй фильтр 36 на первый пороговый элемент 37. При превышении сигналом значения, заданного ПЭВМ 1, на выходе первого порогового элемента 37 формируется логическая единица, поступающая на первую схему И 38, выходной сигнал которой, при наличии разрешающего сигнала на втором входе от третьего таймера 58, останавливает первый счетчик 41 и фиксирует интервалы времени между приходами ЭМИ (света) и сейсмических волн на первую и вторую точки регистрации. Полученные значения интервалов времени с выходов первых счетчиков 41 поступают в ПЭВМ 1, где по известному значению для данного региона скорости сейсмических волн определяются расстояния А, В от точек регистрации до источника сигналов, а с учетом полученных направлений α, β на источник сигналов из точек регистрации определяется приближенное местоположение источника сигналов. Однако реальная скорость сейсмических волн на трассе зависит от местности и может отличаться от известной региональной скорости сейсмических волн. Для уточнения местоположения источника сигналов определяется уточненная скорость сейсмических волн на трассах от источника сигналов до точек регистрации по известному расстоянию С между точками регистрации, углам α, β прихода сигнала ЭМИ (света) на точки регистрации и интервалам времени Δt, Δt между приходом ЭМИ (света) и сейсмических волн на точки регистрации. Из полученного треугольника следует:
A·cosα+В·cosβ=С;
1
2
А=V·Δt; В=V·Δt;
1
2
V=С/(Δt·cosα+Δt·cosβ),
где A - расстояние от первой точки регистрации до источника сигналов,
В - расстояние от второй точки регистрации до источника сигналов,
С - расстояние между первой и второй точками регистрации,
α, β - углы прихода сигнала ЭМИ (света) на первую и вторую точки регистрации,
1
Δt - интервал времени между приходом ЭМИ (света) и сейсмических волн на первую точку регистрации,
2
Δt - интервал времени между приходом ЭМИ (света) и сейсмических волн на вторую точку регистрации,
V - уточненная скорость сейсмических волн на трассах от источника сигналов до точек регистрации.
По уточненной скорости сейсмических волн и интервалам времени между приходом ЭМИ (света) и сейсмических волн на точки регистрации определяются уточненные значения А, В и уточненное местоположение источника сигналов.
3
4
Аналогично, сопутствующая этому явлению инфразвуковая волна приходит позднее ЭМИ на первую и вторую точки регистрации инфразвука, находящиеся на пункте наблюдения, принимается микробарометрами 44 первого и второго каналов, выходные сигналы которых поступают в ПЭВМ 1 через третий усилитель 45, третий фильтр 46 и второй АЦП 55. Кроме того, выходные сигналы микробарометров 44 поступают через четвертый усилитель 47 и четвертый фильтр 48 на второй пороговый элемент 49. При превышении сигналом значения, заданного ПЭВМ 1, на выходе второго порогового элемента 49 формируется логическая единица, поступающая на третью схему И 50, выходной сигнал которой, при наличии разрешающего сигнала на втором входе от четвертого таймера 59, останавливает второй счетчик 53 и фиксирует интервалы времени между приходами ЭМИ (света) и инфразвука на первую и вторую точки регистрации. Полученные значения интервалов времени с выходов вторых счетчиков 53 поступают в ПЭВМ 1, где по заранее измеренному при калибровке микробарометров значению скорости инфразвука определяются расстояния А, В от точек регистрации до источника сигналов, а с учетом полученных направлений α, β на источник сигналов из точек регистрации определяется приближенное местоположение источника сигналов. Однако реальная скорость инфразвука на трассе зависит от местности и может отличаться от скорости инфразвука, полученной при калибровке микробарометров. Для уточнения местоположения источника сигналов определяется уточненная скорость инфразвука на трассах от источника сигналов до точек регистрации по известному расстоянию С между точками регистрации, углам α, β прихода сигнала ЭМИ (света) на точки регистрации и интервалам времени Δt, Δt между приходом ЭМИ (света) и инфразвука на точки регистрации. Из полученного треугольника следует:
A·cosα+В·cosβ=С;
1
3
1
4
A=VΔt; В=V·Δt;
1
3
4
V=С/(Δt·cosα+Δt·cosβ),
где A - расстояние от первой точки регистрации до источника сигналов,
В - расстояние от второй точки регистрации до источника сигналов,
С - расстояние между первой и второй точками регистрации,
α, β - углы прихода сигнала на первую и вторую точки регистрации,
3
Δt - интервал времени между приходом ЭМИ (света) и инфразвука на первую точку регистрации,
4
Δt - интервал времени между приходом ЭМИ (света) и инфразвука на вторую точку регистрации,
1
V - уточненная скорость инфразвука на трассах от источника сигналов до точек регистрации.
По уточненной скорости инфразвука и интервалам времени между приходом ЭМИ (света) и инфразвука на точки регистрации определяются уточненные значения А, В и уточненное местоположение источника сигналов.
При появлении сигналов источников низкочастотного ЭМИ токи, наведенные во втором блоке магнитных антенн 7 от источника сигналов, через первый блок усилителей 8, первый блок фильтров 9 и первый блок АЦП 16, поступают в ПЭВМ 1.
1
Принятые сигналы пары ортогональных антенн из второго блока низкочастотных магнитных антенн, установленных на пункте наблюдения в горизонтальной плоскости так, что одна из двух антенн ориентирована максимумами диаграммы направленности в направлении из одной точки регистрации на другую точку регистрации, используются для определения известными способами [3] угла α прихода сигнала низкочастотного ЭМИ на пункт наблюдения, т.е. угла между направлением из одной точки регистрации на другую точку регистрации и направлением из пункта наблюдения на источник сигналов низкочастотного ЭМИ, например, по формуле,
,
9
10
10
где А, А - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 1 из первого блока АЦП 16 от низкочастотных антенн пункта наблюдения, размещенных в горизонтальной плоскости, причем A - амплитуда сигналов от антенны, ориентированной максимумами диаграммы направленности в направлении из одной точки регистрации на другую точку регистрации.
Одновременно сигналы низкочастотных ортогональных антенн с выходов первого блока фильтров 9 поступают через второй блок усилителей 10 и второй блок фильтров 11 на первый пороговый блок 12. При превышении сигналами значений, заданных ПЭВМ 1, на выходах первого порогового блока 12 формируются логические единицы, поступающие на первый блок схем ИЛИ 13, выходной сигнал которого запускает первый и второй таймеры 39, 51. Выходные сигналы первого и второго таймеров 39, 51 разрешают прохождение импульсов от тактового генератора 60 через вторую схему И 40 на первый счетчик 41 и подготавливают первую схему И 38, а также через четвертую схему И 52 на второй счетчик 53 и подготавливают третью схему И 50. Таким образом, начинается отсчет времени с момента прихода на пункт наблюдения низкочастотного электромагнитного излучения (ЭМИ) для идентификации зарегистрированного явления, например, магнитной бури.
При отсутствии сейсмического или инфразвукового сигнала первый счетчик 41 останавливается и обнуляется после окончания сигнала первого таймера 39, а второй счетчик 53 останавливается и обнуляется после окончания сигнала второго таймера 51.
Комбинация принятых сигналов, поступающих в ПЭВМ 1 с выходов АЦП, пороговых блоков и пороговых элементов, служит для идентификации явления, например:
- ЭМИ или (и) вспышка и инфразвук сопровождают молниевый разряд;
- вспышка, инфразвук и сейсмический сигнал сопровождают открытый промышленный взрыв;
- вспышка и инфразвук сопровождают открытый взрыв газа;
- низкочастотные ЭМИ при отсутствии прочих сигналов сопровождают магнитные бури и т.д.
Для предотвращения ложных остановов первого и второго счетчиков 41, 53 от более поздних ближних сигналов, которые могут появиться за время распространения сейсмических волн или инфразвука, в ПЭВМ 1 вычисляются приближенное значение дальности и ожидаемые моменты прихода сейсмических волн и инфразвука с запасом на ошибки оценки дальности и скорости распространения инфразвука и сейсмических волн, а по показаниям первого и второго счетчиков 41, 53 в нужный момент ПЭВМ 1 открывает временное окно с помощью третьего таймера 58 для прохождения сигнала останова первого счетчика 41 и открывает временное окно с помощью четвертого таймера 59 для прохождения сигнала останова второго счетчика 53.
Вычисление приближенного значения дальности производится до прихода сейсмических волн и инфразвука. Для этого по полученным углам прихода ЭМИ (света) и известному расстоянию между точками регистрации решается геометрическая задача нахождения сторон треугольника по двум углам и прилегающей стороне, т.е. определяются расстояния А, В от точек регистрации до источника сигналов, а с учетом полученных направлений на источник сигналов и расстояний от точек регистрации определяется приближенное местоположение источника сигналов, которое далее используется для расчета разрешенных временных интервалов регистрации прихода сейсмических волн и инфразвука с целью защиты от помех, приходящих за время прохождения сейсмических волн и инфразвука от источника сигналов до пункта наблюдения. Для малых углов, близких к 0 или 180 градусам, когда ошибка триангуляции велика, ПЭВМ 1 открывает временное окно сразу же после прихода ЭМИ (света), учитывая малую вероятность трех событий - размещение источника помех на тех же малых углах, что и источник сигналов, размещение источника помехи ближе, чем источник сигналов, и возникновение помехи раньше, чем сейсмическая волна или инфразвук от источника сигналов войдет в зону близости источника помехи, однако, при необходимости, вычисление приближенного значения дальности может быть проведено для низкочастотных ЭМИ или малых углов прихода ЭМИ по результатам анализа спектра сигнала ЭМИ по формуле, учитывающей изменение спектра сигнала ЭМИ в зависимости от пройденного расстояния [5]:
,
где R - расстояние до источника сигнала, С - скорость света,
1
2
ω, ω - соответственно, верхняя и нижняя частоты спектра сигнала ЭМИ,
1
2
Н, H - соответственно, амплитуды сигналов нижней и верхней частоты сигнала ЭМИ.
При появлении помехи, не забивающей весь рабочий диапазон частот, в ПЭВМ 1 по результатам предварительного частотного анализа формируются управляющие сигналы для диапазонов сигналов ЭМИ, света, сейсмических и инфразвука отдельно, которые подаются на управляющие входы первого и второго блоков фильтров 9, 11 диапазона сигналов низкочастотного ЭМИ, на управляющие входы третьего блока фильтров 19 диапазона сигналов света, на управляющие входы четвертого блока фильтров 24 диапазона сигналов ЭМИ, на управляющие входы первого и второго фильтров 4, 36 диапазона сейсмических сигналов, а также на управляющие входы третьего и четвертого фильтров 46, 48 диапазона сигналов инфразвука и с помощью цифровых потенциометров вырезают из полосы пропускания участки частот помехи.
Для защиты от ложных сигналов (например, солнечных бликов, длительных сигналов ЭМИ и др.) ПЭВМ 1 периодически опрашивает все приемники ЭМИ, света, инфразвука и сейсмических колебаний (с выходов соответствующих АЦП) и устанавливает для каждого приемника пороги срабатывания соответствующих пороговых блоков и элементов.
Требуемые амплитудные и фазовые соотношения сигналов формируются с помощью команд ПЭВМ 1, поступающих на управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого блоков усилителей 8, 10, 18, 20, 23, 25, а также на управляющие входы первого, второго, третьего и четвертого усилителей 3, 35, 45, 47, (с помощью цифровых потенциометров).
Указанные режимы работы устройства могут быть реализованы одновременно в разных комбинациях, с использованием отдельного управления для каждого усилителя, фильтра и порогового блока.
Для контроля усилительно-преобразовательных трактов предусмотрена подача калибровочных сигналов на первый блок магнитных антенн 2 от второго блока калибраторов 29, управляемого ПЭВМ 1 с помощью второго блока ЦАП 28, и на второй блок магнитных антенн 7 от первого блока калибраторов 15, управляемого ПЭВМ 1 с помощью первого блока ЦАП 14, подача калибровочных сигналов на блок датчиков света 17 от третьего блока калибраторов 31, управляемого ПЭВМ 1 с помощью третьего блока ЦАП 30, а также подача калибровочных сигналов на сейсмометр 34 от первого калибратора 33, управляемого ПЭВМ 1 с помощью первого ЦАП 32. Калибровка микробарометра 44 осуществляется с помощью второго калибратора 43. Второй калибратор 43 является управляемым от ПЭВМ 1 с помощью второго ЦАП 42 источником импульсного и синусоидального инфразвука, в конкретном случае это усилитель мощности с динамическим громкоговорителем. Второй калибратор 43 установлен на расстоянии нескольких метров от микробарометра 44 и акустически связан с последним через окружающую среду. В процессе калибровки определяются амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) микробарометра 44 с третьим усилителем 45 и третьим фильтром 46, а также скорость инфразвука на текущий момент. Для этого в памяти ПЭВМ 1 хранятся цифровые образы эталонных синусоидальных сигналов и импульсного сигнала, которые из ПЭВМ 1 передаются во второй калибратор 43 через второй ЦАП 42. Для снятия АЧХ на микробарометр 44 от второго калибратора 43 подаются эталонные синусоидальные акустические сигналы с частотами рабочего диапазона микробарометра, которые преобразуются, усиливаются, фильтруются и через второй АЦП 55 поступают в ПЭВМ 1, где вычисляется АЧХ. Для определения скорости инфразвука на текущий момент ПЭВМ 1 подает эталонный импульсный сигнал на второй калибратор 43 и одновременно запускает четвертый таймер 59, а через второй таймер 51 запускает второй счетчик 53, который начинает отсчет времени прохождения инфразвуком известного расстояния между вторым калибратором 43 и микробарометром 44. Выходной сигнал микробарометра 44 через третий усилитель 45, третий фильтр 46, а также через четвертый усилитель 47 и четвертый фильтр 48 поступает на второй пороговый элемент 49 и третью схему И 50 и останавливает второй счетчик 53. Полученное значение интервала времени с выхода второго счетчика 53 поступает в ПЭВМ 1, где по известному расстоянию между вторым калибратором 43 и микробарометром 44 определяется скорость инфразвука на текущий момент для расчета расстояния до источника сигнала.
Информация, полученная в процессе работы, привязывается к единому времени с помощью блока 5 системы единого времени (Глонасс), и передается по назначению с помощью блока 6 связи с абонентами.
Таким образом, предлагаемое устройство для определения местоположения источника сигналов в сравнении с прототипом обеспечивает возможность пеленга нескольких типов источников сигналов, уменьшение погрешности при использовании устройства на ближних расстояниях и повышение помехоустойчивости устройства.
Источники информации
1. Электромагнитная акустическая система обнаружения грозовых разрядов, К.В. Вознесенская, А.В. Соловьев, И.С. Гибанов, Д.С. Провоторов, М.В. Чепчугов, А.А. Бочаров, Вестник науки Сибири. Серия Инженерные науки 2012. №5 (6), стр. 70-75, http://sjs.tpu.ru/journal/article/view/510/420, УДК 534.321.8
2. Способ однопунктовой дальнометрии грозовых разрядов и устройство для его осуществления (патент РФ №2085965 C1, G01S 13/95, 1995 г., опубл. 27.07.1997 г.)
3. Широкополосное двухкомпонентное приемное антенное устройство (патент РФ №2474014 C1, H01Q 7/04, 2011 г., опубл. 27.01.2013)
4. Панорамный фотоэлектрический обнаружитель молний (патент США №3937951, H01J 39/12, 1974 г. опубл. 10.02.1976 г.)
5. Способ и устройство штормового предупреждения (патент США №4672305, G01N 31/02, 1984 г. опубл. 09.07.1987 г.)