Устройство для определения местоположения источника сигналов
DEVICE FOR DETERMINATION OF LOCATION SOURCE OF SIGNALS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пеленгаторам, и предназначено 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 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 заявляемым изобретением, 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 пороговый блок, первый блок схем ИЛИ, первый таймер, первую схему И и первый блок счетчиков, последовательно соединенные приемник радиации, второй усилитель и первый пороговый элемент, последовательно соединенные блок приемников температуры, второй блок усилителей, второй пороговый блок, и первый блок схем И, а также первый тактовый генератор, подключенный ко второму входу первой схемы И и первый блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП), подключенный входами к первому и второму блокам усилителей, а выходами подключенный к ПЭВМ, причем выход первого таймера подключен к ПЭВМ и ко вторым входам первого блока схем И, выходы первого блока схем И подключены ко входам останова первого блока счетчиков, выход первого порогового элемента подключен к первому блоку схем ИЛИ и к ПЭВМ, выходы первого и второго пороговых блоков, выходы первого блока счетчиков, третьи входы первого блока схем И, управляющие входы первого и второго блоков усилителей, второго усилителя, первого и второго пороговых блоков, первого порогового элемента и первого таймера подключены к ПЭВМ, а в каждом канале дополнительно содержит последовательно соединенные блок датчиков света, третий блок усилителей, первый блок фильтров, четвертый блок усилителей, третий пороговый блок и второй блок схем ИЛИ, последовательно соединенные пятый блок усилителей, второй блок фильтров, шестой блок усилителей, четвертый пороговый блок и третий блок схем ИЛИ, последовательно соединенные первый блок цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) и первый блок калибраторов, последовательно соединенные второй блок ЦАП и второй блок калибраторов, последовательно соединенные первый ЦАП, первый калибратор и сейсмометр, последовательно соединенные третий усилитель, второй фильтр, второй пороговый элемент и вторую схему И, последовательно соединенные второй таймер, третью схему И и счетчик, последовательно соединенные второй ЦАП и второй калибратор, последовательно соединенные блок микробарометров, седьмой блок усилителей, третий блок фильтров, восьмой блок усилителей, четвертый блок фильтров, пятый пороговый блок и второй блок схем И, последовательно соединенные третий таймер, четвертую схему И и второй блок счетчиков, а также АЦП и второй блок АЦП, подключенные входами, соответственно, к первому фильтру и третьему блоку фильтров, а выходами подключенные к ПЭВМ, третий и четвертый блоки АЦП, подключенные входами, соответственно, к первому и ко второму блокам фильтров, а выходами подключенные к ПЭВМ, четвертый и пятый таймеры, подключенные выходами, соответственно, ко вторым входам второй схемы И и второго блока схем И, а входами запуска и управляющими входами подключенные к ПЭВМ, второй тактовый генератор, подключенный выходом ко вторым входам третьей и четвертой схем И, схему ИЛИ, подключенную входами ко второму пороговому элементу и к первому блоку ИЛИ, а выходом подключенную к третьему таймеру, и пятую схему И, подключенную первым и вторым входами, соответственно, к третьему таймеру и к первому блоку ИЛИ, инверсным входом подключенную ко второму таймеру, а выходом подключенную к управляющим входам второго и третьего таймеров, причем выходы первого блока магнитных антенн подключены к пятому блоку усилителей, выходы первого и второго блоков калибраторов подключены, соответственно, к первому блоку магнитных антенн и к блоку датчиков света, входы первого и третьего усилителей подключены, соответственно, к сейсмометру и к первому фильтру, входы останова счетчика и второго блока счетчиков подключены к выходам, соответственно, второй схемы И и второго блока схем И, выходы второго и третьего таймеров подключены, соответственно, к третьим входам второй схемы И и второго блока схем И, входы блока микробарометров акустически связаны со вторым калибратором, входы обнуления счетчика и второго блока счетчиков подключены к выходу пятой схемы И, выходы счетчика и второго блока счетчиков, второго и третьего таймеров, третьего, четвертого и пятого пороговых блоков, второго порогового элемента, входы первого и второго блоков ЦАП, входы первого и второго ЦАП, а также управляющие входы второго и третьего 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 ко второму таймеру, 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, блок приемников температуры выполнен в виде 2n (n≥2) размещенных равномерно по окружности в горизонтальной плоскости теплоизолированных друг от друга приемников температуры, второй блок усилителей, второй пороговый блок, первый блок схем И и первый блок счетчиков выполнены 2n-канальными, первый блок АЦП выполнен (2n+3)-канальным, блок микробарометров выполнен в виде 2m (m≥2) размещенных равномерно по окружности в горизонтальной плоскости акустически изолированных друг от друга микробарометров, седьмой и восьмой блоки усилителей, третий и четвертый блоки фильтров, пятый пороговый блок, второй блок схем И, второй блок АЦП и второй блок счетчиков выполнены 2m-канальными, первый, третий, четвертый, пятый и шестой блоки усилителей, первый и второй блоки фильтров, первый, третий и четвертый пороговые блоки, первый и второй блоки калибраторов, третий и четвертый блоки АЦП и первый и второй блоки ЦАП выполнены трехканальными, второй и третий блоки схем ИЛИ выполнены с тремя входами и одним выходом, первый блок схем ИЛИ выполнен с восемью входами и одним выходом, пороговые блоки, первый, второй и третий 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 пороговый блок, 10 - первый блок схем ИЛИ, 11 - первый таймер, 12 - первая схема И, 13 - первый блок счетчиков, 14 - приемник радиации, 15 - второй усилитель, 16 - первый пороговый элемент, 17 - блок приемников температуры, 18 - второй блок усилителей, 19 - второй пороговый блок, 20 - первый блок схем И, 21 - первый тактовый генератор, 22 - первый блок АЦП, 23 - блок датчиков света, 24 - третий блок усилителей, 25 - первый блок фильтров, 26 - четвертый блок усилителей, 27 - третий пороговый блок, 28 - второй блок ИЛИ, 29 - пятый блок усилителей, 30 - второй блок фильтров, 31 - шестой блок усилителей, 32 - четвертый пороговый блок, 33 - третий блок схем ИЛИ, 34 - первый блок цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), 35 - первый блок калибраторов, 36 - второй блок ЦАП, 37 - второй блок калибраторов, 38 - первый ЦАП, 39 - первый калибратор, 40 - сейсмометр, 41 - третий усилитель, 42 - второй фильтр, 43 - второй пороговый элемент, 44 - вторая схема И, 45 - второй таймер, 46 - третья схема И, 47 - счетчик, 48 - второй ЦАП, 49 - второй калибратор, 50 - блок микробарометров, 51 - седьмой блок усилителей, 52 - третий блок фильтров, 53 - восьмой блок усилителей, 54 - четвертый блок фильтров, 55 - пятый пороговый блок, 56 - второй блок схем И, 57 - третий таймер, 58 - четвертая схема И, 59 - второй блок счетчиков, 60 - АЦП, 61 - второй блок АЦП, 62 - третий блок АЦП, 63 - четвертый блок АЦП, 64 - четвертый таймер, 65 - пятый таймер, 66 - второй тактовый генератор, 67 - схема ИЛИ, 68 - пятая схема И.
Устройство для определения местоположения источника сигналов содержит персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ) 1, а также 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 5 системы единого времени и блок 6 связи с абонентами, последовательно соединенные второй блок магнитных антенн 7, первый блок усилителей 8, первый пороговый блок 9, первый блок схем ИЛИ 10, первый таймер 11, первую схему И 12 и первый блок счетчиков 13, последовательно соединенные приемник радиации 14, второй усилитель 15 и первый пороговый элемент 16, последовательно соединенные блок приемников температуры 17, второй блок усилителей 18, второй пороговый блок 19, и первый блок схем И 20, а также первый тактовый генератор 21, подключенный ко второму входу первой схемы И 12 и первый блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 22, подключенный входами к первому и второму блокам усилителей 8, 18, а выходами подключенный к ПЭВМ 1, причем выход первого таймера 11 подключен к ПЭВМ 1 и ко вторым входам первого блока схем И 20, выходы первого блока схем И 20 подключены ко входам останова первого блока счетчиков 13, выход первого порогового элемента 16 подключен к первому блоку схем ИЛИ 10 и к ПЭВМ 1, выходы первого порогового блока 9, выходы второго порогового блока 19, выходы первого блока счетчиков 13, третьи входы первого блока схем И 20, управляющие входы первого и второго блоков усилителей 8, 18, второго усилителя 15, первого и второго пороговых блоков 9, 19, первого порогового элемента 16 и первого таймера 11 подключены к ПЭВМ 1, а в каждом канале содержит последовательно соединенные блок датчиков света 23, третий блок усилителей 24, первый блок фильтров 25, четвертый блок усилителей 26, третий пороговый блок 27 и второй блок схем ИЛИ 28, последовательно соединенные пятый блок усилителей 29, второй блок фильтров 30, шестой блок усилителей 31, четвертый пороговый блок 32 и третий блок схем ИЛИ 33, последовательно соединенные первый блок цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 34 и первый блок калибраторов 35, последовательно соединенные второй блок ЦАП 36 и второй блок калибраторов 37, последовательно соединенные первый ЦАП 38, первый калибратор 39 и сейсмометр 40, последовательно соединенные третий усилитель 41, второй фильтр 42, второй пороговый элемент 43 и вторую схему И 44, последовательно соединенные второй таймер 45, третью схему И 46 и счетчик 47, последовательно соединенные второй ЦАП 48 и второй калибратор 49, последовательно соединенные блок микробарометров 50, седьмой блок усилителей 51, третий блок фильтров 52, восьмой блок усилителей 53, четвертый блок фильтров 54, пятый пороговый блок 55 и второй блок схем И 56, последовательно соединенные третий таймер 57, четвертую схему И 58 и второй блок счетчиков 59, а также АЦП 60 и второй блок АЦП 61, подключенные входами, соответственно, к первому фильтру 4 и третьему блоку фильтров 52, а выходами подключенные к ПЭВМ 1, третий блок АЦП 62 и четвертый блоки АЦП 63, подключенные входами, соответственно, к первому и ко второму блокам фильтров 25, 30, а выходами подключенные к ПЭВМ 1, четвертый таймер 64 и пятый таймер 65, подключенные выходами, соответственно, ко вторым входам второй схемы И 44 и второго блока схем И 56, а входами запуска и управляющими входами подключенные к ПЭВМ 1, второй тактовый генератор 66, подключенный выходом ко вторым входам третьей и четвертой схем И 46, 58, схему ИЛИ 67, подключенную входами ко второму пороговому элементу 43 и к первому блоку схем ИЛИ 10, а выходом подключенную к третьему таймеру 57, и пятую схему И 68, подключенную первым и вторым входами, соответственно, к третьему таймеру 57 и к первому блоку ИЛИ 10, инверсным входом подключенную ко второму таймеру 45, а выходом подключенную к управляющим входам второго и третьего таймеров 45, 57, причем выходы первого блока магнитных антенн 2 подключены к пятому блоку усилителей 29, выходы первого и второго блоков калибраторов 35, 37 подключены, соответственно, к первому блоку магнитных антенн 2 и к блоку датчиков света 23, входы первого и третьего усилителей 3, 41 подключены, соответственно, к сейсмометру 40 и к первому фильтру 4, входы останова счетчика 47 и второго блока счетчиков 59 подключены к выходам, соответственно, второй схемы И 44 и второго блока схем И 56, выходы второго и третьего таймеров 45, 57 подключены, соответственно, к третьим входам второй схемы И 44 и второго блока схем И 56, входы блока микробарометров 50 акустически связаны со вторым калибратором 49, входы обнуления счетчика 47 и второго блока счетчиков 59 подключены к выходу пятой схемы И 68, выходы счетчика 47 и второго блока счетчиков 59, второго и третьего таймеров 45, 57, третьего, четвертого и пятого пороговых блоков 27, 32, 55, второго порогового элемента 43, входы первого и второго блоков ЦАП 34, 36, входы первого и второго ЦАП 38, 48, а также управляющие входы второго и третьего таймеров 45, 57, всех усилителей, фильтров, пороговых элементов, пороговых блоков, блоков усилителей и блоков фильтров подключены к ПЭВМ 1, выходы второго и третьего блоков схем ИЛИ 28, 33 подключены к первому блоку схем ИЛИ 10, выход первого блока схем ИЛИ 10 подключен ко второму таймеру 45, 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 23 выполнен в виде трех взаимно перпендикулярных оппозитных пар датчиков света, блок приемников температуры 17 выполнен в виде 2n (n≥2) размещенных равномерно по окружности в горизонтальной плоскости теплоизолированных друг от друга приемников температуры, второй блок усилителей 18, второй пороговый блок 19, первый блок схем И 20 и первый блок счетчиков 13 выполнены 2n-канальными, первый блок АЦП 22 выполнен (2n+3)-канальным, блок микробарометров 50 выполнен в виде 2m (m≥2) размещенных равномерно по окружности в горизонтальной плоскости акустически изолированных друг от друга микробарометров, седьмой и восьмой блоки усилителей 51, 53, третий и четвертый блоки фильтров 52, 54, пятый пороговый блок 55, второй блок схем И 56, второй блок АЦП 61 и второй блок счетчиков 59 выполнены 2m-канальными, первый, третий, четвертый, пятый и шестой блоки усилителей 8, 24, 26, 29, 31, первый и второй блоки фильтров 25, 30, первый, третий и четвертый пороговые блоки 9, 27, 32, первый и второй блоки калибраторов 35, 37, третий и четвертый блоки АЦП 62, 63 и первый и второй блоки ЦАП 34, 36 выполнены трехканальными, второй и третий блоки схем ИЛИ 28, 33 выполнены с тремя входами и одним выходом, первый блок схем ИЛИ 10 выполнен с восемью входами и одним выходом, пороговые блоки, первый, второй и третий 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), уровня радиационного фона и температуры и с двумя точками регистрации электромагнитного излучения (ЭМИ), инфразвука, света и сейсмических колебаний работает следующим образом. При возникновении, например, молниевого разряда, взрыва газа, промышленного взрыва, падения метеорита, выброса из атомной электростанции (АЭС) сначала на пункте наблюдения возможна регистрация быстрых сигналов - ЭМИ, света, повышения уровня радиационного фона. По любому из этих сигналов запускаются счетчики разностей времени между быстрыми и сопутствующими медленными сигналами - инфразвуковыми и сейсмическими сигналами, а для регистрации выбросов из АЭС запускается также счетчик разности времени между повышением уровня радиационного фона и повышением температуры. По возможным быстрым сигналам ЭМИ, света определяется направление на источник сигналов и приближенное местонахождение, а по медленным сигналам уточняется местонахождение источника сигналов. В случае выбросов из АЭС ориентировочное направление на источник сигналов определяется по положению датчиков температуры, зарегистрировавших минимальные разности между временем повышения радиационного фона и повышения температуры. По известному расстоянию между датчиками температуры и разности времени прихода сигналов на датчики температуры определяется скорость распространения теплового возмущения, по которой, с учетом минимальной разности между временем повышения радиационного фона и повышения температуры определяется ориентировочная дальность до 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 29, второй блок фильтров 30 и четвертый блок АЦП 63, поступают в ПЭВМ 1. Аналогично, сигналы блока датчиков света 23 через третий блок усилителей 24, первый блок фильтров 25 и третий блок АЦП 62 поступают в ПЭВМ 1, где начинается цикл обработки информации при превышении сигналами первого блока магнитных антенн 2 или блока датчиков света 23 заданных пороговых значений. Принятые сигналы двух ортогональных пар антенн из двух первых блоков магнитных антенн 2, 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, A - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 1 из четвертого блока АЦП 63 от антенн первой точки регистрации, размещенных в горизонтальной плоскости, причем A - амплитуда сигналов от антенны, ориентированной максимумом диаграммы направленности на вторую точку регистрации,
3
4
3
A, A - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 1 из четвертого блока АЦП 63 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, A - амплитуды сигналов, поступающих в ПЭВМ 1 из третьего блока АЦП 62 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 третьего блока АЦП 62 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 первого блока магнитных антенн 2 через пятый блок усилителей 29 с выходов второго блока фильтров 30 поступают через шестой блок усилителей 31 на четвертый пороговый блок 32. При превышении сигналами значений, заданных ПЭВМ 1, на выходах четвертого порогового блока 32 формируются логические единицы, поступающие на третий блок схем ИЛИ 33, выходной сигнал которого поступает на первый блок схем ИЛИ 10.
Принятые сигналы ортогональных пар датчиков света с выходов первого блока фильтров 25 поступают через четвертый блок усилителей 26 на третий пороговый блок 27. При превышении сигналами значений, заданных ПЭВМ 1, на выходах третьего порогового блока 27 формируются логические единицы, поступающие на второй блок схем ИЛИ 28, выходной сигнал которого поступает на первый блок схем ИЛИ 10.
Сигнал об увеличении радиационного фона в случае выбросов из АЭС с выхода приемника радиации 14 через второй усилитель 15 поступает на первый пороговый элемент 16, на выходе которого, при превышении установленного уровня сигнала, формируется логическая единица, поступающая на первый блок схем ИЛИ 10.
Выходной сигнал первого блока схем ИЛИ 10 запускает первый и второй таймеры 11, 45, и запускает третий таймер 57 через схему ИЛИ 67. Выходные сигналы первого таймера 11 разрешают прохождение импульсов от первого тактового генератора 21 через первую схему И 12 на блок счетчиков 13 и подготавливают блок схем И 20. Таким образом, начинается отсчет времени с момента увеличения радиационного фона на пункте наблюдения.
Выходные сигналы второго и третьего таймеров 45, 57 разрешают прохождение импульсов от второго тактового генератора 66 через третью схему И 46 на счетчик 47 и подготавливают вторую схему И 44, а также через четвертую схему И 58 на второй блок счетчиков 59 и подготавливают второй блок схем И 56. Таким образом, начинается отсчет времени с момента прихода на пункт наблюдения электромагнитного излучения (ЭМИ) и(или) вспышки света зарегистрированного явления, например, грозового разряда.
Сопутствующая этому явлению инфразвуковая волна приходит позднее ЭМИ (света) на первую и вторую точки регистрации инфразвука, находящиеся на пункте наблюдения, принимается блоками микробарометров 50 первого и второго каналов, выходные сигналы которых поступают в ПЭВМ 1 через седьмой блок усилителей 51, третий блок фильтров 52 и второй блок АЦП 61. Кроме того, выходные сигналы блока микробарометров 50 поступают через восьмой блок усилителей 53 и четвертый блок фильтров 54 на пятый пороговый блок 55. При превышении сигналом значения, заданного ПЭВМ 1, на выходах пятого порогового блока 55 формируются логические единицы, поступающие на второй блок схем И 56, выходные сигналы которого, при наличии разрешающего сигнала на вторых входах от пятого таймера 65, останавливают счетчики второго блока счетчиков 59 и фиксирует интервалы времени между приходами ЭМИ и инфразвука на первую и вторую точки регистрации. При отсутствии инфразвукового сигнала второй блок счетчиков 59 останавливается и обнуляется после окончания сигнала третьего таймера 57.
1
2
Полученные значения интервалов времени с выходов вторых блоков счетчиков 59 поступают в ПЭВМ 1, где по заранее измеренному при калибровке микробарометров значению скорости инфразвука определяются расстояния A, B 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 C 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:
1;
; ;
,
где A - расстояние от первой точки регистрации до источника сигналов,
B - расстояние от второй точки регистрации до источника сигналов,
C - расстояние между первой и второй точками регистрации,
α, β - углы прихода ЭМИ (света) на первую и вторую точки регистрации,
1
Δt - интервал времени между приходом ЭМИ (света) и инфразвука на первую точку регистрации,
2
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 A, B и уточненное местоположение источника сигналов.
Сопутствующая этому явлению сейсмическая волна приходит позднее ЭМИ (света) на первую и вторую точки регистрации сейсмических волн, находящиеся на пункте наблюдения, принимается сейсмометрами 40 первого и второго каналов, выходные сигналы которых поступают в ПЭВМ 1 через первый усилитель 3, первый фильтр 4 и АЦП 60. Кроме того, выходные сигналы сейсмометров 40 поступают через третий усилитель 41 и второй фильтр 42 на второй пороговый элемент 43. При превышении сигналом значения, заданного ПЭВМ 1, на выходе второго порогового элемента 43 формируется логическая единица, поступающая на вторую схему И 44, выходной сигнал которой, при наличии разрешающего сигнала на втором входе от четвертого таймера 64, останавливает счетчик 47 и фиксирует интервалы времени между приходами ЭМИ (света) и сейсмических волн на первую и вторую точки регистрации. При отсутствии сейсмического сигнала счетчик 47 останавливается и обнуляется после окончания сигнала второго таймера 45.
3
4
Полученные значения интервалов времени с выходов счетчиков 47 поступают в ПЭВМ 1, где по известному значению скорости сейсмических волн для данного региона определяются расстояния A, B 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 C 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:
;
; ;
,
где A - расстояние от первой точки регистрации до источника сигналов,
B - расстояние от второй точки регистрации до источника сигналов,
C - расстояние между первой и второй точками регистрации,
α, β - углы прихода ЭМИ (света) на первую и вторую точки регистрации,
3
Δt - интервал времени между приходом ЭМИ (света) и сейсмических волн на первую точку регистрации,
4
Δt - интервал времени между приходом ЭМИ (света) и сейсмических волн на вторую точку регистрации,
2
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 A, B и уточненное местоположение источника сигналов.
При появлении сигналов источников низкочастотного ЭМИ токи, наведенные во втором блоке низкочастотных магнитных антенн 7 от источника сигналов, через первый блок усилителей 8 и первый блок АЦП 22, поступают в ПЭВМ 1.
1
Принятые сигналы пары ортогональных антенн из второго блока низкочастотных магнитных антенн 7, 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 A, A - амплитуды сигналов средней частоты, поступающих в ПЭВМ 1 из первого блока АЦП 22 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 усилителей 8 поступают на первый пороговый блок 9. При превышении сигналами значений, заданных ПЭВМ 1, на выходах первого порогового блока 9 формируются логические единицы, поступающие на первый блок схем ИЛИ 10, выходной сигнал которого запускает первый, второй и третий таймеры 11, 45, 57. Выходной сигнал первого таймера 11 разрешает прохождение импульсов от первого тактового генератора 21 через первую схему И 12 на первый блок счетчиков 13 и подготавливает первый блок схем И 20 с последующим ожидаемым обнулением блока счетчиков или с приходом сигнала. Выходные сигналы второго и третьего таймеров 45, 57 разрешают прохождение импульсов от второго тактового генератора 66 через третью схему И 46 на счетчик 47 и подготавливают вторую схему И 44, а также через четвертую схему И 58 на второй счетчик 59 и подготавливают вторую схему И 56 с последующим ожидаемым обнулением счетчиков или с приходом сигналов. Таким образом, начинается отсчет времени с момента прихода на пункт наблюдения низкочастотного электромагнитного излучения (ЭМИ) для идентификации зарегистрированного явления, например, магнитной бури.
Сопутствующее выбросу из АЭС повышение температуры регистрируется блоком приемников температуры 17, которые на пункте наблюдения равномерно расставлены по окружности в горизонтальной плоскости в 2n (n≥2) точках. Сигналы с выходов блока приемников температуры 17 через второй блок усилителей 18 и первый блок АЦП 22 поступают в ПЭВМ 1. Кроме того, выходные сигналы блока приемников температуры 17 через второй блок усилителей 18 поступают на второй пороговый блок 19. При превышении сигналом значений, заданных ПЭВМ 1, на выходах второго порогового блока 19 формируются логические единицы, поступающие на первый блок схем И 20, выходные сигналы которых, при наличии поступающей от ПЭВМ 1 логической единицы на третьих входах первого блока схем И 20, останавливают первый блок счетчиков 13 и фиксируют интервалы времени между моментом увеличения радиационного фона на пункте наблюдения и повышением температуры на каждом из 2n приемников температуры. При отсутствии повышения температуры первый блок счетчиков 13 останавливается и обнуляется после окончания сигнала первого таймера 11.
Полученные значения интервалов времени с выходов первого блока счетчиков 13 поступают в ПЭВМ 1, где по положению приемников, соответствующих минимальным из 2n интервалов времени, определяется ориентировочное направление на источник выброса, по максимальной разности моментов повышения температуры на диаметрально противоположных приемниках температуры и известному расстоянию между ними определяется скорость перемещения температурного возмущения, а по полученной скорости перемещения и минимальным из 2n интервалов времени определяется ориентировочная дальность до источника выброса.
Для регистрации источников сигналов, не сопровождающихся быстрыми сигналами, (карьерные или подземные взрывы, взрывы в строениях и др.) в устройстве предусмотрена оценка дальности до источника сигналов по разности времени прихода медленных сигналов, например, сейсмических сигналов и инфразвука:
;,
где S - расстояние от точки регистрации до источника сигнала;
1
t - время прихода инфразвука;
2
t - время прихода сейсмических сигналов;
5
Δt - разность времени прихода инфразвука и сейсмических сигналов;
1
v - скорость инфразвука;
2
v - скорость сейсмических сигналов
Для этого сигналы с выхода сейсмометра 40 поступают через первый усилитель 3, первый фильтр 4, третий усилитель 41 и второй фильтр 42 на второй пороговый элемент 43. При превышении сигналом значения, заданного ПЭВМ 1, на выходе второго порогового элемента 43 формируется логическая единица, поступающая в ПЭВМ 1 и на схему ИЛИ 67, выходной сигнал которой запускает третий таймер 57. Выходной сигнал третьего таймера 57 разрешает прохождение импульсов от второго тактового генератора 66 через четвертую схему И 58 на второй блок счетчиков 59 и подготавливают второй блок схем И 56, на вторые входы которого поступает сигнал от пятого таймера 65, формирующий временное окно по команде из ПЭВМ 1. Таким образом, начинается отсчет времени с момента прихода на пункт наблюдения сейсмических сигналов.
Сопутствующая этому явлению инфразвуковая волна принимается блоками микробарометров 50 первого и второго каналов, выходные сигналы которых поступают в ПЭВМ 1 через седьмой блок усилителей 51, третий блок фильтров 52 и второй блок АЦП 61. Кроме того, выходные сигналы блока микробарометров 50 поступают через восьмой блок усилителей 53 и четвертый блок фильтров 54 на пятый пороговый блок 55. При превышении сигналом значения, заданного ПЭВМ 1, на выходах пятого порогового блока 55 формируются логические единицы, поступающие на второй блок схем И 56, выходные сигналы которого, при наличии разрешающего сигнала на третьих входах от пятого таймера 65, останавливают счетчики второго блока счетчиков 59 и фиксирует интервалы времени между приходами сейсмических сигналов и инфразвука на первую и вторую точки регистрации. При отсутствии инфразвукового сигнала второй блок счетчиков 59 останавливается и обнуляется после окончания сигнала третьего таймера 57.
Полученные значения 2m интервалов времени с выхода второго блока счетчиков 59 поступают в ПЭВМ 1, где по заранее измеренному при калибровке микробарометров значению скорости инфразвука и по известному значению скорости сейсмических волн для данного региона определяются расстояния от точек регистрации до источника сигнала, а также по положению микробарометров, соответствующих минимальным из 2m интервалов времени определяется ориентировочное направление на источник сигнала.
При появлении быстрых сигналов (ЭМИ и др.) предпочтение отдается им, т.е. такой сигнал с выхода первого блока схем ИЛИ 10 не только запускает таймеры, как было указано выше, но и поступает на второй вход пятой схемы И 68, на первом входе которой находится логическая единица с выхода третьего таймера 57, запущенного сигналом от второго порогового блока 43, а на инверсном входе - логический ноль с выхода второго таймера 45 (что соответствует режиму обработки события без быстрых сигналов) и формирует выходной сигнал для сброса в ноль счетчика 47 и второго блока счетчиков 59, а также для приведения второго и третьего таймеров 45, 57 в исходное состояние поступлением на управляющие входы.
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;
- инфразвук и сейсмический сигнал сопровождают карьерный или закрытый взрыв;
- увеличение радиационного фона и повышение температуры сопровождают выбросы из АЭС;
- низкочастотное ЭМИ при отсутствии прочих сигналов сопровождает магнитные бури;
- вспышка и инфразвук сопровождают открытый взрыв газа и т.д.
Для предотвращения ложных остановов счетчика 47 и второго блока счетчиков 59 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 счетчика 47 и второго блока счетчиков 59 в нужный момент ПЭВМ 1 открывает временное окно с помощью четвертого таймера 64 для прохождения сигнала останова счетчика 47 и открывает временное окно с помощью пятого таймера 65 для прохождения сигнала останова второго блока счетчиков 59. При необходимости предотвращения ложных остановов первого блока счетчиков 13 ПЭВМ 1 открывает временное окно для прохождения сигналов останова при повышении температуры. Для этого по приближенному значению дальности и ожидаемой скорости распространения температурного возмущения в ПЭВМ 1 вычисляются наименьшее ожидаемое время прихода температурного возмущения и соответствующие показания первого блока счетчиков 13, начиная с которых ПЭВМ 1 поддерживает логическую единицу на третьих входах первого блока схем И 20.
Вычисление приближенного значения дальности (если оно неизвестно, как в случае выброса из АЭС) производится до прихода сейсмических волн и инфразвука. Для этого по полученным углам прихода ЭМИ 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, 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,
C - скорость света,
1
2
ω, ω - соответственно верхняя и нижняя частоты спектра сигнала ЭМИ,
1
2
H, 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, температуры, сейсмических и инфразвука отдельно, которые подаются на управляющие входы первого и второго блоков фильтров 25, 30, на управляющие входы первого и второго фильтров 4, 42 диапазона сейсмических сигналов, а также на управляющие входы третьего и четвертого блоков фильтров 52, 54 диапазона сигналов инфразвука и с помощью цифровых потенциометров вырезают из полосы пропускания участки частот помехи.
Для защиты от ложных сигналов (например, солнечных бликов, изменений температуры, длительных сигналов ЭМИ и др.) ПЭВМ 1 периодически опрашивает все приемники ЭМИ, света, температуры, инфразвука и сейсмических колебаний (с выходов соответствующих АЦП и блоков АЦП 22, 60, 61, 62, 63) и устанавливает для каждого приемника сигналов пороги срабатывания соответствующих пороговых элементов и пороговых блоков, т.е. учитывает изменения фоновых сигналов.
Требуемые амплитудные и фазовые соотношения сигналов формируются с помощью команд ПЭВМ 1, поступающих на управляющие входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого блоков усилителей 8, 18, 24, 26, 29, 31, 51, 53, а также на управляющие входы первого, второго и третьего усилителей 3, 15, 41 (например, 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 элемента.
Для контроля усилительно-преобразовательных трактов предусмотрена подача калибровочных сигналов на первый блок магнитных антенн 2 от первого блока калибраторов 35, управляемого ПЭВМ 1 с помощью первого блока ЦАП 34, подача калибровочных сигналов на блок датчиков света 23 от второго блока калибраторов 37, управляемого ПЭВМ 1 с помощью второго блока ЦАП 36, а также подача калибровочных сигналов на сейсмометр 40 от первого калибратора 39, управляемого ПЭВМ 1 с помощью первого ЦАП 38. Калибровка блока микробарометров 50 осуществляется с помощью второго калибратора 49. Второй калибратор 49 является управляемым от ПЭВМ 1 с помощью второго ЦАП 48 источником импульсного и синусоидального инфразвука, в простейшем случае это может быть усилитель мощности с динамическим громкоговорителем. Второй калибратор 49 установлен на расстоянии нескольких метров от блока микробарометров 50 и акустически связан с последним через окружающую среду. В процессе калибровки определяются амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) блока микробарометров 50 с седьмым блоком усилителей 51 и третьим блоком фильтров 52, 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 49 через второй ЦАП 48. Для снятия АЧХ на блок микробарометров 50 от второго калибратора 49 подаются эталонные синусоидальные акустические сигналы с частотами рабочего диапазона микробарометра, которые преобразуются, усиливаются, фильтруются и через второй блок АЦП 61 поступают в ПЭВМ 1, где вычисляется АЧХ. Для определения скорости инфразвука на текущий момент ПЭВМ 1 подает эталонный импульсный сигнал на второй калибратор 49 и одновременно запускает пятый таймер 65, а через третий таймер 57 запускает второй блок счетчиков 59, который начинает отсчет времени прохождения инфразвуком известного расстояния между вторым калибратором 49 и блоком микробарометров 50. Выходной сигнал блока микробарометров 50 через седьмой блок усилителей 51, третий блок фильтров 52, а также через восьмой блок усилителей 53 и четвертый блок фильтров 54 поступает на пятый пороговый блок 55 и второй блок схем И 56 и останавливает второй блок счетчиков 59. Полученные значения интервалов времени с выходов второго блока счетчиков 59 поступают в ПЭВМ 1, где по известным расстояниям между вторым калибратором 49 и блоком микробарометров 50 определяется скорость инфразвука на текущий момент для расчета расстояния до источника сигнала.
Контроль усилительно-преобразовательных трактов низкочастотного ЭМИ, сигналов температуры и радиации осуществляется подачей сигналов от автономных имитаторов сигналов, устанавливаемых в зоне чувствительности блока низкочастотных магнитных антенн, приемников температуры и приемника радиации.
Информация, полученная в процессе работы, привязывается к единому времени с помощью блока 5 системы единого времени (GPS или 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. Сер.: 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.).